揭开白血病的遗传学秘密

陈轶翔/编译

彼得·诺维尔 (左)和大卫·亨格福德发现了费城染色体（ph染色体）

●能够快速进行DNA（脱氧核糖核酸）测序的技术深刻地揭示了，无论是白血病患者自身，还是各个白血病患者之间，都存在着遗传基因的多样性。

1959年，美国费城追狐癌症治疗中心的大卫·亨格福德（David Hungerford）和美国宾夕法尼亚大学医学院的彼得·诺维尔（Peter Nowell），在显微镜下观察取自两位慢性粒细胞白血病(CML)患者的血细胞，发现其存在着惊人的异常状况：这些血细胞中的22号染色体有很大一部分缺失。

这是人们首次关注白血病与遗传基因的关系，实际上这是第一个被发现的与癌症相关的遗传基因异常。现证实，95%的慢性粒细胞白血病(CML)患者的血细胞中均存在粗短的费城染色体（因首先在美国费城发现而得名）。

当部分9号染色体和22号染色体发生易位时，就形成了费城染色体。该易位使得BCR和ABL两种基因汇聚融合，形成一个异常的实体，被称为一个融合基因，使细胞变为恶性的。

尽管这种融合基因很早就已被识别，然而单基因变化如何就会导致白血病，人们对这一问题的了解进度缓慢。“很久以前，我们就已经了解这些染色体的变化，但除此之外，我们知之甚少。”伦敦癌症研究所从事儿童白血病研究的梅尔·格里夫斯（Mel Greaves）说。

但在过去10年左右的时间里，上述状况开始有所改观，快速DNA测序技术，向我们传达了大量的关于各种类白血病基因变异方面的信息。这些基因的鉴别，有助于研发新的治疗白血病和其他癌症的方法。

研究表明，慢性粒细胞白血病与单个基因变异之间的直接关系，是一种异常现象。大多数类型的白血病都是由一组基因变异而引起的，无论是白血病患者自身，还是各个白血病患者之间，基因变异都存在着很大的差异。总的来说，有数百个基因，包括几十个融合基因，牵涉到不同种类的白血病。但个体病例只是涉及到少数可能的基因变异。

这与实体瘤形成了鲜明对比，例如，乳腺癌或结肠癌，在个体病例中，通常会有几十个基因变异。实体瘤病例也显示出，基因组不稳定性是普遍存在的，有DNA的复制、缺失或是大量的互换，而这些在白血病的病例中则是罕见的。

每个肿瘤的基因变异数量相对较小，或许可以解释，为什么某些类型的白血病很容易就能治愈。比如，大约95%的被诊断为慢性粒细胞性白血病的患者，由于服用专门对抗BCR-ABL融合蛋白的药物，5年后仍然活着。

基因的变异

根据引发白血病的血细胞前体的类型，白血病可以分为淋巴细胞白血病和粒细胞白血病两种。根据发病的急缓，上述两种白血病又有急性、慢性之分。每一类型的疾病，所牵涉到的基因列表都是不同的，但是彼此之间存在大量的重叠部分。

9号染色体（正中）的一部分与22号染色体的易位，产生了费城染色体

例如，慢性粒细胞性白血病中的费城染色体所具有的特征，也同样存在于5%的患有急性淋巴细胞白血病（即ALL，最为常见的儿童期癌症）的儿童病例中。大约有25%的急性淋巴细胞白血病患儿，都存在着不同的染色体易位，从而导致了ETV6和RUNX1两种基因的融合。RUNX1的变异在急性髓系白血病例(AML)中也很常见，该病患者主要为老年人，发病速度很快。

为了找出导致疾病的基因变异，研究人员努力寻找那些经常出现的、或是存在于很多患者病例中的基因变异。蒂莫西·莱伊（Timothy Ley）是来自密苏里州圣路易斯市华盛顿大学的一位癌症遗传学家，他所领导的研究团队进行了一项迄今为止规模最大的白血病基因测序研究，分析了取自于200例急性髓系白血病患者的细胞。 莱伊和他的同事们对其中150例患者的细胞的外显子组（即基因组的蛋白质编码部分）进行了解码测序，同时对其余50例患者的全部基因组进行完整测序。

他们发现了非常有价值的信息。在被研究的急性髓系白血病例中，99.5%的患者至少有一种基因类别（共9种）发生了变异，包括肿瘤抑制基因，神经信号基因和那些调节控制髓细胞发展的基因，而正是髓细胞的发展会导致癌症的出现。莱伊透露说，“几乎对于每一位病人，我们都已经能够确定其发生变异的基因组，或是其变异的途径。”

值得注意的是，他们发现，3/4的急性髓系白血病患者，其牵涉到表现遗传学的基因都发生了变异，表现遗传学是指在不改变基因序列的前提下对DNA进行化学修饰，影响DNA的作用功能。

位于纽约，纪念斯隆-凯特琳癌症中心的肿瘤学家罗尔思·莱文（Ross Levine）认为，表现遗传学的化学修饰作用在白血病治疗中的重要性，已经成为摆脱测序研究的、最令人惊异的深刻见解之一。他说，“那些基因在3年或5年前，没有人会特别关注的；但是现在它们会经常性地反复出现。”

