重现胶质瘤的分子生物史

[导读] 近期，美国杰克逊实验室的Barthel博士和来自新西兰的两位学者提出了胶质瘤从启动状态到最终引起临床表现的五阶段分子生物史演进模型。该模型从分子方面阐述了胶质瘤在这五个阶段中的各自特征，可能对我们理解胶质瘤在发展过程中的分子变化有所帮助。

本文转载自“快乐神经病理”；作者：王代忠；原文链接

该分子生物史模型的五个阶段依次为：

第1阶段： 启动生长期 即在瘤前细胞中最先发生的体细胞分子事件（非胚系分子事件），直接或间接创造了有利于增殖的环境，使瘤前细胞获得竞争性生长的能力。

IDH突变型弥漫性胶质瘤启动分子事件为IDH1/2突变。IDH突变通过致癌代谢物2HG引起基因组广泛的超甲基化，随机或选择性的表观激活癌基因。

IDH野生型弥漫性胶质瘤启动分子事件为10号染色体缺失/7号染色体增添（10号染色体含有一些抑癌基因，如TET1，PTEN等；7号染色体含有与胶质瘤有关的多个癌基因，包括CDK6，MET，EGFR等）和PI3K通路（PIK3CA及PIK3R1突变，PTEN失活），RTK通路（EGFR 及 PDGFRA点突变），MAPK通路（NF1）异常。此外，H3突变型弥漫性胶质瘤的启动分子事件为H3 K27M（H3F3A/HIST1H3B）或H3 G34R/V突变，均为DNA低甲基化表型。

非弥漫性胶质瘤 如毛细胞型星形细胞瘤等，启动分子事件为KIAA1549–BRAF基因融合或BRAF V600E基因突变等MAPK通路异常激活BRAF的激酶结构域。

第2阶段： 癌基因诱导性衰老期  胶质瘤启动时出现的癌基因信号激活抑癌信号，通过p16INK4a/p14ARF–RB–p53或细胞应激通路减慢肿瘤的生长，使大部分瘤细胞转变为生长停滞（衰老）状态。衰老虽然为大部分肿瘤的继续生长设置了障碍，但同时也为一些肿瘤细胞提供了竞争压力，从而获得突破衰老状态的分子事件。衰老的标志有持久的生长停滞、端粒缩短并功能异常、DNA损伤显著提高和应激信号激活。抑癌蛋白p16INK4a，p14ARF，RB和p53被认为是衰老的把关者。p16INK4a和p14ARF由CDKN2A和CDKN2B通过可变剪切联合编码；RB和p53则分别由RB1基因和TP53基因编码。这些抑癌基因通过基因缺失和/或失活突变抑制衰老信号。在本文中，作者将能够抑制衰老的分子改变称为衰老旁路。

IDH突变型弥漫性星形细胞瘤该阶段发生的分子事件为TP53突变，表现为TP53的一个等位基因缺失，另一个等位基因保留但失去功能。野生型p53（蛋白）激活触发衰老，而突变型p53则不能有效的抑制增殖，从而激活衰老旁路。

IDH突变型并1p/19q联合缺失少突胶质细胞瘤 该阶段发生的分子事件为1号染色体的短臂和19号染色体的长臂共同的完全缺失。此处，作者以 “真正的”少突星形细胞瘤为例阐述其观点：神经胶质细胞首先获得IDH突变而引发胶质瘤，随后部分肿瘤细胞发生1p/19q联合缺失和TERT启动子区突变，而部分肿瘤细胞发生TP53和/或ATRX突变，出现“双表型”的IDH突变型少突星形细胞瘤，故IDH突变的发生时间更早。位于1p31.1的FUBP1和位于19q13.2的CIC失活突变可见于60%的1p/19q联合缺失的胶质瘤。该类型胶质瘤可以激活衰老旁路，但激活机制现尚不清楚。

IDH野生型弥漫性胶质瘤分子事件为CDKN2A和CDKN2B纯合缺失（抑癌蛋白p16INK4a/p14ARF表达被抑制），其结果为衰老旁路的激活。IDH野生型弥漫性胶质瘤可能会同时发生TP53突变，如大约一半的H3突变型胶质瘤（H3 K27M突变型弥漫型中线胶质瘤和发生于小儿大脑半球的H3 G34R/V突变型胶质瘤）有TP53突变，能够激活衰老旁路。但是，目前尚不清楚余下的一半H3 突变型胶质瘤如何激活衰老旁路。

