Nat Genetics丨寻找“圣杯”!非诱变肿瘤促进因子——被低估的癌症风险因素

BioArt 2020-11-23 09:59

撰文 | 咸姐

责编 | 兮


提到突变,相信很多读者都跟我一样,第一反应是癌症。没错,癌症确实主要是由“癌症驱动基因”的基因组突变引起的,这些基因在肿瘤的发展过程中扮演着重要的角色。其实,DNA中积累的突变通常都被认为对人类健康有害,这些突变是由大多数组织中的DNA损伤和修复错误造成的,与衰老以及一系列疾病有关,包括神经退行性病变和癌症【1】。然而,随着深度测序的发展,研究发现在成年人正常组织中(包括皮肤、食道、结肠、肝脏、肺和子宫内膜)也存在大量的体细胞突变。令人惊讶的是,这些正常组织细胞中的很多突变基因都不是单纯的“乘客基因”,而是在相同组织的癌症中也会出现的有功能的突变基因。例如,老年人正常食管组织中30%至80%的细胞都含有NOTCH1突变,而NOTCH1是食道癌中已知的致癌驱动基因【2】


这些发现不禁让我们想问,是什么机制使得我们一度以为的有害突变可以持续如此长的时间而不引发恶性肿瘤呢?一种解释是,对正常细胞而言,DNA损伤的全面修复是一件亏本买卖,因此正常的老化组织所能耐受的突变会逐渐积累起来【3】。另外,也有很多被选择的突变是具有功能性的,可以增强正常组织的适应度,而与癌症无关【4】。然而,无论如何,这一系列的观察都提醒我们,关于癌症,我们似乎忽视了一些重要的事情。突变本身似乎并不足以影响肿瘤的发展,一个可能的原因是突变的总数或它们的组合低于癌变所需的完全转化,也有可能是因为突变更常在不容易转化的细胞类型中积累。那么单个突变细胞到底是如何导致癌变的呢?小鼠模型的研究表明,细胞起源的性质(突变可以通过基因诱导)可以决定恶性生长的可能性。而另一种更容易被人们忽略的事实是,那些我们知之甚少的外源性环境危险因素也可能在刺激突变细胞转化为活跃生长的病变中发挥关键作用。


近日,来自美国加州大学旧金山分校海伦·迪勒家庭综合癌症中心的Allan Balmain教授在Nature Genetics在线发表题为“The critical roles of somatic mutations and environmental tumor-promoting agents in cancer risk”的观点,重新强调了一些很久以前基于小鼠模型的癌症研究,即暴露于诱变剂所导致的高度突变但仍处于休眠状态的起始细胞,在暴露于非诱变肿瘤促进剂后可以很快被激活并形成肿瘤这些早期小鼠模型为外源性诱变剂与非诱变环境因素所引起的相对癌症风险提供了另一种观点——非诱变促进剂(无论是内源性还是环境中的)在人类癌症病因学中的地位可能比以往认为的更重要,并可能对癌症预防的方法产生重要影响。



100多年前首次发表的动物模型研究,建立了暴露于外源性致癌物与癌症风险之间的因果关系。随后的研究提出了皮肤癌变两阶段的概念,先用低剂量的致癌物(通常是二甲基苯并蒽DMBA)处理小鼠皮肤,然后再用刺激炎症的非诱变剂[通常为12-O-十四烷基-佛波酯-13-乙酸酯(TPA)]反复处理,即启动-促进模型。利用该模型,人们惊讶的发现DMBA的单一处理会导致癌基因Hras的激活突变而造成鳞状癌的发展,但是单独使用DMBA或TPA处理小鼠均不会导致肿瘤的发生。相反,在DMBA给药1周后,再给予小鼠每周两次的TPA,则可在1-2个月内诱发良性肿瘤(乳头状瘤),其中一些会在5-12月后发展为癌(图1a)。此外,研究人员还发现,在没有任何促进剂的情况下,这些突变的起始细胞也不会消失,而是在小鼠的大部分生命时期保持着休眠的状态。一旦被非诱变剂触发,即使是在诱变剂启动的1年或更久以后,大多数突变细胞也可以发展成肿瘤图1b)。值得注意的是,除了Hras突变,DMBA启动的细胞还包含成千上万的突变,包括其他的驱动基因突变。考虑到携带这些突变的细胞的生长几乎立即受到TPA的刺激,并且仅在2-3周的暴露后就产生了可见的前体细胞病变。如此短的时间内不足以获得额外的突变,因此良性皮肤肿瘤形成所需的基因变化都存在于起始细胞中,而反复暴露于促进剂对于早期肿瘤的出现是必要的。由此表明,癌症发展的主要风险因素不是持续的强致癌突变,而是将起始突变细胞暴露于作为促进因子的药物中。


