人類基因變異組計(jì)劃及其在腫瘤方面研究進(jìn)展

邵營(yíng)波，張 瑾

到目前為止，人們對(duì)腫瘤發(fā)生機(jī)制的認(rèn)識(shí)可歸納為幾個(gè)基本假說，即基因突變、染色體易位、表觀遺傳修飾和干細(xì)胞起源。然而到目前為止，僅有一小部分的基因變異得到證實(shí)，獲得的信息非常有限。而那些在腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中起關(guān)鍵作用的基因變化還不明確。因此，要回答基因突變與腫瘤關(guān)系這一問題，首先需要揭示全部基因變異的規(guī)律，進(jìn)一步利用這一研究成果，實(shí)現(xiàn)腫瘤個(gè)體化治療。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提在于要從全基因組水平上闡明腫瘤基因變異的規(guī)律，這不僅是分子醫(yī)學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是未來醫(yī)藥科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。而人類基因變異組計(jì)劃(HVP)［1］為腫瘤全基因組及其他疾病的研究開辟了新的道路，具有廣闊的發(fā)展前景。

人類基因組計(jì)劃的完成標(biāo)志著后基因組時(shí)代的開始，人類基因組計(jì)劃完成了人類基因組的全部測(cè)序工作，為后基因組時(shí)代研究基因如何影響生命活動(dòng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著越來越多的基因變異被研究者發(fā)現(xiàn)，亟須建立一個(gè)完善的系統(tǒng)來收集、記錄、儲(chǔ)存這些變異基因信息以指導(dǎo)臨床實(shí)踐和基礎(chǔ)研究。2006年，HVP正式啟動(dòng)，HVP是一項(xiàng)浩大的首創(chuàng)性國際合作工程，旨在收集所有與人類疾病相關(guān)的遺傳變異，使得全世界的臨床醫(yī)生和科學(xué)家能夠共享這些疾病相關(guān)遺傳數(shù)據(jù)，應(yīng)用于基礎(chǔ)研究和臨床實(shí)踐中［2-4］。

1 HVP研究背景

基因變異與大約10%的人類疾病相關(guān)，據(jù)推斷，在世界范圍內(nèi)有60%的人口受到基因變異的影響，5%的人口受基因變異影響的時(shí)間超過25年。1949年，人類已經(jīng)在分子水平上詳細(xì)闡釋了與疾病相關(guān)的基因變異，但是直到20世紀(jì)80年代，基因變異數(shù)據(jù)的收集整理工作才由Victor Mckusick教授啟動(dòng)，由他建立的人類孟德爾遺傳在線數(shù)據(jù)庫 (online Medelian inheritance in man，OMIM)搜集了大量的基因變異信息。人類基因突變數(shù)據(jù)庫(HGMD)［5-6］是由英國卡爾地夫醫(yī)學(xué)遺傳研究所構(gòu)建的，從約250種期刊中收集突變信息。用計(jì)算機(jī)和手工結(jié)合的方法來掃描這些期刊以尋找相關(guān)基因變異信息，包括在編碼區(qū)、調(diào)控區(qū)和剪接區(qū)域的點(diǎn)突變，還包括插入、缺失、復(fù)制及重復(fù)。OMIM以及后來建立的HGMD收集了已經(jīng)發(fā)表的基因變異信息，但是在實(shí)驗(yàn)室和臨床中發(fā)現(xiàn)的但尚未發(fā)表的基因變異信息并未收錄在內(nèi)。

