結(jié)直腸癌全基因組關(guān)聯(lián)分析研究進展

張 艷，來茂德，朱益民 綜述

(浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院1.流行病與衛(wèi)生統(tǒng)計學(xué)系;2.病理學(xué)與病理生理學(xué)系，浙江杭州 310058）

結(jié)直腸癌(colorectal cancer，CRC)是最常見的惡性腫瘤之一，全球結(jié)直腸癌患病人數(shù)估計有280萬，每年新增病例超過100萬，發(fā)病率居于惡性腫瘤第三，死亡率處于第四位［1］。我國隨著飲食結(jié)構(gòu)和生活方式的改變，結(jié)直腸癌的發(fā)病率和死亡率呈不斷上升趨勢，2007年結(jié)直腸癌的發(fā)病率居惡性腫瘤第三位，死亡率居于第五［2］。結(jié)直腸癌已經(jīng)嚴重威脅到居民的健康生活，并成為我國的社會負擔。因此進一步研究結(jié)直腸癌的發(fā)病機制，降低結(jié)直腸癌的死亡率顯得尤為重要。

結(jié)直腸癌是由環(huán)境和遺傳因素共同起作用的結(jié)果，其中遺傳因素在結(jié)直腸癌的發(fā)病中起重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸癌在一級親屬的發(fā)病率是普通人群的2到3倍，基于雙生子研究發(fā)現(xiàn)，大約35%結(jié)直腸癌的發(fā)生與遺傳易感性有關(guān)［3］。經(jīng)過多年的研究已發(fā)現(xiàn)了許多易感基因，然而，很多潛在的結(jié)直腸癌易感基因仍然沒有被發(fā)現(xiàn)。近十年來，家系連鎖分析已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些引起孟德爾疾病(如家族性腺瘤性息肉病)的罕見高?；颍?］。但是，連鎖分析的關(guān)鍵是遺傳因素完全或幾乎完全決定疾病的發(fā)生，致病基因具有很高的外顯率等。而結(jié)直腸癌作為復(fù)雜疾病被認為是受到多種基因的影響，每種基因的效應(yīng)微弱，因此連鎖分析在研究結(jié)直腸癌致病基因方面作用有限。比較大規(guī)模病例和對照人群之間某個基因型頻率差異的關(guān)聯(lián)研究被認為更適合用來識別復(fù)雜疾病(包括結(jié)直腸癌)的易感位點。全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association studies，GWAS)是利用高通量的基因芯片技術(shù)，主要對個體中數(shù)以百萬計的單核苷酸多態(tài)性(SNPs)進行檢測研究，在全基因組的水平上、在大樣本人群中進行病例對照關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)與疾病相關(guān)的陽性位點，然后將此陽性位點在獨立的樣本中進行驗證，從而發(fā)現(xiàn)影響復(fù)雜性疾病發(fā)生的遺傳易感變異［5］。迄今為止，利用GWAS已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些與結(jié)直腸癌相關(guān)聯(lián)的疾病易感位點和區(qū)域，為進一步研究結(jié)直腸癌的遺傳機制，有必要對結(jié)直腸癌GWAS研究進展作一綜述。

1 結(jié)直腸癌GWAS現(xiàn)狀

從2007年開始許多國家對結(jié)直腸癌開展了多項GWAS，在結(jié)直腸癌遺傳學(xué)研究方面取得了一定的進展，發(fā)現(xiàn)了一些與之相關(guān)的易感位點與區(qū)域(表1)。

