費城染色體和基因融合的發(fā)現(xiàn)
撰文 | 谷之（醫(yī)學(xué)博士，美國知名基因?qū)嶒炇翌I(lǐng)頭人）
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如果你喜歡看電影，你一定知道最近有一部中國國產(chǎn)電影曾引起不小的觀影熱潮，這部電影就是《我不是藥神》。這部電影源自2015年一位慢性粒細(xì)胞性白血病患者為他人代購印度仿制藥的真實案件。如果你看過這部電影，或許會記得電影里提到的那個被仿制的抗癌藥“格列寧”，它影射了現(xiàn)實中的一種名藥——格列衛(wèi)（Gleevec）。
格列衛(wèi)的化學(xué)名稱是伊馬替尼（imatinib），主要用于治療費城染色體陽性（Ph+）的慢性粒細(xì)胞白血病（Chronic myelogenous leukemia，CML）。那么，我們今天要講的主要內(nèi)容就是費城染色體（Philadelphia chromosome）和造成費城染色體的原因——基因融合。
發(fā)現(xiàn)染色體的故事
說到染色體，大家一定不會陌生，人體細(xì)胞內(nèi)有23對染色體。那么什么是費城染色體呢？費城不是美國的一個地名嗎？一個地名怎么會和染色體連在一起呢？ 在說費城染色體之前，我們先來講幾個有關(guān)染色體的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
1879年,德國生物學(xué)家瓦瑟爾·弗萊明（Walther Flemming，1843—1905年）經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，用苯胺染料可以將細(xì)胞核內(nèi)的一種物質(zhì)染成深色，他稱其為染色質(zhì)。1888年，這種存在于細(xì)胞核內(nèi)的易著色的物質(zhì)被正式被命名為染色體。染色體的發(fā)現(xiàn)揭開了科學(xué)家在生命探索中的新的篇章。
德國科學(xué)家倫琴（Wilhelm R?ntgen）于1895年發(fā)現(xiàn)X射線后，X射線對人體組織的損害很快就為人所知。許多研究X射線的學(xué)者或截肢或罹患癌癥，甚至發(fā)明大王愛迪生本人以及他的助手都深受其害。
1895年，當(dāng)時年僅21歲的美國芝加哥醫(yī)學(xué)生埃米爾·格拉比（Emil Grubbe）聰明地想到：既然X射線可以損害正常的人體組織，那么X射線也應(yīng)該可以殺死癌細(xì)胞。于是他嘗試用X射線治療乳腺癌，埃米爾·格拉比成為放射治療癌癥的先驅(qū)者。
然而，放射線治療癌癥的機(jī)理一直不清楚，直到染色體被正式命名50年后的1938年，美國的卡爾·薩克斯（Karl Sax，1892—1973年）教授通過X線照射細(xì)胞，觀察到細(xì)胞中的染色體損傷、易位的現(xiàn)象。X線照射導(dǎo)致細(xì)胞中染色體的損傷不僅解釋了放射治療癌癥的作用機(jī)制，更為重要的是，染色體發(fā)生易位的現(xiàn)象為后來費城染色體的發(fā)現(xiàn)提供了重要的實驗依據(jù)。
缺失的一小段染色體
在1960年，工作于美國費城的賓州大學(xué)病理系的教授彼得·C.諾埃爾（Peter C. Nowell，1928—）和他的學(xué)生、工作于費城福克斯蔡斯腫瘤研究中心（Fox Chase Cancer Center）的大衛(wèi)·亨格福德（David Hungerford，1927—1993年）發(fā)現(xiàn)了一個非常有趣的現(xiàn)象，即慢性粒細(xì)胞白血病患者的第22號染色體比正常人的要短一小段。
他們敏銳地意識到這也許就是慢性粒細(xì)胞白血病發(fā)作的原因。后來的實驗證明這些慢性粒細(xì)胞白血病腫瘤細(xì)胞確實是從發(fā)生染色體變異的單個細(xì)胞生長而來。世人為之震驚。這一短小的染色體也就以兩位研究者所在地費城命名，即費城染色體。然而，在其后的12年中，一個問題一直困擾著科學(xué)家：為何費城染色體會短小？那缺失的一小段染色體去了哪里？染色體缺失的意義何在？
1973年，芝加哥大學(xué)的珍妮特·戴維森·羅利（Janet Davison Rowley，1925—2013年）用優(yōu)化的染色法研究慢性粒細(xì)胞白血病患者的染色體時發(fā)現(xiàn)，原來費城染色體所缺失的那一小段，從22號染色體的長臂易位到了9號染色體上。這一發(fā)現(xiàn)首次在人類癌癥細(xì)胞上證明了染色體易位的發(fā)生。這一重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)被人們戲稱為“費城掉了的東西在芝加哥找到了”。
在進(jìn)一步的研究中，珍妮特還發(fā)現(xiàn)，染色體易位在白血病中是普遍存在的，如在急性粒細(xì)胞白血病中存在8號和21號染色體的易位，在早幼粒細(xì)胞白血病中存在15號和17號染色體易位。于是珍妮特提出，每種染色體易位都會導(dǎo)致相應(yīng)的疾病發(fā)生，這是對傳統(tǒng)“腫瘤是由病毒引發(fā)”的觀念的挑戰(zhàn)。通過對不同腫瘤的染色體進(jìn)行研究，到1990年，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了70多種染色體易位。
染色體易位造成的基因融合
現(xiàn)在我們知道，原來費城染色體的形成是染色體發(fā)生了易位的緣故，那么為什么染色體發(fā)生了易位會導(dǎo)致腫瘤呢？