為了解決基因變異數(shù)據(jù)系統(tǒng)性收集的問題，1994年，在美國人類遺傳學(xué)的蒙特利爾會(huì)議上，一些遺傳學(xué)家提出建立位點(diǎn)特異性變異庫 (locus specific databases，LSDBs)［7］，收集與某一特定基因相關(guān)的突變信息。這次會(huì)議促使國際人類基因組組織 (HUGO)成立了人類基因組織突變數(shù)據(jù)庫行動(dòng)組，并進(jìn)一步發(fā)展成為人類基因組突變學(xué)會(huì) (human genome variation society，HGVS)。此后，研究又發(fā)現(xiàn)基因變異除了與遺傳性疾病相關(guān)外，與一些常見的疾病和耐藥性也可能相關(guān)，這促使人們對(duì)單核苷酸多態(tài)性 (SNPs)［8］進(jìn)行研究，研究數(shù)據(jù)主要收錄在單核苷酸多態(tài)性數(shù)據(jù)庫 (dbSNP)中。上述數(shù)據(jù)庫的建立為基因變異的研究創(chuàng)造了有利條件，但遺憾的是上述數(shù)據(jù)庫仍不能完整收錄與人類疾病相關(guān)的所有基因變異信息。

2006年，在澳大利亞墨爾本會(huì)議上，來自各個(gè)國家的遺傳學(xué)家一致同意啟動(dòng)HVP，HVP旨在收集、校對(duì)和發(fā)表所有的與人類健康相關(guān)的基因變異相關(guān)信息。自此，HVP正式啟動(dòng)。HVP旨在全面建立各個(gè)基因座位專一數(shù)據(jù)庫 (locus-specific database，LSDB)，收集輸入所有文獻(xiàn)報(bào)道和研究、臨床機(jī)構(gòu)尚未發(fā)表的致病突變和非致病變異，分析揭示基因型和臨床表型的相關(guān)關(guān)系及發(fā)病的分子機(jī)制，以期能夠準(zhǔn)確進(jìn)行臨床基因診斷，正確防治疾病，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療。

2 HVP 的目標(biāo)［9-10］

2.1 獲得所有與人類疾病相關(guān)的基因變異數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)基因上的突變逐一進(jìn)行人工校閱后存儲(chǔ)在一個(gè)中心結(jié)點(diǎn) (數(shù)據(jù)庫)。在不同國家提供該中心節(jié)點(diǎn)的鏡像網(wǎng)站，并最大限度保證數(shù)據(jù)安全和一致性，用戶可以通過一個(gè)統(tǒng)一的界面查閱這些數(shù)據(jù)。

2.2 提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng) (包括統(tǒng)一的基因變異領(lǐng)域的所有專業(yè)術(shù)語以及基因參考序列)和各種支持系統(tǒng) (主要是軟件)，方便醫(yī)學(xué)診斷實(shí)驗(yàn)室使用，并對(duì)人類變異知識(shí)的積累有所貢獻(xiàn)。

2.3 建立各種系統(tǒng)，確保人類變異信息得到足夠的人工校閱，并提高校閱的準(zhǔn)確度，減少錯(cuò)誤。校閱范圍可以是基因(位點(diǎn))特異性突變、國家或人種特異性突變、疾病特異性突變等。最終目標(biāo)是建立一個(gè)覆蓋人類基因組的、廣泛的變異數(shù)據(jù)集合。

2.4 建立一套結(jié)構(gòu)化的分層機(jī)制，確保臨床工作人員可以使用它對(duì)與某個(gè)遺傳變異可能導(dǎo)致的潛在結(jié)果 (如疾病)進(jìn)行判定。加強(qiáng)變異數(shù)據(jù)提供者與使用者之間的相互溝通，鼓勵(lì)臨床工作人員提供數(shù)據(jù)或者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和補(bǔ)充。

2.5 支持發(fā)展中國家全面參與人類變異信息的收集、分析和共享，并開展相關(guān)研究。在世界范圍內(nèi)建立一個(gè)通信與教育項(xiàng)目，收集并傳播與人類變異有關(guān)的知識(shí)。