1.1 歐美人群的結(jié)直腸癌GWAS

1.1.1 結(jié)直腸癌遺傳性(colorectal cancer genetics，COGENT)研究 COGENT研究小組在英格蘭、蘇格蘭、加拿大人群中通過多中心大規(guī)模樣本的重復(fù)驗證，先后發(fā)現(xiàn)了11個結(jié)直腸癌的易感位點:rs6983267(8q24)［6］、rs10505477(8q24)［7］、rs719725(9p24)［7］、rs4939827(SMAD7)［8，11］、 rs4779584 (GREM1)［9］、rs16892766 (EIF3H )［10］、 rs10795668(10p14)［10］、rs3802842(11q23)［11］、rs7014346(8q24)［11］、rs1957636(BMP4)［16］、rs4813802(BMP2)［16］。這些位點效應(yīng)都較弱，OR 值大部分在1.10～1.30之間。為了發(fā)現(xiàn)效應(yīng)更小的易感位點，對英國人群的GWAS數(shù)據(jù)進行Meta分析，以及病例對照的驗證，發(fā)現(xiàn)了另外8個新的易感位點:rs10411210(RHPN2)、rs4444235(BMP4)、 rs961253(BMP2)、rs9929218(CDH1)［12］、rs10936599(3q26.2)、rs11169552(12q13.13)、rs4925386(20q13.33)、rs6691170(1q41)［14］。然而，這些位點效應(yīng)更弱，OR值在1.10左右。

1.1.2 歐洲其他人群研究 Lascorz［13］等2010年對德國371家族性結(jié)直腸癌病例和1263例對照進行GWAS分析，經(jīng)過4個獨立的病例對照研究驗證，新發(fā)現(xiàn)了rs12701937(GLI3/INHBA)在顯性模型中與結(jié)直腸癌的發(fā)病風(fēng)險存在關(guān)聯(lián)(OR=1.14)，且此關(guān)聯(lián)在家族性結(jié)直腸癌病例中的效應(yīng)更強(OR=1.36)。另外，GWAS篩選出的不同位點已成功地在不同歐美人群中得到驗證，如rs16892766［17］、rs6983267［18-22］、rs10505477［7］、rs3802842［17，21，23］、rs4444235［24］、rs4779584［21］和 rs4939827［18，25］。

1.2 亞洲人群的結(jié)直腸癌GWAS 2011年，Cui［15］等首次報道了在亞洲人群的結(jié)直腸癌GWAS結(jié)果。該小組在6q26～q27區(qū)域發(fā)現(xiàn)了新位點，SLC22A3基因上的rs7758229與遠端結(jié)腸癌的發(fā)病風(fēng)險存在顯著關(guān)聯(lián)(P=7.92×10-9)。該研究結(jié)果提示，在歐洲和亞洲人群之間結(jié)直腸的發(fā)病機制存在一定的種族差異。

1.3 結(jié)直腸癌易感位點在非洲黑人人群的重復(fù)驗證研究 結(jié)直腸癌的GWAS在非洲人群中尚未進行，但是He［21］等在一個多種人群中對11個GWAS發(fā)現(xiàn)的結(jié)直腸癌易感位點進行重復(fù)驗證研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在美國黑人中rs6983267(8q24)和rs961253(20p12)與結(jié)直腸癌/腺癌存在顯著關(guān)聯(lián)。

表1 結(jié)直腸癌GWAS篩選出的SNP標志Table 1 Loci associated with colorectal cancer risk from GWAS

總之，GWAS發(fā)現(xiàn)的與結(jié)直腸癌有關(guān)的易感位點效應(yīng)都較弱，OR值大部分都在1.10～1.20之間。所有位點均位于非編碼內(nèi)含子區(qū)域，一些缺乏編碼序列或是轉(zhuǎn)錄活性的區(qū)域稱為基因沙漠［26］。比如最早發(fā)現(xiàn)與結(jié)直腸癌有關(guān)的易感位點rs6983267［6-7］位于距離最近的基因330 kb之外的基因沙漠區(qū)。另外，在已報道的易感位點中有5個位點標記的連鎖不平衡區(qū)塊包含或鄰近轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)超家族信號通路中的基因，它們是SMAD7［12，16］、GREM1［9］、骨形成蛋白 BMP2 和 BMP4 以及RHPN2［14，20］。眾所周知，TGF-β 超家族蛋白與細胞的增殖、分化和遷移有關(guān)，提示TGF-β超家族在結(jié)直腸癌中有一定的作用［27］，這也說明雖然這些易感位點對結(jié)直腸癌的效應(yīng)較小，但是它們的功能效應(yīng)可能很大。還有3個易感位點位于或鄰近某基因，分別為 rs7758229(SLC22A3)、rs16892766(EIF3H)和 rs9929218(CDH1)。SLC22A3是有機陽離子轉(zhuǎn)運家族的一員，該家族在轉(zhuǎn)運陽離子藥物、毒物和內(nèi)源性代謝物中起關(guān)鍵的作用［15］，而許多毒物或內(nèi)源性代謝物能引起腫瘤的形成;EIF3H調(diào)節(jié)細胞的生長和發(fā)育［10］，然而在 1q41、3q26.2、8q24、9p24、10p14、11q23、12q13.13 和 20q13.33 上的位點都位于沒有已知生物學(xué)關(guān)聯(lián)的基質(zhì)間隔區(qū)，所在區(qū)域都沒有明顯的候選基因。因此，仍然需要大量的研究探尋這些關(guān)聯(lián)的生物學(xué)機制。

