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胃肠道癌的分子基础与临床
2022-06-24

胃肠道癌症是我国最常见的癌症,其发生率和死亡率构成对公众健康最主要的威胁。20世纪90年代以来,胃肠道癌的分子遗传学和分子病理学的研究取得了突破性进展。约有10%-20%的结肠癌发生在家族中,提示遗传性因素参与结直肠的致癌过程。寻找遗传性结直肠癌综合征的基因导致了发现与结直肠癌发病有关的基因:先发现与家族性瘤性息肉端正(fap)及散发性结直肠癌的发病密切的apc基因,并已分子克隆。扫接着fearon和vogelstein根据结肠腺瘤一癌顺序(adenoma-carcinoma xequence)演变中发现的分子变化,提出结肠癌发病过程的多步骤分子遗传学模式,首先提出癌症的是由多种基因突变积积累的概念。不久,又发现遗传性非肉病性结肠癌(hnpcc)的发病与微卫星体不稳定性(microsatellite instability,msi)有关,并进一步发现这种突变体表型(mutator phenotype)是由于dna错配修复基因(mismatch repair gene)的突变所致。这是除癌基因活化和抑癌基因失活以外的另一种致癌分子机制。与此同时,胃癌的分子病理学研究也取得了长足的进展,tahara等提出了两型胃癌(肠型和弥漫型)的分子发病模式。10%-15%的胃癌中层得有阳性家族史,特别在弥漫注性胃癌中的比率更高。胃癌也属于hnpcc的癌症谱。

一、家族性腺瘤性息肉病(fap)与apc基因

fap是一种常染色体显性遗传病,在人群中的发生率为1/10000-1/7000,外显率几乎为100%。其特征为青春期结直肠内出现成百上千个新性息肉,如不施行防性结肠切除术,几乎不可避免地将于40多岁在某一个或几个息肉中发生癌变。fap还有几种变型:轻型(减弱型)发病年龄较晚,腺瘤数目较少,为扁平的腺瘤,常限于近端结肠,癌变机会较少,可伴有胃底腺息肉及十二指肠息肉,也秒为遗传性市民平腺瘤综合征;重型(假定袭型)在青春期前发病,伴大量的腺瘤,30多岁就发生癌变;gardner综合征,即伴有结肠以外的表现,包括十二指肠腺瘤和癌、胃腺瘤和胃底腺息肉、皮肤表皮样囊肿、骨瘤、腹膜后和腹壁的带状瘤,及视网膜的先天性色素生上皮肥大(chrpe)等。

fap是由染色体5q上apc基因种系突变的结果,apc基因是一个很大的管家基因(housekeeping gene),在大多数组织中表达,含有19个外显子,基中6个可变地表达。它编码一有2843个氨基酸残基的蛋白质。外显子15很大,组成77%的编码区。其基因产物是一种表达于上皮细胞的胞质蛋白质,它与连环蛋白(catenin)和e-钙粘附蛋白相互作用而影响细甩粘附及细胞间信号传递;apc蛋白还结合微管,在细胞分裂和移动中起作用;apc可通过调控周期素-依赖周期素激酶复合物的活性而调节细胞周期;它还通过诱导凋亡而介导其在结肠腺瘤发生中的作用,故被誉为结肠上皮完整性的分子性“门卫”(molecular“gatekeeper”)。apc基因的突变可改变apc蛋白与β连环蛋白及e-钙粘附蛋白之间的平衡,导致细胞-细胞、细胞-基质之间粘附作用以及接触抑制信号传递的改变,引起细胞分裂与细胞死亡之间的平衡失调,以致生长失控,成为结直肠癌的一个限速的分子因素。β连环蛋白基因的突变可导致其蛋白质产物在胞质中积聚,并易位至细胞核中,加强tcf/lef-依赖的转录活性。提示突变的β连环蛋白在结肠癌中可起癌基因样的作用。在fap家族中曾发现缺失、框架移位中插入短的列等多种apc基因突变,造成终止密码子,产生一截短的蛋白质产物,使基因灭活。突变定位与fap的临床表现有一定联系:最靠近5`端的突变(在外显子4或更近侧)产生轻型表型,而靠近3`端“突变密集区”的突变产生重型表型。带状瘤与外显子15的1445-1578密码子之间的突变有关,其近侧的突变为chrpe阴性,耐锭侧的突变(在密码子463-1387之间)为chrte阳性,在密码子1403-1578之间的截短型突变与gardner综合征有关。基因型与表型之间的关联可以用正常apc分子间的二聚体作用来解释。远侧的突变靠近3`端,产生一较少截短的蛋白质,可与野生型apc蛋白质结合并干扰其功能(一种显性失活效应);而靠近5`端的突变产生严重截短的蛋白质,不能二聚体化,使野生型蛋白质保持正常功能。基因型-表型的关联可受环夫妻或其他基因因素(台cox2和moml基因)的修饰,可使相同的apc突变产生不同的临床症状,如同一家族中不同患者结肠中的腺瘤数目可不同,发病年龄可不同等。