白血病患者体内另一类常见的变异基因，涉及到各种类型血细胞的发育与分化。根据引发急性淋巴细胞白血病的血细胞前体类型的不同（B或T是两种主要的淋巴细胞），出现变异的基因亦有所不同。B细胞路径出现在急性淋巴细胞白血病儿童病例中的比率为85%到90%，出现在成年人病例中的比率为75%。通常牵涉到基因的变异，例如PAX5或IKZF1，这两种基因控制着B细胞的发育。另一方面，由T细胞的变异所引发的病例，一般牵涉到以神经信号为途径的基因，被称作是Notch，在T细胞发育中起到重要的作用。

白血病的复发

在4种主要类型的白血病中，发生变异的基因构成最为分散的是慢性淋巴细胞白血病。测序研究表明，慢性淋巴细胞白血病可能牵涉到大量的基因，每一种变异基因出现在病例中的比率都很小。例如，以Notch为途径的基因变异，被称作是NOTCH1，在慢性淋巴细胞白血病例中出现的比率为12%，POT1的基因变异出现的比率为3.5%（POT1的基因变异在急性淋巴细胞白血病例中出现的比率为9%）。

POT1基因在端粒与DNA绑定，而端粒位于染色体的末端，作用是保护染色体不被损害。很久以来一直认为端粒和癌症是有关联的，但据《自然遗传学》杂志于2013年3月的报道，此项发现是首个实例，展示了一种受到端粒保护的蛋白质，与癌症是有牵涉的。

将白血病中可能出现变异的基因进行汇集罗列，这仅仅是了解其基因特征的开始。即使在一个肿瘤内部，都存在巨大的可变性，细胞亚群往往带有不同的变异集合。

“每一位患者体内，都会发现癌症的这种进化树，”梅尔·格里夫斯说,“仅仅罗列出发生变异的基因是不够的，因为它们处于进化树的不同分支上，彼此隔离。”

能够证明上述观点的一个证据就是，研究发现，白血病在被治愈之后有可能复发，从基因遗传角度来看，复发的白血病与被治愈前的白血病是不同的。格里夫斯和他的同事利用荧光探针分析5位急性淋巴细胞白血病患者所出现的基因变异，来研究复发的白血病。当他们分析复发白血病病例时发现，最初样本中的某些肿瘤变异已经被其他变异所替代。蒂莫西·莱伊的研究团队利用完整基因组测序，对8位急性髓系白血病患者的诊断和复发进行了白血病细胞的DNA对比，发现急性髓系白血病的复发也有上述类似情况出现。

变异基因的这种不稳定性对于白血病的治疗意义重大。针对某一组变异基因的药物可以消除部分白血病细胞，但随后其他细胞亚群就会扩展并取代被消除的白血病细胞的位置。“我认为，这就可以解释为什么很多靶向治疗最终会失败。”蒂莫西·莱伊说。

格里夫斯认为，这个过程就好比是在修剪灌木：削去一个大的分支只会刺激其他分支的生长。“我们面临的挑战就是要除去全部有害的生长，并使它永远不再复发，”他说，“所以我们需要从根基上去切除它。”

从临床角度说，这就意味着，治疗需要针对的并不是诊断时发现的大量繁殖的肿瘤细胞，而是要针对最初发生基因变异的细胞，因为那些变异将会出现在整个肿瘤中。而科学家们必须解决的问题就是，如何确定这些最初的基因变异。

遗传基因变异性也是基于这样一个事实——就像任何一种癌症一样，白血病也包括两个基因组：一个是宿主基因组，代表遗传的基因组；另一个是肿瘤基因组，包含癌变过程中所出现的变异基因。而大多数关于白血病的基因研究，都是主要关注肿瘤基因组。

小儿白血病中的肿瘤基因组很早就已发生变异，甚至可能在出生之前。胎儿发育期间，淋巴细胞前体在肝脏内迅速扩张，其中之一可能会产生易位或是发生变异，使其开始变成恶性肿瘤。例如，与急性淋巴细胞白血病相关的ETV6和RUNX1的易位，被发现存在于新生儿的血液中。

出生之后，血液干细胞的分裂速度要慢很多，平均大约一个月一次，因此一个细胞大概需要数十年的时间才能获得必要的变异组合使其转化为恶性。这就能够解释，为什么其他类型的白血病，例如急性髓系白血病，主要患病群体为老年人。“这种病确实有随机性，且主要针对老年群体。”蒂莫西·莱伊说。

遗传性风险

尽管基因变异对于引发白血病的重要性不言而喻，一些研究人员还是比较倾向于关注遗传性风险。“我们花费了大量时间研究肿瘤基因组中的变异，但对于宿主基因组我们还没有足够的关注。”美国田纳西州孟菲斯市，圣裘德儿童研究医院的一位药剂学家杨军说。

