基因融合與癌癥發(fā)生發(fā)展關(guān)系及其致病機(jī)制的研究進(jìn)展

陽(yáng)雪蘭, 曾 雷

（吉林大學(xué)第一醫(yī)院表觀遺傳醫(yī)藥研究所，吉林 長(zhǎng)春 130021）

基因融合是指2 個(gè)或者多個(gè)不相關(guān)的異位基因所在的染色體發(fā)生重排，使這些基因處于同一套調(diào)控元件控制下，形成一種新的基因產(chǎn)物嵌合基因。與融合前比較，融合基因常具有不同的特征和功能。大部分基因融合是由于DNA 雙鏈斷裂導(dǎo)致染色體畸變而形成的［1］，但是在惡性腫瘤中特定的外部或者內(nèi)部因素是否對(duì)基因融合的發(fā)生有實(shí)質(zhì)性作用，目前的研究尚未闡明。

染色體重排包括平衡重排和不平衡重排2 種形式［2-3］。典型的不平衡重排是染色體間質(zhì)片段丟失，而平衡重排中保留重排染色體片段，不發(fā)生遺傳物質(zhì)丟失。其中最常見的染色體重排是易位，即染色體片段在染色體間的轉(zhuǎn)移交換，這幾乎在所有類型的腫瘤中都能檢測(cè)到。相互易位產(chǎn)生的2 條衍生染色體，每一條都可能包含致病融合基因。平衡重排還包括插入（染色體片段在同一或另一條染色體的新的間隙位置）和倒置（染色體片段旋轉(zhuǎn)180°）［2］。多數(shù)平衡性異常具有顯著的特異性，與腫瘤類型、臨床特征以及特征性的全基因組表達(dá)譜有關(guān)［4-6］。

1914年BOVERI 首次提出獲得性染色體異常是癌癥發(fā)生的原因，這一假設(shè)直到20 世紀(jì)60年代后 才 得 以 驗(yàn) 證。 1960年 NOWELL 和HUNGERFORD 在慢性粒細(xì)胞性白血?。╟hronic myeloid leukemia，CML） 中發(fā)現(xiàn)了人類腫瘤中的第一個(gè)特異性易位t（9；22）（q34；q11），研究［7］結(jié)果顯示：9 號(hào)染色體長(zhǎng)臂上的原癌基因ABL1 和22 號(hào)染色體上的BCR 基因重新組合形成了一種融合基因，即費(fèi)城染色體。

20 世紀(jì)70年代早期，染色體顯帶技術(shù)（核型分析）被發(fā)現(xiàn)可用于識(shí)別每條染色體區(qū)域，檢測(cè)染色體重排。之后多種細(xì)胞遺傳學(xué)技術(shù)也被應(yīng)用于癌癥中融合基因的鑒定，包括應(yīng)用探針與異常中期染色體雜交來(lái)尋找染色體斷點(diǎn)的熒光原位雜交（fluorescencein situhybridization，F(xiàn)ISH） 技術(shù)和準(zhǔn)確定位斷點(diǎn)的分子克隆技術(shù)（Southern 印跡雜交法和PCR 法）［8］。近年來(lái)高速發(fā)展的第2 代高通量測(cè)序技術(shù)等使癌癥分類更加精確，診斷更加快捷［9-10］。隨著細(xì)胞遺傳學(xué)技術(shù)和融合基因鑒定技術(shù)的發(fā)展，研究人員陸續(xù)在多種人類腫瘤中檢測(cè)到融合基因， 如在急性淋巴細(xì)胞白血病（acute lymphocytic leukemia，ALL） 中檢測(cè)到t（8；21）（q22；q22）易位，在伯基特淋巴瘤中檢測(cè)到t（8；14）（q24；q32）易位等［11］。