由fap癌变发生的结肠癌虽只占全部结直肠癌中的一小部分(1%),但它为结直肠癌的分子基础研究提供了非常宝贵的线索。研究发现,50%散发性结直肠肿瘤中,含有apc基因的染色体5q区常有杂合性丧失(loh)。结直肠肿瘤不论其大小或组织学变化,至少60%-70%伴有apc基因的体细胞突变。apc基因的失活在结直肠至癌过程中很早出现,甚至在结肠癌前病变(如异常隐窝病灶或异型增生性微小腺瘤中)即能检出,故可能属于始动性基因变化,后来发现胃癌中也有apc基因的体细胞突变,其在60%高分化性胃癌、10%增生性胃息肉及25%胃腺瘤中均能检测到,但很少在低分化胃癌中检出。

二、结直肠致癌过程的多步聚分子模式

大量研究发现,和其他许多肿瘤一样,结直肠中瘤的形成世有多种基因变化的参与。既有癌基因的活化,也有抑癌基因的失活。这些改变在肿瘤发生的不同阶段起作用,具有相应时间上的优势,某种基因的改变只在肿瘤发生的某一阶段以高频率出现。这为制订在发病过程中的次提供了基础。

fearon和vogelstein根据结直肠“腺瘤-癌顺序”演变的规律和常见的基因变化,于1990年道先提出结直肠肿瘤生成的基因发病模式:

这一模式强调的是,多种基因变化的参与并在不同的阶段起作用。这些变化不一定在同一个肿瘤中出现,也不一定按此先后顺序,重要的是这些基因变化的积累和相互作用,起着决定肿瘤细胞表型的作用,并可能引起其生物学和临床表现的异质型。由于此模式是最早提出的多种基因突变和多步聚肿瘤发病的分子模式,它一提出就受重视和被广泛引用。然而,连原作用者也指出它尚不完全和太简化了。例如,它并未考虑与hnpcc有关基因的变化、基他癌基因的活化(如c-myc,c-src等)以及生长因子的反应等方面的变化,也未涉及除腺瘤癌变以外其他与结直肠癌发生的有关情况,如炎症性肠病、扁平腺瘤和所谓“从头癌”(“de novo”carcinoma)等。尽管如此,它首先提出了一个可供进一步研究的基架。最近,smyrk和lynch对此模式作了新的修改和补充,并指出结直肠癌是异质性疾病,其前驱病变也是异性的。以下的多步骤模式模式框架图列出了几种可能的恶变途径。

图10-2 smyrk和lynch提出的结直肠癌多种发病分子模式图

最近发现,结肠癌常以一些个别的结肠隐窝中的基因和形态改变开始,这些隐窝称为异常隐窝病灶(aberrant crypt foci,acf),是目前认识的最早的结肠癌前病变。还发现非息肉样(即非隆起性)的结肠肿瘤,包括扁平的或凹陷的腺瘤,为以前所未认识的另一类结肠癌前病变,它们比息肉样腺瘤更具恶变倾向。分了研究发现它们缺少k-ras突变,提示其不同于息肉样肿瘤的发病途径。还发现了一些其他新的分子变化:如在染色体18q上除了dcc基因的改变可在60%的进展期强直肠癌中出现,并与肝转移及不良预后有关,另发现其他抑癌基因-dpc4和属于tgf-β途径的madr2基因也位于染色体18q ,由等位基因的缺失而失活。此外,在25%-50%的结直肠癌中还发现了染色体1q,4p,6p,8p,9q和22q上有等位基因缺失,提示可能还有其他未被认识的基因变化存在,与结直肠癌的进展有关。其他分子变化还有:端粒酶活性破在于几乎所有的结直肠癌中,但很少在良性病变和正常组织中出现。还有dna甲基化不足或甲基化过度也可以不经过核酸突变而改变基因的表达。最近又了现peutz-jeghers综合征(pj综合征或胃肠道错构瘤性息肉病)的基因位于染色体19p33.3上,且已被克隆,被确定为一种丝氨酸-苏氨酸激酶基因的成员(stk11或lkb1),起抑癌基因的作用。其处系突变已在家族性pj综合征患者中检出,并可能在stk11携带者中诱发其他胃肠道肿瘤。

