低級別膠質(zhì)瘤的分子遺傳學(xué)研究進展

袁媛 徐玉喬 張志文 張麗英 石劍寬 謝忠林 王超 葉菁

(第四軍醫(yī)大學(xué):1病理學(xué)與病理生理學(xué)教研室; 2唐都醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科; 3西京醫(yī)院心血管內(nèi)科，陜西 西安 710032)

·綜述·

低級別膠質(zhì)瘤的分子遺傳學(xué)研究進展

袁媛1徐玉喬1張志文1張麗英1石劍寬2謝忠林3王超1葉菁1*

(第四軍醫(yī)大學(xué):1病理學(xué)與病理生理學(xué)教研室;2唐都醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科;3西京醫(yī)院心血管內(nèi)科，陜西 西安 710032)

低級別膠質(zhì)瘤; 分子病理; 表觀遺傳學(xué)

腦膠質(zhì)瘤是起源于腦部神經(jīng)膠質(zhì)細胞，是最常見的顱內(nèi)腫瘤之一。近30年來，原發(fā)性惡性腦腫瘤發(fā)生率逐年遞增，年增長率約為1.2%，中老年人群尤為明顯。根據(jù)美國腦腫瘤注冊中心統(tǒng)計，惡性膠質(zhì)瘤約占原發(fā)性惡性腦腫瘤的70%，年發(fā)病率約為5/100 000，每年新發(fā)病率超過14 000例，65歲以上人群發(fā)病率明顯升高[1]。盡管神經(jīng)影像學(xué)及膠質(zhì)瘤的治療均取得了一定的進展，但膠質(zhì)瘤的預(yù)后遠不能使人滿意。低級別膠質(zhì)瘤主要包括WHO I-II級的星形細胞腫瘤和WHO II級的少突膠質(zhì)細胞瘤。近年來隨著腫瘤遺傳學(xué)研究的進展，對低級別腦膠質(zhì)瘤的遺傳學(xué)認識越來越深入，也為膠質(zhì)瘤的治療帶來了希望。

一、異檸檬酸脫氫酶突變

異檸檬酸脫氫酶(isocitrate dehydrogenase,IDH)1、2和3均能夠催化異檸檬酸的氧化脫羧作用，將異檸檬酸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?酮戊二酸(α-ketoglutarate,α-kG)。IDH1和IDH2在結(jié)構(gòu)上有70%的同源性，IDH2位于線粒體，主要完成三羧酸循環(huán)；而IDH1位于細胞質(zhì)和過氧化物酶體，主要影響細胞脂肪和糖的代謝[2,3]。

由于在IDH1/2突變的腫瘤，只有一個拷貝的IDH基因發(fā)生突變，因此不可能出現(xiàn)功能缺失。IDH1/2突變后獲得一個新的功能，即將α-KG轉(zhuǎn)變?yōu)?-羥基戊二酸(2-hydroxylglutarate,2-HG)[4]。目前認為IDH1/2突變的膠質(zhì)瘤中2-HG升高的水平高于正常的100～1000倍，并且2HG在結(jié)構(gòu)上類似α-KG，因此能夠抑制α-KG依賴的酶促反應(yīng)，影響細胞的表觀遺傳學(xué)變化，眾多研究認為2-HG與腫瘤的惡性過程相關(guān)，因此將2-HG稱為癌代謝物[5]。

腦膠質(zhì)瘤IDH1/2突變是近年來發(fā)現(xiàn)的最重要的遺傳學(xué)改變。IDH1/2突變在WHO II-III級膠質(zhì)瘤和繼發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤(WHO IV級)中發(fā)生率非常高(gt;80%)，但在原發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤(WHO IV級)中突變率較低(約5%)。更多的研究顯示，具有IDH1/2突變的膠質(zhì)瘤患者較為年輕，且預(yù)后明顯較野生型患者較好。在膠質(zhì)瘤中，IDH1/2突變只是發(fā)生于一個等位基因上，即所有IDH1/2突變均是雜合狀態(tài)，而且在膠質(zhì)瘤中沒有發(fā)現(xiàn)IDH1和IDH2同時突變。其中IDH1的突變主要發(fā)生在編碼132位的第一和第二位堿基，IDH2突變主要位于第172位。目前，IDH1/2突變率已經(jīng)成為膠質(zhì)瘤患者診斷及預(yù)后判斷的重要指標。因此，研究IDH1/2突變在膠質(zhì)瘤發(fā)生過程的作用與發(fā)生機制具有重要的理論和臨床意義。