目前為止，在改進(jìn)版的嵌合轉(zhuǎn)錄本和RNA-seq數(shù)據(jù)庫(kù)（ChiTaRS 3.1），癌癥相關(guān)轉(zhuǎn)錄本融合的整合資源數(shù)據(jù)庫(kù)，以及癌癥基因組圖譜（The Cancer Genome Atlas，TCGA）數(shù)據(jù)庫(kù)中共收集到48117個(gè)融合基因，并鑒定出337 個(gè)參與良性和惡性腫瘤發(fā)生的融合基因［12］。其中，個(gè)別融合基因可以在多種惡性腫瘤中被檢測(cè)到，如ETV6-NTRK3 融合基因在急性淋巴細(xì)胞白血病、嬰兒纖維肉瘤和涎腺腺泡細(xì)胞癌等完全不同組織來(lái)源的腫瘤中均能被檢測(cè)到［13-15］。但某些特定的融合基因僅在特定的惡性腫瘤中形成，是該惡性腫瘤的重要發(fā)病驅(qū)動(dòng)，可以作為診斷該腫瘤的依據(jù)之一，如NUT 癌 中 的BRD4-NUT 融 合 基 因［16］，急 性 早 幼粒細(xì)胞白血病（acute promyelocytic leukemia，APL） 中的PML-RARA 融合基因［17］等。由于一些融合基因在所有與惡性腫瘤發(fā)生相關(guān)的突變基因中占很大比例，如在血液系統(tǒng)惡性腫瘤（白血病等）中，已經(jīng)確認(rèn)的融合基因占已知的人類腫瘤融合基因的75%［1］，因此血液腫瘤中的融合基因的功能機(jī)制和靶向治療是生物醫(yī)學(xué)研究的重點(diǎn)，并取得了許多關(guān)鍵成果。 如ALL 中的RUNX1-RUNX1T1 融 合 基 因，CML 中 的BCR-ABL1 融 合基因，APL 中的PML-RARA 融合基因等。在臨床應(yīng)用中，APL 可以通過全反式維甲酸進(jìn)行治療［18］；CML 能通過伊馬替尼等酪氨酸激酶抑制劑進(jìn)行靶向治療［19］。

然而，在大部分已知的實(shí)體腫瘤（間質(zhì)瘤和上皮性腫瘤）中，許多關(guān)鍵的融合基因/融合蛋白的生物功能和作用機(jī)制尚不十分明確，融合基因和融合蛋白的相關(guān)致癌機(jī)制仍需深入探討。雖然已有研究［20-21］報(bào)道闡述惡性腫瘤的發(fā)生與基因融合具有相關(guān)性，部分融合基因也與腫瘤的預(yù)后不良有關(guān)，但僅有少數(shù)研究探討了導(dǎo)致腫瘤發(fā)生的融合基因的發(fā)病機(jī)制，因此融合基因在腫瘤中的發(fā)病機(jī)制研究仍具有廣闊的研究空間。鑒于國(guó)內(nèi)外報(bào)道尚缺乏對(duì)融合基因在惡性腫瘤機(jī)制研究中的充分闡述，本研究概括總結(jié)了已知融合基因致病機(jī)制，并將其分為4 類。這有助于深入了解融合基因在惡性腫瘤中的致病機(jī)制，對(duì)理解疾病的發(fā)生具有重要意義，有望為腫瘤的診斷和臨床治療提供新的方法和思路。