三、遗传性非息肉病性结肠癌与微卫星体不稳定性及dna错配修复基因

lynch和utsunomiya等曾描述另一种常染色体显性遗传性结直肠癌(外显率为85%-90%),不伴有广泛性肠息肉病的综合征,其特征是:结直肠癌发生较早(≤45岁),且有家族性聚集的倾向。根据严格的诊断标准为:至少有三个嫡亲患结直肠癌,累及至少两代,其中至少有一人在50岁前患癌症。癌好发于近侧结肠(70%在脾曲的近侧),常可有多个结肠癌,其发病率约占结直肠癌总数的5%-10%,其病理特征为低分化腺癌,呈实质性髓样癌生长方式,并常有大量淋巴细胞常浸润呈克罗恩病样反应,其预后较一般散发性结涅尔琴斯克癌为佳。在有些家族中,结肠癌是唯一的肿瘤类型(lynch ⅰ型);而在另一些家族中,还发生子宫内膜、胃、小肠、胰腺、胆道、肾盂和输尿管的癌(lynch ⅱ型)。有的病例还与皮脂腺腺瘤或腺癌及皮肤棘皮瘤有关,称muir-torre综合征。

最近已确定hnpcc是由负责修复dna错配的基因发生遗传性突变所致,这些基因是和细菌及酵母dna错配修复基因同源的人类基因:包括染色体2p22-21上的hmsh2,染色体3p21上的hmlh1、染色体2q31-33上的hpms1及染色体7q22的hpms2基因。它们的鉴定是通过多种不同的基因绘图定位技术而确定的。它们在hnpcc中参与的比例分别为50%、30%、5%及5%。错配修复基因的突变谱并未显示占优势的突变形态,突变可散布于整个基因的长度而无显著热点。相当大总部分的hnpcc患者含有其中一个等位基因基因的种系突变,剩下的另一个等位基因的失活可在肿瘤过程中发生,并导致在肿瘤细胞中出现突变体表型。有错配修复基因所陷的人类细胞中的突变频率加30-1000倍,从而可在肿瘤细胞内积累大量的突变,包括许多癌基因的激活和抑癌基因的失活(如tgf-β ⅱ型受体及igf-ⅱ受体基因的突变失活),以及出现微卫星体不稳定性现象(microsatellite instability,msi)。微卫星体是散布人类基因组中高度重复的短的序列(cep ipkho 1-6-bp),如(a)n和(ca)n重复,其中=10-60。它们是非编码蛋白质的序列,功能未明。由于它们在个体之间的高度多态性,而在某一个体中微卫星体的形式却很稳定,故它们能被用作基因分析的标志。现已查明,在许多肿瘤中有msi现象,表现为这些序列的扩充或缩减。这些序列很容易错误复制。dna复制时这些重复序列中dna多聚酶的失误,导致碱基的增减未被多聚酶的校对检出;这些差错被一组错配修复基因产物所检测、切除和修复。当错配修复基因发生突变时,msi现象就会出现,如在50-86%hnpcc病例的结直肠癌中及10%-15%散发性结肠癌中可检测出msi;它也可在17%散发的和75%属于hnpcc的子宫内膜癌、15%-39%散发性胃、70%胰腺癌、65%前列腺癌、20%乳腺癌、45%小细胞肺癌及大多数膀胱癌中检出,故这些癌均属于hnpcc的癌症亦。它代表另一种分子致癌机制,使细胞能获得多种突变,以加速癌变。它补充和扩展了多步骤致癌的分子模式,并可用来在恶性肿瘤出现之前鉴定出hnpcc突变基因的携带者。错配修复基因突变的鉴定将使hnpcc在症状出现之前诊断出结肠癌成为可能,预期未来它将成为hnpcc早期诊断和遗传咨询的金标准。多种基的存在及突变的异质性对建立该病的诊断方法提出了新挑战。

四、胃癌的分子发病模式

正常胃黏膜上皮转化成癌是一个多步聚的过程,涉及多种癌基因,抑癌基因,生长因子及其受体,细胞粘附因子及dna修复基国等的异常和积累。胃癌可分成两在临床病理类型:肠型(或良好分化型,即腺管型)及弥温型(或差分化型,即无腺管形成的腺癌及印戒细胞癌和硬癌等)两种类型的病因、好发部位、发生率及生物学行为及分子改变明显不同:如不同癌基因的表达和抑癌基因的失活,即使累及相同的基基座,在dna序列水平上的特殊突变常是不同的,肠型胃癌好发于胃窦部,与幽门螺杆菌引起的慢性胃窦炎及肠化生有关,常遵循一连串的变化,从慢性胃炎一萎缩性胃炎-肠化生-异型增生-癌变顺序演变,类似结直肠由增生-腺瘤-癌变的顺序,较常见于50岁以上男性患者,较多转移至肿脏,形成分散的结节。弥温型胃癌常起自非萎缩性胃体部,显示幽门螺杆菌诱发的浅表性胃炎的黏膜,缺乏明显的前驱病变,病因也不太清楚,常由非烦躁附的癌细胞组成,以印戒细胞性癌为多见,并可引起很强的纤维增生性反应(desmoplastic reaction),不常转移至肝,但可种植性转移至卵巢引起krukenburg瘤。弥曾型胃癌好发于a型血型的人,男女的比例相仿,近年来其发生率死亡率也不肠型那样有明显的下降趋势。