2 結(jié)直腸癌GWAS的優(yōu)勢與不足

2.1 結(jié)直腸癌GWAS的優(yōu)點 GWAS是一種具有高通量、高保真度、無假設(shè)的分析方法，對于結(jié)直腸癌這類復(fù)雜疾病的研究中，具有很大的優(yōu)勢。之前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些已知基因的高外顯性，種系突變只能用于解釋小于5%的結(jié)直腸癌病例［28］，剩余的遺傳變異則歸功于大量常見的、遺傳效應(yīng)很弱的易感位點。相較于候選基因法和連鎖分析，GWAS通過對全基因組進行掃描比較大規(guī)模病例和對照人群之間某個基因型頻率差異，不需要先有候選基因，再分析基因與遺傳標志的變異，可以發(fā)現(xiàn)大量的常見變異，以及一些對結(jié)直腸癌遺傳效應(yīng)極小的遺傳變異，甚至能發(fā)現(xiàn)未知的基因。另外，大樣本量的采用、多階段的重復(fù)驗證以及強大的統(tǒng)計分析方法極大地提高了檢出結(jié)直腸癌相關(guān)易感位點的效能。

另外，相對于一般GWAS選擇少量的峰值位點進行后期驗證，雖然降低了假陽性率，但也掩蓋了許多其他易感位點，提高了假陰性率。目前幾例結(jié)直腸癌GWAS為了發(fā)現(xiàn)更多的易感位點，通過擴大驗證位點的數(shù)量，降低檢驗水平等手段，取得了不錯的成效［10-11］。

2.2 GWAS自身的局限性 同其他方法一樣，GWAS不可避免地會存在一些不足，由于GWAS自身的局限性，使得在結(jié)直腸癌遺傳易感性的研究中存在了一些問題。我們要正視GWAS存在的問題，采取合理的措施盡可能彌補這些不足，進一步優(yōu)化GWAS和后續(xù)的研究，發(fā)現(xiàn)更多的與結(jié)直腸癌致病機制相關(guān)的易感位點。

2.2.1 GWAS檢出的易感位點功能多不明確

盡管GWAS發(fā)現(xiàn)了許多與結(jié)直腸癌相關(guān)的易感位點，但是所有位點均位于非編碼區(qū)，有的甚至遠離基因編碼區(qū)，即使有的易感位點所在的連鎖不平衡區(qū)塊包含或鄰近某基因，但是這些基因?qū)Y(jié)直腸癌的具體功能也多不明確。因此需對這些區(qū)域進行重測序、精細作圖尋找其他關(guān)聯(lián)或致病位點，并對關(guān)聯(lián)或致病位點進行體內(nèi)外的功能驗證，最終把GWAS的研究結(jié)果與生物學(xué)研究聯(lián)系起來。