1 融合基因在癌癥中的致病機(jī)制

1.1 融合基因促進(jìn)基因表達(dá)當(dāng)原癌基因與組成性表達(dá)基因融合時(shí)，如受體基因和免疫球蛋白基因等，原癌基因表達(dá)受到組成性調(diào)控元件的調(diào)控，引發(fā)原癌基因表達(dá)的持續(xù)激活，從而促進(jìn)原癌基因的異常轉(zhuǎn)錄。在B 和T 細(xì)胞譜系的淋巴細(xì)胞白血病和淋巴瘤中，這種致病機(jī)制普遍存在，多種融合基因通過此機(jī)制誘導(dǎo)惡性腫瘤的發(fā)生。其中，伯基特淋巴瘤中涉及的就是典型的基因融合，由于存在3 種染色體易位：t （8；14）（q24；q32）、t （2；8）（p12；q24） 或t（8；22）（q24；q11），8 號(hào)染色體上編碼MYC 蛋白的基因與編碼免疫球蛋白重鏈（immunoglobulin heavy chain，IGH）、免疫球蛋白輕鏈K （immunoglobulin Kappa，IGK） 或免疫球蛋白輕鏈λ （immunoglobulin lambda，IGL） 的基因發(fā)生融合，產(chǎn)生IGH-MYC、IGK-MYC 和IGLMYC 融 合 基 因［22］，導(dǎo) 致MYC 基 因 轉(zhuǎn) 錄 受 到 免 疫球蛋白元件的增強(qiáng)調(diào)控，使MYC 蛋白組成性過度表達(dá)。MYC 基因是一組癌基因，包括C-Myc、N-Myc 和L-Myc 等，MYC 癌基因的過表達(dá)異常地調(diào)節(jié)了Wnt-APC 和Notch 等多種信號(hào)通路，促進(jìn)細(xì)胞紊亂生長(zhǎng)和增殖［23-24］。這一由免疫球蛋白增強(qiáng)子驅(qū)動(dòng)的基因異常高表達(dá)機(jī)制，在成熟B 細(xì)胞惡性腫瘤和B 細(xì)胞譜系急性淋巴細(xì)胞白血病中，分別占據(jù)所有已鑒定的基因融合機(jī)制的2/3 和1/4［1］。另外，在成熟T 細(xì)胞惡性腫瘤和T 細(xì)胞譜系急性淋巴細(xì)胞白血病中，也存在類似的融合基因調(diào)控機(jī)制，可以通過與T 細(xì)胞受體（T cell receptor，TCR）基因發(fā)生融合使其調(diào)控元件調(diào)節(jié)融合基因。有22 種不同的癌基因被確定為TCR 易位基因，常見的有LMO2、TAL1 和TLX1 基因［25］。

在實(shí)體腫瘤中， 隆突性皮膚纖維肉瘤（dermatofibrosarcoma protuberans，DFSP） 存在的COL1A1-PDGFB 融合基因也是利用此致病機(jī)制誘導(dǎo)癌癥發(fā)生。DFSP 是一種常見的、生長(zhǎng)緩慢的、易復(fù)發(fā)的惡性腫瘤。DFSP 起源于皮膚真皮層，占所有軟組織肉瘤的1%～2%， 占所有腫瘤的0.1%［26］。COL1A1-PDGFB 融 合 基 因 是 由 位 于17 號(hào)染色體上的COL1A1 基因的可變部分與22 號(hào)染色體上的PDGFB 的外顯子2 發(fā)生物質(zhì)交換而形成的［27］。上述變化可能以平衡或不平衡的形式出現(xiàn)，致使COL1A1的調(diào)控元件取代PDGFB外顯子2的上游序列，PDGFB 外顯子2 的上游序列包含了PDGFB 轉(zhuǎn)錄和翻譯的抑制因子元件，因此形成的COL1A1-PDGFB 融合基因使PDGFB 基因的翻譯水平失去了上游抑制因子的調(diào)控，導(dǎo)致融合基因在COL1A1 基因調(diào)控元件啟動(dòng)下大量產(chǎn)生COL1A1-PDGFB 嵌合mRNA，所編碼的PDGFB 蛋白表達(dá)水平的異常升高，激活PDGFB 及其相關(guān)的多種信號(hào)通路，參與促進(jìn)細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)腫瘤形成等病理過程［28］。融合基因的形成也上調(diào)17 號(hào)和22 號(hào)染色體擴(kuò)增區(qū)的幾種基因，包括TBX2、PRKCA、MSI2、SOX9、SOX10 和PRAME 基因等［29］。

除上述融合基因外，還存在其他融合基因通過該機(jī)制促進(jìn)癌癥的發(fā)生發(fā)展，如肉瘤中的BCORCCNB3 融合基因［30］和前列腺癌中的TMPRSS2-ERG 融合基因等［31］。