通过近年大量研究,已发现的胃癌常见分子变化如下:(1)p53基因的错义突变、框架移位和杂合性丧失(loh),增在胃癌和肠化异型增生病变中被发现;(2)apc基因在20%-50%胃癌和10%增生性息肉中产生突变;apc突变出现在胃癌的启动早期,其loh在弥温型胃癌中有较市制发生率,提示其基因产物可影响细胞粘附能力和移动性;在分化差、弥漫型胃癌中常发现e-钙粘附蛋白基因的loh和突变以及其蛋白质的表达减弱或消失;(3)bcl-2基因过度表达时可抑制凋亡,并在上皮细胞的永生化中起作用,它可参与肠型胃癌的早期启动;(4)dcc基因表达的降低与黏膜细胞的粘附特性改变及生长调节失控有关,其loh可在50%肠型胃癌中发现;(5)微卫星体可以是慢性胃炎中度变性破坏的好发部位,导致dna复制差划表型(rer+);在2号和3号分配色体上msh2和mlh1错配修复基因的突变引起基因组的rer+,它们是在hnpcc患者的胃癌有高危人群散发性胃癌中被发现的,尤其在中分化胃癌中比在高分化胃癌、中下或较上胃部的胃癌中显著多见;(6)上皮生长因子受体(egfr)及其配体(egf和tgfα)在正常胃黏膜中也有表达,但在30%-40%胃癌中过度表达;egfr的克隆性表达与胃癌的不良预后密切相关;(7)c-erbb2编码一透膜的酪氨酸激酶受体,其过度表达在90%肠型胃癌中出现;(8)两种前癌基因:c-met和k-sam与弥温型胃癌有关,c-met编码肝细胞生长因子(hgf)的受体,其过度表达导致肿瘤进展;k-sam也编码一酪氨酸激酶受体家族的成员,与年龄较轻(40岁以下)妇女的胃癌淋巴结转移及浸润深度相关,是预后不良的标志 ;而c-met则与50岁以上男性胃癌相关;(9)cd44是一种多功能的细胞表面受体,属于一种透膜的糖蛋白粘附分子,参与细胞-细胞、细胞-基质的相互作用,在淋巴细胞归巢和激活、传递生长信号等方面起作用;编码cd44的基因位于染色体11号p13上,含有20个外显子:前后各5个外显子是恒定的,在标准型cd44(cd44s)中只表达这10个外显子,它主要在淋巴造血细胞上表达,因此也称为造血cd44(cd44h);而位于中间的10个外赤子是可以改变拼接的,导致形成一个可弈我。利用不同的拼接,cd44基因能产生几种变异的同种型(isoforms),在胃肠肿瘤、膀胱癌、宫颈癌、乳腺癌和淋巴瘤中表达cd44的变异型,而不在正常细胞上表达,故可作为诊断和预后的标志,也可作为分子治疗的靶子;(10)最近的研还发现,细胞周期的负调节因子p21和p27的表达在50%以上散发性胃癌和结肠癌中丧失,并与预后不良相关,但在hnpcc中却不然,表明两者的分子发病途径有差异;cdkn2(p16/ink4a/mts1)抑癌基因的rna转录物在胃肠道癌中也常发现异常;(11)端粒酶的活性在正常胃肠黏膜中为阴性,但在胃肠癌和癌前病变中却大多为阳性,从而表明端粒酶的活性出现是在致癌过程的早期,并与癌症的时展相关,可作为胃肠癌诊断的有用标志。

tahara等归纳两型胃癌的分子发病模式图(图10-3)显示,这些基因变化在两型胃癌中有些是相同的,如端粒酶活的增加,微卫星体不稳定性,p53基因的失活和cd44的异常转录物等,主要是在胃癌发生的早期发参与的;但另有许多基因的变化是不同的,如有些癌基因的活化,抑癌基因的失活和生长因子的过度表达等,主要参与胃癌的进。c-erbb2的扩增和过度表达与肝转移相关,而e-钙粘蛋白、连环蛋白及nm23的表达减少与转移的发生有关。c-met和k-sam基因在胃硬癌中较多检出,把这此分子分析的结果转化成临床实际,有可能提高胃癌的诊断,预测基恶性程度和预后,有助于鉴定高危致癌的患者以, 及发展新的防治措施,tahara等自1993年起已在日本广岛开始常规应用分子诊断胃肠肿瘤,虽然取得一些结果,但这些新技术即昂贵,许多结果又尚未他定,顾在少伦理和法律问题。

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