非弥漫性胶质瘤 一系列的证据提示毛细胞型星形细胞瘤的进展会止步于癌基因诱导性衰老期。但是，BRAF的激活能够转变为CDKN2A/B的缺失，使得非弥漫性胶质瘤获得进入应激生长期的能力。

第3阶段：应激生长期  肿瘤细胞绕过癌基因诱导性衰老屏障，获得再次增殖能力的阶段。其特点为应激环境下的DNA损伤反应信号缺陷（基因组不稳定性开始明显增加）和肿瘤持续生长。在这一阶段，染色体末端的DNA重复序列将起到重要作用。正常情况下，端粒DNA的“t-loop”套索结构与端粒DNA结合蛋白复合体共同参与保护染色体末端DNA序列。当这种保护功能失效时，会触发断裂-融合-桥循环（breakage–fusion–bridge cycles, BFB循环），产生基因组的不稳定性；此外，还可能出现双微体、染色体碎裂等情况。应激生长阶段的基因组不稳定性将会引发DNA损伤诱导增殖性衰老或细胞危机（坏死）。

第4阶段：增殖衰老期  持续的应激生长并不能持久，随后，肿瘤细胞或因端粒功能异常而经历第二轮的衰老，即进入增殖衰老期；或发生功能紊乱的衰老反应（如TP53或RB1基因突变失活）引起细胞危机，导致坏死。肿瘤细胞端粒酶或端粒延长替代机制（alternative lengthening of telomeres，ALT）（激活端粒酶和发生ALT是维持端粒长度的两个主要途径）一旦激活，将会建立端粒长度维持状态。端粒功能的恢复使细胞避免继续发生新一轮的BFB循环，恢复基因组的稳定性。

IDH突变型弥漫型星形细胞瘤该类型胶质瘤几乎都存在着ALT。虽然目前尚不清楚ALT是如何被激活的，但现已发现ALT与ATRX或DAXX基因失活有着密切的联系。

IDH突变型并1p/19q联合缺失少突胶质细胞瘤 该类型胶质瘤发生启动子区突变激活TERT，通过端粒酶维持端粒长度。TERT启动子区的突变热点为C228 > T 或C250 > T。此外，需要指出的是，一系列证据提示TERT启动子区突变可能发生在启动生长阶段，甚至可能在肿瘤发生之前就已存在，只是在后期才起到维持端粒长度的作用。

IDH野生型弥漫性胶质瘤大部分该类型胶质瘤通过端粒酶维持端粒长度，多为TERT启动子区突变；此外，5%的IDH野生型弥漫性胶质瘤存在ATRX缺失突变。

H3突变型胶质瘤 主要为ALT途径。30%-60%的K27和75%-100%的G34伴有ATRX突变。

第5阶段：永生化生长期  肿瘤干细胞理论认为某个肿瘤中几乎所有瘤细胞都来自于肿瘤内一些具有再生能力的干细胞/祖细胞，这些干细胞/祖细胞就像骨髓造血维持循环系统白细胞正常水平一样，不断产生肿瘤细胞从而维持肿瘤的生长。然而，肿瘤干细胞理论与肿瘤克隆演化理论存在着冲突。克隆演化理论认为单细胞起源的肿瘤细胞在其发展过程中不断的发生遗传变异，产生异质性，演变为多克隆性。本文认为这两种模型是联系在一起的。克隆演化对肿瘤干细胞的产生起着至关重要的作用，而肿瘤干细胞群一旦建立，将遵循中性进化论模型（该学说认为分子水平上的大多数突变是中性或近中性的，自然选择对它们不起作用，这些突变全是随机的被保存或趋于消失，从而形成分子水平上的进化性变化或种内变异）。作者推测，处于永生化阶段的肿瘤干细胞可能会再次分化，使最后两个阶段出现反复，而从第1阶段至第4阶段则是单向的。

在图1中，作者用模式图描述了数个重要参数在胶质瘤五阶段分子生物学演进史中的变化趋势。

图1a示，瘤细胞的分裂活动/增殖在每个生长期末达到顶峰，随后在每个衰老期末回落到谷底。

图1b示，肿瘤的大小在生长期呈指数增长，在衰老期则呈对数增长。

图1c示，端粒的长度变化与肿瘤大小呈反向模式。胶质瘤基因组的不稳定性在应激生长期和增殖衰老期显著增大。ALT或端粒酶被激活时，端粒长度得以维持，肿瘤细胞获得永生化能力，当端粒长度难以维持时将引起细胞坏死。