1.2 融合基因異常激活激酶活性當(dāng)融合基因中存在激酶編碼基因，表達(dá)的融合蛋白通常具有異常激活的激酶活性，導(dǎo)致激酶在無(wú)配體的情況下被激活。這種機(jī)制已經(jīng)在多種血液系統(tǒng)惡性腫瘤和實(shí)體腫瘤中被發(fā)現(xiàn)，包括上皮細(xì)胞腫瘤、神經(jīng)膠質(zhì)腫瘤和脂肪細(xì)胞腫瘤等。費(fèi)城染色體形成的融合基因就是典型的一種，其在超過90% CML 患者中均能檢測(cè)到［32］。費(fèi)城染色體是指位于22q11 染色體上的BCR 基因的3′端與位于9q34 染色體上的ABL1 酪氨酸激酶編碼基因的5′端發(fā)生易位，形成BCRABL1 融合基因，其中包含BCR 蛋白的卷曲螺旋域和酪氨酸殘基［33］。這種卷曲螺旋域有助于融合基因二聚化，導(dǎo)致在無(wú)配體的情況下ABL1 酪氨酸激酶活性異常激活，從而激活酪氨酸激酶介導(dǎo)的信號(hào)通路，促進(jìn)細(xì)胞增殖并抑制凋亡發(fā)生［34］。因此開展費(fèi)城染色體的標(biāo)志物分析對(duì)血液腫瘤的診斷和預(yù)后預(yù)測(cè)具有重要意義。

在甲狀腺癌和肺腺癌等中發(fā)現(xiàn)的CCDC6-RET融合基因，在膽管癌、乳腺癌和前列腺癌患者染色體中發(fā)現(xiàn)的CCDC6-FGFR2 融合基因，在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、結(jié)直腸癌和卵巢癌患者染色體中發(fā)現(xiàn)的CCDC6-ROS1 融合基因等，均利用CCDC6 蛋白的螺旋狀線圈結(jié)構(gòu)域促進(jìn)激酶蛋白二聚化，激活了激酶的催化活性，進(jìn)而通過異常調(diào)節(jié)激酶介導(dǎo)的信號(hào)通路促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，抑制細(xì)胞凋亡，并誘導(dǎo)腫瘤的發(fā)生［35］。

個(gè)別含有激酶編碼基因的融合基因無(wú)異常激活激酶活性的功能，如B-ALL 中的RCSD1-ABL1 融合基因［33，36］。在激酶活性增強(qiáng)機(jī)制中，融合基因所編碼的蛋白幾乎都含有卷曲螺旋域，能夠在無(wú)配體存在的情況下促進(jìn)融合基因二聚化，從而實(shí)現(xiàn)激酶活性的異常激活。因此，融合基因所引起的二聚化是促進(jìn)此機(jī)制發(fā)生的關(guān)鍵。

1.3 染色體重排后基因的功能丟失當(dāng)染色體重排的位點(diǎn)位于抑癌基因中或其附近時(shí)，染色體重排后，抑癌基因或其位點(diǎn)附近的基因會(huì)發(fā)生缺失，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)抑癌作用，最終導(dǎo)致惡性腫瘤的發(fā)生并促進(jìn)其發(fā)展。這種機(jī)制已經(jīng)在血液系統(tǒng)惡性腫瘤和實(shí)體腫瘤中均得到了驗(yàn)證。在約50%的ALL 病例中均可檢測(cè)到伴ETV6-RUNX1 融合基因的ETV6正常非易位等位基因的序列缺失，使ETV6 蛋白抑癌功能喪失，影響細(xì)胞造血功能，誘導(dǎo)ALL 的發(fā)生［37］。在小兒急性髓系白血?。╬ediatric acute myeloid leukemia，p-AML）中，CDKN2A/B 基因的缺失與ETV6-RUNX1 融合基因形成存在一定關(guān)聯(lián)，影響細(xì)胞凋亡和細(xì)胞周期進(jìn)程，因此CDKN2A/B 基因的缺失在p-AML 的發(fā)生發(fā)展中具有重要意義［38］。此外，在乳腺癌、宮頸癌和小細(xì)胞肺癌等患者實(shí)體腫瘤中也存在染色體重排后FHIT 基因丟失［39］。這些基因在染色體重排后的缺失影響疾病的預(yù)后，導(dǎo)致病情復(fù)發(fā)，但目前的研究尚未明確這種基因缺失在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中的具體致病機(jī)制。