二、ATRX

X染色體連鎖的α地中海貧血/精神發(fā)育遲滯綜合征(α-thalassemia/mental retardation syndrome X-lined,ATRX)的致病基因，該基因定位于X染色體長臂Xq21.1，由35個外顯子和34個內(nèi)含子組成，全長281kb，編碼2492個氨基酸[6]。ATRX蛋白既是一種ATP依賴的解旋酶，也是重要的表觀遺傳調(diào)控因子之一，具有參與DNA的修復(fù)、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和染色質(zhì)重組等廣泛的生物學(xué)功能[7]。ATRX失活可激活端粒延伸替代途徑[8]，引起端粒延長，與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。ATRX能通過與組蛋白變異體H3.3結(jié)合，并整合到端粒，從而在染色體重塑中發(fā)揮了重要作用[9]。

ATRX的表達水平與神經(jīng)元的分化程度正相關(guān)，表明其在神經(jīng)細胞發(fā)育中可能起重要作用[10]。近年來通過基因測序發(fā)現(xiàn)，約7%的成人膠質(zhì)細胞腫瘤發(fā)現(xiàn)存在ATRX基因的突變，而ATRX基因突變往往導(dǎo)致ATRX蛋白失活[11]。在363例腦腫瘤的分析結(jié)果顯示，ATRX突變常發(fā)生于Ⅱ級彌漫型星形細胞瘤(67%,n=15)、Ⅲ級間變型星形細胞瘤(73%,n=40)、繼發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤(57%,n=14)和少突星形膠質(zhì)細胞瘤(68%,n=40)。但在Ⅰ級的毛細胞型星形細胞瘤中沒有發(fā)現(xiàn)ATRX 突變，而原發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤(4%,n=94)和單純少突膠質(zhì)細胞瘤(14%,n=50)的發(fā)生率也明顯降低。

三、腫瘤抑癌基因TP53突變

人類TP53基因位于染色體17p13.1，全長共有16～20 kb，由10個內(nèi)含子和11個外顯子組成。野生型TP53是由393個氨基酸組成的與細胞分裂周期相關(guān)的核磷酸蛋白。當細胞DNA發(fā)生損傷時，野生型TP53可使細胞停留在細胞分裂G1期，使細胞有足夠的時間修復(fù)受損的DNA以恢復(fù)正常；當DNA損傷嚴重?zé)o法修復(fù)時，TP53能夠啟動凋亡過程使受損細胞發(fā)生死亡，因此TP53在預(yù)防細胞基因突變、防止腫瘤發(fā)生過程中起重要作用[12]。突變型TP53出現(xiàn)功能缺陷，不但喪失抑癌活性，甚至可促進細胞向惡性細胞發(fā)生轉(zhuǎn)變。眾多研究已表明TP53突變是人類腫瘤最常見的遺傳學(xué)改變之一，許多惡性腫瘤中可以發(fā)現(xiàn)TP53的缺失或突變。

TP53信號通路在神經(jīng)膠質(zhì)瘤發(fā)生發(fā)展中也發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。已有研究表明，在 87%的膠質(zhì)瘤中存在TP53信號通路的改變，在35%的神經(jīng)膠質(zhì)瘤中存在TP53自身突變和缺失。由于TP53失活直接使細胞基因組處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而容易獲得更多的基因改變，伴隨著基因受累增多，星形細胞瘤發(fā)生惡性轉(zhuǎn)變，由低級別膠質(zhì)瘤轉(zhuǎn)變?yōu)楦呒墑e膠質(zhì)瘤[13]。有研究分析指出伴有IDH1突變的低級別膠質(zhì)瘤往往獲得CpG島的甲基化表型，繼而伴隨發(fā)生TP53基因突變，最終則可能發(fā)展成為高級別膠質(zhì)瘤[14]。

四、人端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶啟動子突變

人端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(human telomerase reverse transcriptase,hTERT)是人類細胞端粒酶調(diào)控的限制成分。人端粒酶由作為合成端粒末端序列模板的RNA及具有逆轉(zhuǎn)錄酶催化活性的蛋白亞基所構(gòu)成，TERT基因在大多數(shù)正常人體細胞中不表達。因此正常人體細胞缺乏端粒酶活性，端粒DNA長度隨細胞分裂次數(shù)增多逐漸縮短，最終引起細胞衰老[15]。在正常細胞中表達hTERT能夠重建端粒酶活性，促進細胞生長，延長細胞壽命，這些現(xiàn)象表明端粒酶在阻止細胞衰老的過程中發(fā)揮關(guān)鍵的作用。癌變過程可能造成 TERT重新表達，激活端粒酶穩(wěn)定端粒長度，從而賦予腫瘤細胞永生化生長能力[16]。近年越來越多研究揭示TERT在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展過程中起重要作用，而其中，端粒酶的異?；罨徽J為是人類腫瘤形成的關(guān)鍵步驟，已被公認為是治療腫瘤的重要靶標之一。