3 HVP 的內(nèi)容［11-12］

HVP［13-14］是一項(xiàng)涉及臨床醫(yī)生、生物學(xué)家、生物分子實(shí)驗(yàn)室的國際性工程。倫理、命名與標(biāo)準(zhǔn)、論文發(fā)表、臨床數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存取整合、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)收集、致病性分析、國家數(shù)據(jù)收集、應(yīng)用轉(zhuǎn)化及個(gè)體化醫(yī)學(xué)、數(shù)據(jù)傳送、儲(chǔ)存和鑒別、資金籌集及支持構(gòu)成了HVP的工作框架。

3.1 數(shù)據(jù)來源、校對(duì)與命名 臨床醫(yī)生可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)變異臨床表型，實(shí)驗(yàn)室能夠?yàn)榕R床醫(yī)師檢測(cè)基因變異序列，因此臨床醫(yī)師和實(shí)驗(yàn)室是基因變異數(shù)據(jù)的主要來源。傳統(tǒng)的基因突變的檢測(cè)方法有:單鏈構(gòu)象異構(gòu)多態(tài)分析技術(shù) (SSCP)、異質(zhì)性雙鏈構(gòu)象多態(tài)性分析 (HTX)、變性梯度凝膠電泳 (DGGE)等［15］，隨著 HVP的完成和生物芯片、測(cè)序技術(shù)及生物信息學(xué)分析方法的快速發(fā)展，基因芯片與新型DNA測(cè)序這2種高通量基因組學(xué)研究技術(shù)的成熟與應(yīng)用，使全基因組結(jié)構(gòu)和功能研究成為可能。臨床醫(yī)師和實(shí)驗(yàn)室獲得的基因變異數(shù)據(jù)傳遞到負(fù)責(zé)收集突變數(shù)據(jù)的WayStation系統(tǒng)。在WayStation系統(tǒng)官方網(wǎng) 站 (www.centralmutations.org/)上，用戶可以方便地上傳基因數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳之后，WayStation系統(tǒng)審核委員會(huì)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行審核、校對(duì)，WayStation系統(tǒng)審核委員會(huì)由一些基因編輯組成，每個(gè)基因編輯負(fù)責(zé)對(duì)自己熟悉的基因所包括的突變進(jìn)行審核，這些專家可以得到各類開放軟件和信息學(xué)家的技術(shù)支持。WayStation系統(tǒng)還在不斷招募基因編輯進(jìn)行基因?qū)徍恕⑿?duì)工作。

HVP收集了大量的基因變異序列，這就需要制定基因突變的規(guī)范統(tǒng)一的描述標(biāo)準(zhǔn)、簡(jiǎn)化復(fù)雜基因突變序列的描述以及制定位點(diǎn)特異性基因序列格式。在HGVS網(wǎng)站 (www.hgvs.org/mutnomen)上收錄了變異序列的詳細(xì)描述和標(biāo)準(zhǔn)化的專業(yè)術(shù)語。第3屆人類基因變異組大會(huì)上，專家同意將位點(diǎn)相關(guān)基因 (LRG)序列格式［16］作為新的描述變異序列的標(biāo)準(zhǔn)，在LRG網(wǎng)站 (www.lrg-sequence.org)上可以得到詳細(xì)的信息。對(duì)復(fù)制數(shù)量變異的基因以及復(fù)雜基因的描述標(biāo)準(zhǔn)正在探討中。

