科學家系統性研究——揭示家族性腺瘤性息肉病的發病機制

　　結直腸癌在全球范圍內是發病率第三、致死人數第四的惡性腫瘤（Beattie et al., 2005）（Carey, 2017； Church, 2016）。結直腸腺瘤是結直腸癌的癌前病變，根據組織學形態可以分為低級別腺瘤和高級別腺瘤，從低級別腺瘤到腺癌的序列發生需要10年以上時間。因此，深入解析低級別腺瘤向腺癌轉化的分子機制對于結直腸癌的預防、早篩和治療都有重要意義。家族性腺瘤性息肉病（Familial adenomatous polyposis, FAP）約占全部結直腸癌的1%，FAP的遺傳與APC抑癌基因密切相關，APC基因的胚系突變啟動了大腸癌沿正常粘膜—低級別腺瘤—高級別腺瘤—癌的多階段多步驟發生模式, 如不及時腸鏡下切除息肉或者手術切除相應腸管，息肉癌變率可高達90%以上。FAP患者體內存在大量的起始于同一APC基因突變的處于不同演進階段的結直腸腫瘤性病變，即同一個體體內同時存在正常上皮、不同級別腺瘤、早期癌、進展期癌等不同病變。同時，這些腫瘤性病變具有相同的遺傳背景，面臨相同的致癌因素和選擇壓力（Bodmer et al., 1987； Groden et al., 1991； Kinzler et al., 1991； Nagase and Nakamura, 1993； Rengifo-Cam et al., 2016）。這為研究結直腸腺瘤的癌變過程提供了非常好的研究材料。

　　北京大學湯富酬課題組與北醫三院付衛課題組聯合在國際知名學術期刊Gut（影響因子17）發表題目為“Genomic and transcriptomic profiling of carcinogenesis in patients with familial adenomatous polyposis”的研究論文。該研究從6例典型的FAP患者和1例非典型的FAP患者（MUTYH相關FAP）手術樣品中共獲取了56 份樣本，包括6份外周血、12份癌旁組織、23 份低級別腺瘤組織、5份高級別腺瘤組織以及10份腺癌組織。并通過全基因組淺測序和全外顯子組深測序，深入研究了來自于同一個FAP患者的多個病變組織之間的譜系發生關系以及良性腺瘤向惡性腺癌轉變過程中的基因組變異情況。同時，為了研究腺瘤發生及腺瘤向腺癌惡變過程中的轉錄組動態變化，該研究對來自6例典型的FAP患者、1例非典型的FAP患者以及2 例對照散發結直腸癌患者的8,757 個細胞進行了高精度的單細胞轉錄組測序。并以這些單細胞轉錄組數據為基礎，重構了腺瘤發生以及腺瘤向腺癌惡化的轉錄組動態變化過程，系統的闡述了該過程中重要的基因表達變化事件（圖1）。

圖1.取樣流程圖

　　該研究的主要發現有：

　　在單個病人的水平上探究了正常上皮向腺瘤以及腺癌發生過程中的基因組變異情況。該研究通過比較來自于同一個患者的不同病變階段的腺瘤和腺癌組織，發現即使是低級別腺瘤，其體細胞突變的數目相對于癌旁組織已經明顯升高。特別是，良性的高級別腺瘤的體細胞突變數目甚至可以比惡性腺癌的體細胞突變數目還高。出現頻率最高的潛在體細胞致病突變是抑癌基因APC基因的二次失活突變（同一個細胞中另外一個野生型APC等位基因的失活突變）（69%），此外，不同患者在其他潛在的致病基因的突變譜上表現出了強烈的個體間異質性。

圖2. FAP患者中潛在致病基因的突變譜

　　FAP患者中存在區域癌變現象。該研究通過體細胞突變情況對來自于同一個患者的不同病變組織構建了譜系發生樹。在其中2例患者中（FAP1和FAP2），發現物理位置較近的多個原位腺瘤和腺癌起源于同一個病變始祖細胞，這證明了在FAP患者中存在之前在散發結直腸癌研究報道的區域癌變現象（圖3）(Baba et al., 2016； Curtius et al., 2017； Slaughter et al., 1953)，也就是病變始祖細胞分裂增殖的后代細胞遷移到腸上皮組織的不同部位并進一步進展到腺瘤和腺癌階段，產生物理上分隔開（但是有共同譜系來源）的不同腫瘤塊。闡明FAP患者中存在區域癌變現象對于進一步理解結直腸多發腺瘤的發生機制和臨床治療具有重要的指導意義。

圖3. （A）用體細胞突變構建來自于FAP1患者的各個組織的系統發生樹（B）FAP1患者的區域癌變模型示意圖

　　FAP患者的所有癌旁上皮細胞相對于非FAP患者的癌旁上皮細胞在基因表達上已經表現出了顯著的癌變傾向。該研究通過對來自于6例FAP患者癌旁組織和2例對照非FAP患者癌旁組織進行了單細胞轉錄組分析，發現FAP患者的癌旁上皮細胞雖然在基因組中還沒有積累關鍵致病基因的突變和拷貝數變異，但是由于抑癌基因APC基因兩個拷貝中的一個拷貝已經突變失活，進而導致FAP患者所有腸上皮細胞中WNT信號通路活性的輕微上升，從而在整個轉錄組水平上發生異常，特別是細胞增殖相關和代謝功能相關基因的表達顯著增強，最終導致FAP患者結直腸隱窩中的上皮細胞的分裂增殖速度明顯加快，為進一步致癌突變的產生和積累創造了條件。這很可能是FAP患者在年輕的時候就會在結直腸上產生數百甚至上千個不同腺瘤的分子原因之一。