2.2.2 GWAS對低頻 SNPs檢出效能不夠

GWAS發(fā)現(xiàn)的結(jié)直腸癌相關(guān)變異均是常見變異(MAF平均值在0.39左右)。低頻變異(MAF＜0.05)很難被檢出，針對這個問題，增加GWAS的樣本量是最直接的方法，但鑒于GWAS的巨大花費，現(xiàn)有的樣本量難以識別出這些低頻SNPs。Meta分析通過合并多個研究數(shù)據(jù)增加樣本量，提高統(tǒng)計效能，不僅有利于發(fā)現(xiàn)新的常見變異，也能發(fā)現(xiàn)一些遺傳效應(yīng)強的罕見變異［29］。通過充分利用一些信息，如數(shù)量性狀位點的表達分析等，候選基因法漸漸被認為是一種可以發(fā)現(xiàn)低頻變異的方法［16］。特定區(qū)域的重測序和精細作圖以及全基因組測序研究也可能發(fā)現(xiàn)一些罕見變異［30］。

2.2.3 GWAS對遺傳變異的研究主要集中在SNPs 目前結(jié)直腸癌GWAS研究的主要對象為SNPs，對于其他的變異研究較少，如拷貝數(shù)變異(copy number variations，CNVs)，小片段的缺失，串聯(lián)重復(fù)序列和其他結(jié)構(gòu)的變異等。有研究發(fā)現(xiàn)，位于3q26的CNV區(qū)域可能與APC基因突變陰性的家族性結(jié)直腸癌發(fā)病有關(guān)［31］，這也提示CNVs可能是另一結(jié)直腸癌的易感變異。一項基因表達變異研究發(fā)現(xiàn)，SNPs和CNVs分別與83%和18%的基因表達變異有關(guān)［32］，相較于 SNPs我們對 CNVs的了解還很不全面，有可能低估CNVs的作用。隨著千人基因組計劃的推進，有望使人類基因組CNVs的圖譜更加清晰;隨著檢測分析技術(shù)的不斷發(fā)展，有望為闡明CNVs在結(jié)直腸癌遺傳機制中的作用提供平臺［33］，在結(jié)直腸癌GWAS中加入CNVs的檢測，有利于進一步解釋結(jié)直腸的遺傳易感機制。

2.2.4 GWAS 忽略或淡化了基因-基因和基因-環(huán)境的交互作用 目前結(jié)直腸癌GWAS更多關(guān)注的仍是遺傳因素對結(jié)直腸癌的影響，許多研究者簡化了結(jié)直腸癌的發(fā)病機制的復(fù)雜性，把此主要歸結(jié)為多個易感位點或基因的影響，對基因-基因、基因-環(huán)境聯(lián)合作用研究的較少。將不同的暴露人群混合后尋找遺傳易感位點，由于暴露的混雜效應(yīng)會削弱發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)的能力，降低研究效能，從而導(dǎo)致大量的遺傳變異被掩蓋［34］。在一個移民及時間趨勢的研究中顯示環(huán)境因素對結(jié)直腸癌的發(fā)病有很強的作用［35］。所以在研究遺傳與結(jié)直腸癌的關(guān)聯(lián)時，應(yīng)關(guān)注遺傳-環(huán)境之間的交互作用。另外可以采用全基因組單倍體分析研究基因-基因作用與結(jié)直腸癌的關(guān)系。

2.3 結(jié)直腸癌GWAS的不足 在研究結(jié)直腸癌遺傳易感性的過程中，除了GWAS自身的局限性造成的問題外，針對結(jié)直腸癌這一特定病種還存在其他的不足之處。目前結(jié)直腸癌GWAS主要集中在歐美人群，只有一例在亞洲人群中進行，而且與結(jié)直腸癌相關(guān)的易感位點在其他種族的重復(fù)驗證研究也較少。由于不同種族間結(jié)直腸癌的發(fā)病率、遺傳變異的頻率、連鎖不平衡的模式存在很大的差別，因此與結(jié)直腸癌相關(guān)的易感位點可能也會不同。比如在亞洲人群中［15］發(fā)現(xiàn)SLC22A3基因上的rs7758229與遠端結(jié)腸癌的發(fā)病風(fēng)險存在顯著關(guān)聯(lián)，而該位點在此前多個歐美人群中均未報道。另外GWAS發(fā)現(xiàn)的一些結(jié)直腸癌易感位點存在部位特異性:rs3802842(11q23.1)［11］、rs4939827(18q21.1)［11，18］和 rs6691170(1q41)［36］與直腸癌的發(fā)病風(fēng)險有關(guān)，而與結(jié)腸癌的發(fā)病風(fēng)險增加無關(guān);在亞洲的 GWAS［15］中發(fā)現(xiàn)，SLC22A3基因上的rs7758229只與遠端結(jié)腸癌的發(fā)病風(fēng)險存在顯著關(guān)聯(lián)。提示遺傳因素對直腸癌、遠端結(jié)腸癌、近端結(jié)腸癌的發(fā)病機制貢獻不同。因此在研究結(jié)直腸癌遺傳變異的過程中部位特異性的研究也是非常必要的，而目前的GWAS中相關(guān)的數(shù)據(jù)則很有限。針對這些問題，迫切需要更多亞洲和非洲人群的結(jié)直腸癌GWAS數(shù)據(jù)，以及針對腫瘤不同部位、類型的研究。