3.2 數(shù)據(jù)庫的建立 提交到WayStation系統(tǒng)并且通過WayStation審核委員會(huì)審核的突變數(shù)據(jù)，將集中并存儲(chǔ)到中心突變數(shù)據(jù) 庫 中。 在 HGVS 網(wǎng) 站 上(www.hgvs.org/dblist/glsdb.html)已經(jīng)收錄了1 550 個(gè) LSDBs［17-18］，LSDBs需經(jīng)過HVP認(rèn)證，并使用統(tǒng)一的參考序列、命名系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)。LSDBs需要包括高質(zhì)量的臨床信息和表型信息，聲明每個(gè)變異實(shí)例，標(biāo)示數(shù)據(jù)質(zhì)量，并且接收各種數(shù)據(jù)提交。校閱后的序列 (及變異)數(shù)據(jù)需要提交給公共數(shù)據(jù)庫供查閱。這些數(shù)據(jù)庫收錄了大量的臨床表型-基因變異型資料，對(duì)于患者、醫(yī)生以及基礎(chǔ)研究者是寶貴的資源。在中心數(shù)據(jù)庫之外，尚有疾病相關(guān)特異性基因變異數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫對(duì)于特定疾病的診斷和治療具有重要的意義。目前疾病相關(guān)特異性基因變異研究組織有國際遺傳性胃腸道腫瘤協(xié)會(huì)［19］、微營(yíng)養(yǎng)基因工程［20］以及神經(jīng)遺傳學(xué)合作組織［21-22］。HVP旨在收集全球范圍內(nèi)基因變異信息，但是不同國家和人種文化的差異是HVP面臨的一大挑戰(zhàn)，這就需要建立多個(gè)國家特異性節(jié)點(diǎn)來完成基因變異信息的收集。目前已經(jīng)建立的國家特異性基因變異研究機(jī)構(gòu)有中國-HVP、韓國-HVP、阿拉伯基因研究中心、澳大利亞-HVP、DMUDB-UK 等［23-25］。

此外，HVP的工作內(nèi)容還有倫理學(xué)問題、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化及公眾教育［26］、資金資助及支持、病因評(píng)估、鼓勵(lì)發(fā)展中國家的參與及合作等，這里不再詳細(xì)敘述。

4 HVP在腫瘤方面的研究進(jìn)展及前景

4.1 HVP與結(jié)直腸癌 2007年，國際胃腸道遺傳性腫瘤協(xié)會(huì) (InSiGHT)［19］與HVP合作，啟動(dòng)了HVP-InSiGHT計(jì)劃，收集結(jié)腸癌易感性相關(guān)基因變異。國際胃腸道遺傳性腫瘤協(xié)會(huì)是一個(gè)國際性的多學(xué)科合作組織，旨在提高攜帶遺傳性胃腸道腫瘤變異基因患者的診斷和治療水平。HVP-InSiGHT計(jì)劃在遺傳性結(jié)直腸腫瘤，特別是在遺傳性非息肉性大腸癌，即Lynch綜合征研究中取得了很大的進(jìn)展。研究表明Lynch綜合征［27］是一種由錯(cuò)配修復(fù)基因 (mismatch repair gene，MMR)種系突變而引起的常染色體顯性遺傳病。而MMR的種系突變以及由突變而引起的微衛(wèi)星序列不穩(wěn)定 (microsatellite instability，MSI)是Lynch綜合征發(fā)生的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。每個(gè) MMR基因 (包括 hMLH1、hMSH2、hPMS1、hPMS2、hMSH3和 hMSH6等)都編碼一個(gè)參與DNA錯(cuò)配修復(fù)的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)糾正DNA復(fù)制的錯(cuò)誤。遺傳性非息肉病性結(jié)直腸癌(HNPCC)患者遺傳性獲得胚系突變的MMR基因，一旦其靶器官 (大腸、子宮內(nèi)膜、小腸、腎盂輸尿管等)的黏膜上皮中另一條正常的等位基因發(fā)生體細(xì)胞突變或缺失，則使該基因失活，相應(yīng)的編碼蛋白的缺失將影響DNA錯(cuò)配修復(fù)功能，從而使細(xì)胞具有惡變的可能性。當(dāng)MMR基因發(fā)生突變和功能缺陷時(shí)，DNA復(fù)制錯(cuò)誤的增加將使基因組DNA的微衛(wèi)星序列發(fā)生延長(zhǎng)或縮短，從而出現(xiàn)明顯的重復(fù)次數(shù)變化的不穩(wěn)定性——即MSI。HVPInSiGHT計(jì)劃在對(duì)錯(cuò)配修復(fù)基因MMR研究中建立了遺傳性非息肉性大腸癌疾病基因變異數(shù)據(jù)庫。這個(gè)數(shù)據(jù)庫屬于基于基因位點(diǎn)變異格式的數(shù)據(jù)庫 (LOVD)，收錄了6個(gè)易感基因 LSDBs，包括 MLH1、MLH3、MSH2、MSH6、PMS1 和 PMS2。國際胃腸道遺傳性腫瘤協(xié)會(huì)與HVP的合作促進(jìn)了遺傳性結(jié)直腸癌基因變異數(shù)據(jù)庫的建立，為結(jié)直腸癌全基因變異組數(shù)據(jù)庫的最終建立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.2 HVP與乳腺癌及卵巢癌 對(duì)腫瘤易感性的基因檢測(cè)［28］開始于20世紀(jì)90年代，主要針對(duì)具有家族性腫瘤遺傳病史個(gè)體的篩查，確定是否攜帶有腫瘤易感基因，以制定臨床干預(yù)方案。然而在基因檢測(cè)過程中以及研究中發(fā)現(xiàn)的基因變異并非都是致病性基因變異，很大比例的基因變異類型目前尚不能確定是否是致病性基因變異，這部分基因變異一般被稱為未分類的基因變異 (UVs)［29］。HVP研究基因變異的目的在于建立臨床表型-基因變異型資料，使基因變異數(shù)據(jù)用于疾病的診斷和治療，因此必須首先明確UVs的性質(zhì)，即病因評(píng)估。病因評(píng)估是HVP研究的重要內(nèi)容。