图1


尽管事实早已摆在眼前,但是在最近的一场关于人类癌症主要风险因素的讨论中,人们似乎并没有充分考虑到一个导致突变细胞活化的强烈促进阶段可能导致人类癌症风险的可能性。本文作者指出,一些(可能是很多)环境因素通过与促进有关的非突变机制而导致人类癌症似乎才是合乎逻辑的。即使是一些众所周知的癌症风险因素如吸烟和紫外线,虽然最明显的特征是直接损伤DNA的诱变剂,并具有特征性的突变特点,但已被证明可以诱导与促癌密切相关的途径。尽管基因组突变,无论是由干细胞的复制错误还是环境诱变剂引起的,显然对肿瘤的发展至关重要,但许多研究,特别是以小鼠模型为基础的研究表明,这些突变是不够的。而暴露于大量不同的、可能是组织特异性的、环境的或内源性的非诱变促进剂才可能是小鼠模型和人类肿瘤发生的关键限速步骤。


将非诱变剂的促癌阶段纳入癌症风险模型,无疑为癌症预防提供了更多乐观的情绪。毕竟,相比于突变所诱导的“永恒且不可逆的伤痕”而言,非诱变剂的促进是更易于采取预防措施来管理的风险因素。然而,不幸的是,随着80年代早期癌基因突变的兴起,人们对非诱变剂如TPA促癌作用的研究兴趣大大减少,目前还没有有效一致的用于筛选具有非诱变促癌活性的环境因子的方法,也没有达成对它们与化学物质(如TPA)促进肿瘤的经典观点相关的机制的共识。但是,很多研究中已经显示出了非诱变因子促癌机制的重要性。


英国癌症研究基金会资助的项目“Cancer Grand  Challenges Mutographs”(https://www.mutographs.org/)对来自五大洲的大于5000名癌症患者进行全基因组测序,其中之一的目的在于进一步分析人类癌症中环境暴露、体细胞突变和非突变促进过程之间的关系。一项结果显示,在肿瘤高发风险区域和低发风险区域之间缺乏明显的突变差异,由此提示生活方式的因素或非突变促瘤剂的重要作用,这些因素在肿瘤DNA上没有留下基因组印记。几十年来,美国国家毒理学项目在啮齿类动物身上进行了试验,以检测数百种被国际癌症研究机构(IARC)列为已知或疑似人类致癌物的环境化学品的体内致癌性。然而只有一小部分在真正意义上诱发了高突变负荷或特定突变特征,大多数被测试的化学物质的突变负荷非常低,而且没有新的突变模式可以表明直接的诱变活性。因此,这些制剂可能主要通过促进携带自发突变的细胞的机制而发挥作用,而不是通过大量增加突变负荷。


总之,通过尽量减少环境促进剂的影响来有效预防癌症需要更好的方法来检测它们以及阐明它们的作用机制。目前有几种新技术可以大大提高检测具有促进活性的试剂以及作为直接诱变剂的试剂的可能性。然而,作者认为,考虑到它们的多样性,所有可以作为肿瘤促进因子的化学试剂和其他因素似乎都不太可能通过相同的机制发挥作用,尽管它们最终可能汇聚在一个与保守的伤口愈合反应相关的共同途径上。对非基因毒性促进剂的作用机制的深入了解,将能成为癌症预防研究的“圣杯”——不同的促进因子可以通过一个共同的途径造成组织损伤,从而激活潜伏在正常组织中的潜在的突变细胞。



原文链接

https://doi.org/10.1038/s41588-020-00727-5


制版人:琪酱



参考文献



1. Odegard, V.H. & Schatz, D. G. Targeting of somatic hypermutation. Nat. Rev. Immunol.6, 573–583 (2006).

2.Martincorena, I. et al. Somatic mutant clones colonize the human esophagus withage. Science 362, 911–917 (2018).

3. Nik-Zainal,S. & Hall, B. A. Cellular survival over genomic perfection. Science 366,802–803 (2019).

4. Zhu, M. etal. Somatic mutations increase hepatic clonal fitness and regeneration inchronic liver disease. Cell 177, 608–621.e12 (2019).