1.4 融合基因通過表觀遺傳修飾調(diào)控基因表達(dá)一類融合基因既不直接影響融合基因本體表達(dá)，也不包含激酶編碼基因，因此不能增強(qiáng)激酶活性。但這類融合基因能夠通過表觀遺傳在染色質(zhì)上的動(dòng)態(tài)修飾，調(diào)控靶標(biāo)基因的表達(dá)水平，如NUT癌患者染色體中發(fā)現(xiàn)的BRD4-NUT 融合基因就是這類融合基因中的一種。NUT 癌是指伴有睪丸核蛋白基因重排的鱗狀細(xì)胞癌，是一種罕見的組織起源不明、病因不明的高度侵襲性和高致死性癌癥［16］。約75% NUT癌病例中發(fā)現(xiàn)NUT 基因與位于19q13.1 染色體上的溴結(jié)構(gòu)域和超末端結(jié)構(gòu)域（bromodomain and extra-terminal domain， BET）家族中的BRD4 基因發(fā)生易位，形成BRD4-NUT融合基因并編碼BRD4-NUT 融合蛋白。該融合蛋白包含BRD4 蛋白的N 末端（氨基酸1～720）和幾乎整個(gè)NUT 蛋白序列（氨基酸6～1127）［16，40-41］。在正常生理?xiàng)l件下，BRD4 蛋白作為轉(zhuǎn)錄輔助因子調(diào)控基因表達(dá)［42］，NUT 蛋白僅保守地在減速分裂后的精子細(xì)胞中表達(dá)［20］。研究［43-44］表明：BRD4-NUT 融合蛋白可通過BRD4 部分的串聯(lián)溴結(jié)構(gòu)域（BD1 和BD2）結(jié)合染色質(zhì)組蛋白上的乙?；嚢彼?， 尤 其 是 H3K9ac、 H3K27ac、 H4K5ac 和H4K98ac，作為表觀遺傳識(shí)別器，并作為一種支架蛋白通過NUT 部分招募組蛋白乙?；竝300/CBP，富集于特定基因調(diào)控位點(diǎn)SOX2 和MYC 等癌基因，促進(jìn)組蛋白高度乙?；?，并進(jìn)一步招募RNA Pol Ⅱ和p-TEFb 等一系列轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，激活原癌基因轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖，增加細(xì)胞侵襲能力，抑制細(xì)胞自噬和凋亡。此外，尤文氏肉瘤中的EWSR1-FLI1 融合基因也是通過調(diào)節(jié)活性調(diào)節(jié)原件的表觀遺傳特征，增強(qiáng)增強(qiáng)子活性，從而異常調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)，促進(jìn)腫瘤增殖［45］。