約7%的乳腺癌和10%的卵巢癌是遺傳性的，而84%的遺傳性的乳腺癌和卵巢癌是由 BRCA基因變異引起的［30］。BRCA2基因染色體13q12-13區(qū)域突變的個(gè)體，一生患乳腺癌的風(fēng)險(xiǎn)為60%～85%，患卵巢癌的風(fēng)險(xiǎn)為15% ～30%，這是明確的致病性BRCA基因突變。而乳腺癌中心數(shù)據(jù)庫的資料表明，已發(fā)現(xiàn)的BRCA基因突變類型中有50%屬于UVs，如何處理攜帶有未分類BRCA基因變異的個(gè)體是目前比較棘手的問題。

HVP在BRCA未分類基因變異研究中取得了很大的進(jìn)展。國際腫瘤研究機(jī)構(gòu)(IARC)建立了 BRCA1和 BRCA2數(shù)據(jù)庫［31］，在這個(gè)數(shù)據(jù)庫中以 IARC分類系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)，將BRCA致病性基因變異和UVs進(jìn)行等級(jí)分類，BRCA基因變異類型分為5個(gè)等級(jí)，致病可能性大于99%定義為class 5，而致病可能性小于1%定義為class 1。4級(jí)和5級(jí)需要遺傳學(xué)咨詢，3級(jí)需要考慮家族史等其他相關(guān)因素，而1級(jí)和2級(jí)為低風(fēng)險(xiǎn)，不需要處理。HVP BRCA數(shù)據(jù)庫的建立和不斷完善，為分類、鑒別未分類的BRCA基因變異提供了有力的工具。

由于基因突變對(duì)于腫瘤基因組學(xué)的意義以及其在醫(yī)學(xué)生物學(xué)各領(lǐng)域中的應(yīng)用前景，有關(guān)基因突變的研究將是21世紀(jì)生命科學(xué)的熱點(diǎn)。腫瘤個(gè)體化治療是今后的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心是系統(tǒng)、全面地揭示腫瘤發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律和發(fā)展先進(jìn)的診療方法。這項(xiàng)艱巨的工作與解碼生命的奧秘一樣，首先要在基因變異組學(xué)水平闡明其規(guī)律［32］，實(shí)現(xiàn)基因變異組學(xué)與腫瘤生物學(xué)的整合與集成，這是腫瘤生物學(xué)研究的基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)。HVP在腫瘤的生物學(xué)行為研究和防治中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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