圖4. （A）FAP 患者癌旁組織與非FAP患者癌旁組織的差異表達基因（B）對在FAP 患者癌旁組織中高表達的基因做GO分析

　　探究了腺瘤發生以及腺瘤向腺癌轉變過程中轉錄組的動態變化。該研究利用來自FAP患者癌旁組織、低級別腺瘤、高級別腺瘤、以及腺癌的上皮細胞之間的系統比較揭示了腺瘤發生和惡化的基因表達變化的關鍵特征。發現那些隨腫瘤發展呈現動態變化的基因按照其變化趨勢可分為4類。其中第一類基因隨著腺瘤發生迅速下調表達而在腺瘤向腺癌轉變的后期又被部分上調表達。GO分析結果顯示這類基因強富集三羧酸循環和丙酮酸代謝途徑基因。早在1924年糖代謝途徑的重編程就被發現是癌細胞區別于正常上皮細胞的重要特征之一（Weinberg, 2014）。而該研究結果指出，三羧酸循環相關的代謝基因在良性腺瘤發生的早期就開始強烈下調表達，這些基因反而在從良性腺瘤到惡性腺癌的轉變過程中有所回升，但是仍然低于癌旁組織中正常上皮細胞中的水平。這說明三羧酸循環代謝水平的降低是腫瘤發生過程中的最早期事件之一，可能是治療FAP患者的較好的治療靶點通路。

圖5. （A）將隨擬時間動態變化的基因按照其動態變化趨勢聚類（B）對第一類基因做GO分析

　　綜上所述，本文以家族性腺瘤性息肉病為模型，在單個患者的水平上深入探究了結直腸癌發生發展過程中的關鍵分子變化特征，特別是正常上皮向良性腺瘤轉化，以及良性腺瘤向惡性腺癌的轉化過程中重要的基因組變異事件和轉錄組的變化特征，為研究結直腸癌發生的早期事件提供了新的線索和思路。

　　北京大學生物醫學前沿創新中心（BIOPIC）李靜云博士、汪睿博士以及北京大學第三醫院周鑫博士、博士生王文東為該論文的并列第一作者，北京大學生命科學院、北京未來基因診斷高精尖創新中心湯富酬教授和北京大學第三醫院付衛教授為該論文的共同通訊作者。該課題得到了北京大學生命科學儀器中心（成像平臺）和北京大學高精尖中心高通量測序平臺的協助與支持。

　　參考文獻：

　　Baba, Y., Ishimoto, T., Kurashige, J., Iwatsuki, M., Sakamoto, Y., Yoshida, N., Watanabe, M., and Baba, H. (2016). Epigenetic field cancerization in gastrointestinal cancers. Cancer Lett. 375, 360–366.

　　Beattie, J., Crozier, A., and Duthie, G. (2005). Potential Health Benefits of Berries. Curr. Nutr. Food Sci. 1, 71–86.

　　Bodmer, W.F., BaiJey, C.J., Bodmer, J., Bussey, H.J.R., Ellis, A., Gormanll, P., LucibelIo, F.C., Murday, V.A., Rider, S.H., Scambler, P., et al. (1987). Localization of the gene for familial adenomatous polyposis on chromosome 5. Nature 328, 614–616.

　　Carey, F. (2017). Pathology of colorectal neoplasia. Surg. (United Kingdom) 35, 126–131.

　　Church, J. (2016). Molecular genetics of colorectal cancer. Semin. Colon Rectal Surg. 27, 172–175.

　　Curtius, K., Wright, N.A., and Graham, T.A. (2017). An evolutionary perspective on field cancerization. Nat. Rev. Cancer 18, 19–32.

　　Groden, J., Thliveris, A., Samowitz, W., Carlson, M., Gelbert, L., Albertsen, H., Joslyn, G., Stevens, J., Spirio, L., Robertson, M., et al. (1991). Identification and characterization of the familial adenomatous polyposis coli gene. Cell 66, 589–600.

　　Kinzler, K.W., Nilbert, M.C., Su, L.K., Vogelstein, B., Bryan, T.M., Levy, D.B., Smith, K.J., Preisinger, A.C., Hedge, P., McKechnie, D., et al. (1991). Identification of FAP locus genes from chromosome 5q21. Science (80-. ). 253, 661–665.

　　Nagase, H., and Nakamura, Y. (1993). Mutations of the APC adenomatous polyposis coli) gene. Hum. Mutat. 2, 425–434.

　　Rengifo-Cam, W., Jasperson, K.W., Burt, R.W., and Jewel Samadder, N. (2016). Familial adenomatous polyposis. Intest. Polyposis Syndr. Diagnosis Manag. 101, 173–195.

　　Slaughter, D.P., Southwick, H.W., and Smejkal, W. (1953). “Field cancerization” in oral stratified squamous epithelium. Clinical implications of multicentric origin. Cancer 6, 963–968.

　　Weinberg, R.A. (2014). The biology of cancer second edition (New York: Garland Science, Taylor & Francis Group, LLC).