在血液系統(tǒng)惡性腫瘤中，APL 中的PMLRARA 融合基因、AML 中的RUNX1-RUNX1T1融合基因和混合譜系白血病中的MLL 融合基因［46］也能通過表觀遺傳修飾調(diào)控基因異常表達(dá)，從而促進(jìn)腫瘤發(fā)生。RUNX1-RUNX1T1 融合基因是由21 號(hào)染色體的RUNX1 基因和8 號(hào)染色體的RUNX1T1 基因發(fā)生染色體易位而形成的，RUNX1-RUNX1T1 融 合 蛋 白 與CBF β、 LYL1、E 蛋白TCF3 和TCF12、橋聯(lián)因子LMO 及LDB1形成復(fù)合物，增加DNA 結(jié)合親和力，抑制p300/CBP 共 激 活 因 子 的 招 募［47］。 同 時(shí)RUNX1-RUNX1T1 融合蛋白招募組蛋白去乙?；福╤istone deacetylases，HDACs） 并與DNA 甲基化酶 1 （DNA methyltransferase 1， DNMT1） 和DNMT3A相互作用［48］。而在生理?xiàng)l件下，RUNX1蛋白能夠招募p300 和TET 組蛋白去甲基化酶［47］。在病理?xiàng)l件下，RUNX1-RUNX1T1 融合蛋白利用RUNX1T1 片段在轉(zhuǎn)錄調(diào)控上發(fā)揮與RUNX1 蛋白相反的作用，從而抑制細(xì)胞的分化，促進(jìn)細(xì)胞的自我更新和增殖，改變RUNX1 在造血細(xì)胞分化和成熟中的作用，在AML 發(fā)生的起始階段發(fā)揮重要作用［49］。但是，這些融合基因如何作為轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，在腫瘤發(fā)生中的致病機(jī)制目前尚不十分清楚，需要進(jìn)一步的研究。

2 總結(jié)與展望

由染色體重排產(chǎn)生的基因融合與多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展相關(guān)，在腫瘤的分類、診斷、治療和預(yù)后預(yù)測(cè)中起著至關(guān)重要的作用。隨著測(cè)序技術(shù)的深度發(fā)展，大量的融合基因在人類腫瘤中得到鑒定。盡管融合基因具有致癌的驅(qū)動(dòng)作用，但是目前對(duì)于融合基因研究較少，其作用和致病機(jī)制尚未完全明確，因此本文就現(xiàn)有的融合基因致病機(jī)制進(jìn)行了探討：其中融合基因通過上調(diào)基因表達(dá)、增強(qiáng)激酶活性、誘導(dǎo)基因缺失和調(diào)控表觀遺傳修飾等多種方式促進(jìn)腫瘤發(fā)生，為進(jìn)一步開展融合基因和融合蛋白的研究提供參考。

疾病的靶向治療已成為臨床治療研究的熱點(diǎn)。雖然在多種癌癥中融合基因已被認(rèn)為具有致癌作用，可作為潛在的特異性治療靶點(diǎn)，但是只有少數(shù)臨床藥物在靶向融合基因疾病治療中得到應(yīng)用，在大部分融合基因相關(guān)的癌癥中，特別是實(shí)體腫瘤中仍缺乏有效的治療手段，因此亟需研究其致病機(jī)制，開發(fā)創(chuàng)新型藥物。目前，BRD4 抑制劑［50］和p300 抑制劑［51］被用于NUT 癌患者的臨床實(shí)驗(yàn)中，在治療初期顯示一定的藥效性，但患者最終仍產(chǎn)生抗藥性和藥物毒性反應(yīng)，顯示融合基因在癌癥致病機(jī)制的復(fù)雜性，因此深入研究融合基因的致病機(jī)制，將為尋找新的特異性潛在治療靶點(diǎn)，研制全新的抗腫瘤藥物提供新的方向。

目前研究仍難以明確融合基因產(chǎn)生的階段和機(jī)制，盡管普遍認(rèn)為DNA 雙鏈斷裂是導(dǎo)致基因融合的染色體畸變所必需的，但是尚未找到對(duì)DNA 雙鏈斷裂具有實(shí)質(zhì)性影響的外部因素和內(nèi)部因素。此外，在多個(gè)年齡階段都已診斷出發(fā)生染色體重排和基因融合的腫瘤，如ETV6-NTRK3 融合基因在1 例患者散發(fā)性小兒甲狀腺乳頭狀癌的7 歲患者和1 例患有類似乳腺分泌性癌的72 歲患者中被檢測(cè)到［52-53］。因此準(zhǔn)確地確定機(jī)體中不同類型的細(xì)胞出現(xiàn)染色體易位和基因融合的時(shí)機(jī)以及融合基因發(fā)生的因素和機(jī)制十分重要，這將為存在融合基因的癌癥的預(yù)測(cè)和治療提供理論基礎(chǔ)。