近年來， TERT啟動子突變被認為是IDH突變之后又一個與膠質(zhì)瘤密切相關(guān)的遺傳學(xué)改變。美國杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Killela的研究團隊對473例成人膠質(zhì)瘤患者IDH和TERT啟動子突變與總生存率的關(guān)系進行分析，認為檢測此類基因突變可以作為膠質(zhì)瘤組織病理學(xué)的輔助診斷。研究發(fā)現(xiàn)，74.2%的膠母細胞瘤中存在TERT啟動子突變，而僅18.2%的Ⅱ～Ⅲ級星形細胞瘤中有TERT啟動子突變。相反，在78.4%的Ⅱ～Ⅲ級星形細胞瘤中存在IDH突變。然而在79%的少突膠質(zhì)瘤中，同時存在TERT啟動子的突變和IDH突變[17]。此外，另有研究指出TERT啟動子突變幾乎不會見于兒童或青少年膠質(zhì)瘤患者中，具體的原因及機制仍需進一步探索[18]。

五、1p/19q聯(lián)合缺失

少突膠質(zhì)細胞腫瘤占腦膠質(zhì)瘤的15%～20%[19,20]，少突膠質(zhì)細胞瘤在不同觀察者之間的具有一定的差異。1998年，1p/19q缺失的發(fā)現(xiàn)為少突膠質(zhì)細胞瘤的最重要的遺傳學(xué)改變[21]，其見于50%～90%的少突膠質(zhì)細胞瘤，尤其是一些具有典型少突膠質(zhì)瘤形態(tài)的。在低級別膠質(zhì)瘤中，1p/19q缺失和TP53突變是相互排斥的，而TP53突變主要發(fā)生在星形細胞瘤中。但是，1p/19q聯(lián)合缺失預(yù)示著患者具有良好的預(yù)后，同時對一些治療更為敏感，如PCV方案(甲基芐肼，環(huán)己亞硝脲和長春新堿)，替莫唑胺化療，以及放療敏感[22]。

六、主要遺傳學(xué)改變的相關(guān)性研究

由于腫瘤基因組測序的發(fā)展，腫瘤遺傳學(xué)變化被逐步應(yīng)用到腫瘤的分類和預(yù)后分析，其中膠質(zhì)瘤的遺傳學(xué)與其分類的研究較為深入。利用TCGA數(shù)據(jù)庫，我們分析了形態(tài)學(xué)診斷的78例星形細胞瘤和95例少突膠質(zhì)細胞瘤的主要遺傳學(xué)改變，利用IGV軟件分析1p/19q聯(lián)合缺失和7號染色體的擴增情況。結(jié)果顯示，在形態(tài)學(xué)診斷為星形細胞瘤的膠質(zhì)瘤中，IDH1/2突變率為68%，其中TP53突變占IDH1突變的星形細胞瘤的90%以上，而且ATRX的突變與IDH1/2和TP53突變具有明顯的相關(guān)性，但是極少發(fā)生1p/19q聯(lián)合缺失。另外，在沒有的IDH1/2突變的星形細胞瘤中更易出現(xiàn)7號染色體的擴增，這些表現(xiàn)更類似與膠質(zhì)母細胞瘤，可能預(yù)示著其可能發(fā)展為繼發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤。

在組織學(xué)為少突膠質(zhì)瘤的腫瘤中，IDH1/2突變占88%，而且1p/19q缺失發(fā)生率為61%，且具有1p/19q缺失的少突膠質(zhì)瘤中，均有IDH1/2突變。在形態(tài)學(xué)診斷的少突膠質(zhì)瘤中，無1p/19q缺失但具有IDH1/2突變的腫瘤中，大多具有TP53和ATRX突變，這種遺傳學(xué)改變被認為主要出現(xiàn)于星形細胞瘤。

IDH1/2、TP53突變，以及1p/19q缺失是膠質(zhì)瘤最為常見的遺傳學(xué)改變，大于90%的膠質(zhì)瘤至少攜帶上述一種遺傳學(xué)改變。最近對TCGA數(shù)據(jù)的深入分析結(jié)果也顯示[14]，對IDH1/2、TP53突變和1p/19q缺失狀態(tài)的分析比組織學(xué)分類更有利于患者的預(yù)后判斷。在具有IDH突變和1p/19q缺失的低級別膠質(zhì)瘤患者臨床預(yù)后最好。在具有IDH突變但沒有1p/19q缺乏的膠質(zhì)瘤患者中往往具有TP53突變(94%)和ATRX失活(86%)。大部分沒有IDH突變的低級別膠質(zhì)瘤往往具有與原發(fā)膠質(zhì)母細胞類似的遺傳學(xué)改變和臨床行為。通過對多個膠質(zhì)瘤基因組數(shù)據(jù)的分析，以IDH突變、1p/19q缺失和TP53突變?yōu)榛A(chǔ)的分子分型，其比傳統(tǒng)組織學(xué)分型更具優(yōu)勢。

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1671-2897(2016)15-375-03

國家自然科學(xué)基金資助項目(81572471)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃資助項目(2016JM8100)

袁媛，碩士，E-mail:yy12103034@163.com

*通訊作者：葉菁，副教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:yejing@fmmu.edu.cn

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2015-09-27；

2016-01-20)