图1d中，作者通过细胞倍增图阐述其五阶段分子生物学演化史的胶质瘤生长模式。如图所示，启动生长期中，胶质瘤启动的分子事件使癌基因激活，瘤前细胞获得异常增殖的能力（红色点）；但是，持续的癌基因暴露激活抑癌基因，阻碍肿瘤的生长，并在绝大部分肿瘤细胞中触发持久的细胞周期阻滞（棕色点），进入癌基因诱导的衰老期；然而，一些瘤细胞可能会通过衰老旁路绕过癌基因诱导的衰老期继续分裂活动，进入应激生长期（蓝色点），同时基因组不稳定性会显著提高；在恶劣的分子变化环境（基因组不稳定性）中生长的肿瘤细胞可能会触发又一次的持久性生长阻滞，使肿瘤进入复制性衰老期（绿色点），甚至出现坏死引起细胞危机；最后，极个别肿瘤细胞可能获得干细胞的能力（无限生长），进入最后一个时期-永生生长阶段（黄色点）。

图1e胶质瘤启动事件有IDH1/2（IDH突变型弥漫性胶质瘤），+7/-10（IDH野生型弥漫性星形细胞瘤），H3F3A（H3 K27M突变型弥漫性中线胶质瘤），BRAF（毛细胞型星形细胞瘤）；与衰老旁路有关的蛋白/分子改变：p16INK4a/p14ARF（IDH野生型弥漫性星形细胞瘤），p53（IDH突变型弥漫性星形细胞瘤，H3突变型胶质瘤等），pRb，1p/19q；基因组不稳定性形成方式：BFB循环，多倍体，双微体，染色体碎裂，kataegis突变（在基因组一个小范围的区域，短时间内会发生大量的基因突变）；永生化途径（端粒长度维持）：ALT（IDH突变型弥漫性星形细胞瘤），端粒酶（TERT启动子区突变的少突或原发性胶质母细胞瘤）。

图2 正常情况下的p16INK4a/p14ARF–RB–p53通路。衰老可以通过不同通路激活，意味着一条衰老通路受阻时还存在着替代补偿通路。例如，当CDKN2A/B失活在第二阶段使肿瘤诱导性衰老通路（p16INK4a-CDKs-RB-衰老）被抑制时，DNA损伤和端粒缩短仍可通过ATM/ATR于第四阶段触发增殖性衰老。

图3 a与端粒应激有关的基因组不稳定。a断裂-融合-桥循环（breakage–fusion–bridge cycles, BFB循环）：端粒功能异常时，被暴露的双链或单链DNA末端触发DNA损伤应答。未被端粒保护的姐妹染色单体末端相互融合，形成双着丝粒染色体。在细胞分裂后期，处于着丝粒间“中间节段”的染色体在两极间拉长而形成“桥状”结构。最后，双着丝粒染色体桥在融合区不太重要的位点断裂，形成遗传信息不同姐妹染色单体。因为形成的姐妹染色单体同样没有端粒的保护，会引发再一次的BFB循环，直至端粒得到修复。

图3b BFB循环中产生的非同源末端连接染色体具有边界回文序列，当其断裂后，断裂处和染色体末端连接可形成没有着丝粒和端粒的双微体（double minute chromosomes，DM）。DM在胶质瘤中经常见到，常含有与肿瘤有关的癌基因，如MYC，MDM2，CDK4等。

图3c 染色体碎裂后可发生基因重排、双微体形成及片段丢失等。

图4a 示胶质瘤五阶段分子生物学史将克隆演化模型与肿瘤干细胞模型结合了起来。作者认为，表面上，他们所提出的五阶段分子生物学史演化模型似乎更符合克隆演化理论，实际上，他们的模型解释了肿瘤干细胞是如何形成的。

图4b示第四阶段 衰老细胞能够代谢性激活或释放影响肿瘤微环境的信号分子（senescence-associated secretory phenotype，SASP），阻止促炎因子（ILs，CXCLs，CCLs）的释放。作者认为第四阶段的衰老细胞可能对肿瘤免疫微环境的建立至关重要。

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