3 結(jié)直腸癌GWAS的應(yīng)用與展望

3.1 結(jié)直腸癌GWAS的應(yīng)用

3.1.1 結(jié)直腸癌GWAS與公共衛(wèi)生 單個位點的檢測對結(jié)直腸癌的預(yù)測貢獻很小，攜帶遺傳易感位點個體與未攜帶者相比患結(jié)直腸癌的風(fēng)險也只是略有不同。但是通過GWAS對全基因組進行掃描，識別一連串與結(jié)直腸癌相關(guān)的易感位點，形成結(jié)直腸癌遺傳易感譜，通過檢測多個易感位點，根據(jù)多個位點的數(shù)據(jù)建立一個風(fēng)險預(yù)測模型，對結(jié)直腸癌進行預(yù)測分析，從而將易感人群從一般人群中篩選出來，這對結(jié)直腸癌的防治有積極的作用［34］。但是必須指出的是遺傳因素只是發(fā)病機制中一個重要的部分，并不是引起疾病的唯一原因，所以用于疾病預(yù)測的觀點目前只是屬于研究階段，并沒有想象的簡單，要真正地上升到公共健康這一層面還需要很大的努力。

3.1.2 結(jié)直腸癌GWAS與臨床應(yīng)用 結(jié)直腸癌患者中攜帶的易感位點不同，其腫瘤類型也可能不同，Lubbe等［36］在3146名結(jié)腸癌患者中對易感位點與腫瘤分型進行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一些位點與特定的腫瘤類型顯著相關(guān)，臨床上可根據(jù)患者易感位點不同采用不同的治療方法。Xing［37］等對GWAS識別出的易感基因進行了疾病預(yù)后的關(guān)聯(lián)研究，得出10p14上的rs10795668與結(jié)直腸癌的復(fù)發(fā)風(fēng)險率降低有關(guān)(HR=0.55，P=0.05)，并提示該位點可能是作為識別化療后復(fù)發(fā)的標志物;另外，15q31上的rs4779584則與結(jié)直腸癌的生存率有關(guān)，可用于疾病預(yù)后研究。

3.2 結(jié)直腸癌GWAS的展望 盡管GWAS發(fā)現(xiàn)的結(jié)直腸癌的易感位點和區(qū)域只是冰山一角，對于闡明結(jié)直腸癌的遺傳特性的作用似乎微乎其微，大部分發(fā)現(xiàn)的SNPs只能輕度地增加結(jié)直腸癌的風(fēng)險［38］，但是結(jié)直腸癌GWAS的發(fā)現(xiàn)能夠促進基因組學(xué)中一些基礎(chǔ)研究(如功能學(xué)研究)的進行，進一步了解結(jié)直腸癌的易感機制，探討結(jié)直腸癌的發(fā)病機制。隨著技術(shù)的進步，GWAS的優(yōu)化，在未來可能會發(fā)現(xiàn)更多的新的基因、位點、通路，結(jié)合后續(xù)的功能研究，從而發(fā)現(xiàn)真正的結(jié)直腸癌的致病基因，把研究結(jié)果與實際應(yīng)用相結(jié)合，進而降低結(jié)直腸癌的人群患病率和死亡率。

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