杨军正在尝试着恢复一种平衡。据发布于2013年3月的报道，杨军的研究团队进行了一项迄今为止规模最大的关于遗传性风险基因的研究，他们对2 450名急性淋巴细胞白血病患儿童进行了基因组扫描，同时进行10 977项对照实验。

他们所识别确定的4个风险基因中的3个——IKZF1、CEBPE和CDKN2A/2B，其对白血病和血细胞发育的影响是已知的。而他们确定的第4个基因ARID5B，在白血病肿瘤基因组研究中从未被识别确定，有初步证据显示该基因可能牵涉到淋巴细胞的分化。

研究中所确定的，与急性淋巴细胞白血病相关的基因变异是普遍存在的：20%以上的人是上述某些变异基因的携带者，其中大多数人并没有患上白血病。然而，如果存在哪怕仅仅一个高风险的变异体，那么染上急性淋巴细胞白血病的风险就会增加一倍；如果携带6个或以上的变异体，就会使患病风险增加9倍。

还有另一种方法来研究宿主基因组的影响作用，即研究那些几个家族成员患上同一类型白血病的情况。这种家族是比较罕见的：例如，家族性急性髓系白血病仅占该类白血病全部病例的1%。然而，美国西雅图市华盛顿大学的遗传学家马歇尔·霍维茨（Marshall Horwitz）认为，若能解决家族性白血病的遗传基因问题，就可以有力地证明一个既定基因在癌症发展过程中的重要性。霍维茨和同事曾研究过名为GATA2的基因变异与家族性急性髓系白血病之间的关系。另有其他研究人员已经确定家族性急性髓系白血病与RUNX1和CEBPA基因变异的关系。

GATA2、RUNX1和CEBPA这三种基因，总共占据了家族性急性髓系白血病的一半。其他类型家族性白血病的基因秘密也开始逐步被揭开：霍维茨透露自己与合作者现有尚未公开发布的数据，可以确定首个牵涉到家族性急性淋巴细胞白血病的基因。

多种变异

然而要想了解白血病的遗传基因，单单确定可能发生哪些个体变异是不够的。我们还需要了解，多种变异是如何共同作用而引发癌症的。这一过程可以在小鼠实验中得到一步步的探究。

英国辛克斯顿，维康信托基金会桑格研究所血液学和癌症遗传学家乔治·瓦西里欧（George Vassiliou）和同事们通过实验使小鼠的NPM1基因产生缺陷，该基因在35%的急性髓系白血病患者中均发生了变异。上述NPM1基因产生缺陷的实验小鼠有1/3后来都患上了急性髓系白血病。但当瓦西里欧的研究团队使小鼠的血细胞前体诱发了额外的基因变异时，“你会发现这大大加快了小鼠患上白血病的进程。”瓦西里欧透露说。

如果使变异小鼠与携带FLT3基因复制的小鼠进行杂交繁殖，也会出现同样的情况。这两种基因的改变在急性髓系白血病例中是最为常见的。“两种孤立存在的基因变异能产生的影响是非常有限的，不会引起突然的大变化，”瓦西里欧说，“但如果你设法将这两者放在一起，作用就截然不同了，小鼠会很快就患上白血病。”

研究人员观察到，人类白血病例中有着同时存在的基因变异的模式。例如，基因ETV6与RUNX1的易位，基因PAX5的缺失，两者一般同时存在于急性淋巴细胞白血病例的B细胞中。由于这些模式会影响到患者的预后和对特殊治疗的响应，研究人员开始以基因档案，而不仅仅是细胞外观为基础对白血病进行分类。“10年前，我们只是将儿童白血病分为5或6种亚型，而10年后，现今已经有了11或12种亚型，其中每一种都有一组不同的基因变化。”美国田纳西州孟菲斯市圣裘德儿童研究医院，研究儿童白血病基因组的查尔斯·马利根 （Charles Mullighan）说。

相比之下，其他变异似乎是相互排斥的。例如，急性髓系白血病中的RUNX1基因通常会发生变异；但是如果急性髓系白血病例中出现了一种名为16倒位的易位，那么RUNX1基因就绝对不会发生变异了。这是因为，16倒位会导致出现一种名为CBFB-MYH1的融合基因，该基因迫使RUNX1在细胞转化为恶性方面发挥作用，美国马里兰州贝塞斯达国家人类基因研究所分子生物学家刘浦波（于1993年首次对该融合基因进行了描述）如是说。刘浦波正在尝试利用该项研究发现，针对这种急性髓系白血病亚型，研发一种新疗法。他已经发现了一种化合物，将其作用在实验小鼠身上，可以扰乱融合蛋白和RUNX1基因之间的交互作用，从而延缓白血病的引发。他希望能够很快开始进行该药物的人体试验。

罗尔思·莱文（Ross Levine）的实验室正在调查研究与不良预后相关的基因变异群，他也认为，弄清白血病变异基因的结合方式是很有发展前景的。“希望我们不是在研究一种基因，而是在研究一种基因型，”他说，“这可以使我们更好的了解白血病的模式，也可以更深入的了解引发白血病的整个过程。”