1985年，科學(xué)家通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，費城染色體形成時，原來9號和22號染色體斷裂點上，各含有一個基因，分別是9號染色體上的ABL基因和22號染色體上的BCR基因。費城染色體易位形成后，打斷了這兩個原有的基因，同時又組合成了新的BCR-ABL“融合基因”，BCR-ABL“融合基因”的發(fā)現(xiàn)，也引出了我們要探討的第二個重要問題——基因融合?；蛉诤显谀[瘤研究中具有非常重要的科學(xué)意義，因為針對基因融合所開發(fā)的治療癌癥的藥物，轉(zhuǎn)變了原有的癌癥治療方式，為癌癥患者提供了更為精準(zhǔn)的、靶點的、個體化的治療方案。
那么，什么是基因融合呢？基因融合是指兩個基因的全部或一部分序列相互融合為一個新的基因的過程，其原因有可能是染色體易位、中間缺失或染色體倒置，通常具有致瘤性。
讓我們再回過頭來看費城染色體中的BCR-ABL融合基因。我們知道，基因是一段DNA序列，可以轉(zhuǎn)錄成mRNA，細(xì)胞根據(jù)mRNA上攜帶的編碼信息翻譯合成具有功能的蛋白質(zhì)。融合基因與普通的基因具有一樣的功能，BCR-ABL融合基因能編碼一種分子量是210kD的蛋白質(zhì)（P210），這種蛋白質(zhì)有增強(qiáng)的酪氨酸激酶活性，如果酪氨酸激酶一直處于“活躍”狀態(tài)，能引起細(xì)胞的不受抑制的生長，并抑制了細(xì)胞凋亡的發(fā)生，造成細(xì)胞生長失控，最終導(dǎo)致慢性粒細(xì)胞白血病的發(fā)生。
費城染色體易位導(dǎo)致酪氨酸激酶活性增強(qiáng)，繼而引發(fā)慢性粒細(xì)胞白血病，這一機(jī)制是在1985年被發(fā)現(xiàn)的。隨后，瑞士汽巴嘉基（Ciba-Geigy）制藥公司的研究員尼古拉斯·B.萊登（Nicholas B. Lydon）與俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)（Oregon Health & Science）的布萊恩·J.德魯克爾（Brian J. Druke）等人合作研發(fā)抗腫瘤藥物。他們通過高通量篩選技術(shù)，找到了2-苯胺基嘧啶（2-phenylaminopyrimidine）。它可以與BCR-ABL蛋白上的活性位置結(jié)合，抑制其活性。研究者通過對2-苯胺基嘧啶進(jìn)行甲基和苯甲酰胺等修飾以增加其藥性，最終得到了伊馬替尼。
2001年，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)了伊馬替尼作為治療慢性粒細(xì)胞白血病的一線用藥，其商品名就是格列衛(wèi)。格列衛(wèi)自上市之日起，一直位于暢銷藥物之列，它將慢性粒細(xì)胞白血病的治愈率從不到50%增加到90%。格列衛(wèi)成為第一個針對BCR-ABL靶點的靶向藥，用于治療融合基因所引起的癌癥，這也開創(chuàng)了靶向治療癌癥的先河。
基于融合基因的廣譜靶向治療
NTRK基因融合是指編碼TRK蛋白的NTRK基因異常地與其他基因融合，從而產(chǎn)生促進(jìn)腫瘤生長的生長信號。雖然NTRK基因融合很罕見，但在不同類型的癌癥中都有存在。
近兩年針對NTRK的靶向治療可謂有了突破性的進(jìn)展。比如，Entrectinib突破性療法被批準(zhǔn)用于治療NTRK陽性的局部晚期或轉(zhuǎn)移性實體瘤的幼兒神經(jīng)母細(xì)胞瘤、非小細(xì)胞肺癌和轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌。Entrectinib（RXDX-101）是一種口服的ATP競爭性酪氨酸激酶抑制劑，該藥物在體外和體內(nèi)實驗中對TRKA/B/C、ROS1和ALK融合等靶點均顯示出了非常好的活性，具有廣譜治療效應(yīng)。
2018年5月，美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)對另一個針對NTRK基因融合的藥物L(fēng)arotrectinib進(jìn)行優(yōu)先審查。僅僅6個月后，就在2018年11月27日，美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)了由拜耳和Loxo腫瘤公司聯(lián)合開發(fā)的、首個針對NTRK基因融合的TRK抑制劑Larotrectinib（商品名為Vitrakvi?）。
Larotrectinib是針對NTRK這一致癌驅(qū)動基因量身定制的，且與腫瘤類型無關(guān)的治療藥物。 NTRK融合腫瘤的診斷可通過特定的檢測方法，包括新一代測序技術(shù)（NGS）和熒光原位雜交對NTRK基因融合進(jìn)行鑒定。
Larotrectinib已經(jīng)在多種存在NTRK基因融合的獨特的腫瘤類型中顯示了臨床效果，包括肺癌、甲狀腺癌、黑色素瘤、胃腸道間質(zhì)瘤、結(jié)腸癌、軟組織肉瘤、涎腺腫瘤和嬰兒纖維肉瘤。Entrectinib和Larotrectinib，這兩個新的靶向藥物開啟了廣譜靶向融合基因治療的時代，為癌癥患者的治療帶來了新的希望。然而，隨著靶向藥物的增多和檢測靶點的增加，多重基因檢測的需求也逐漸產(chǎn)生，基因序列檢測和個體化治療已經(jīng)成為腫瘤治療的公認(rèn)趨向。
盡管基因融合一直被認(rèn)為是腫瘤細(xì)胞獨有的特征，但最近的研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有正常器官和組織細(xì)胞中都存在融合基因，而且融合基因具有極其重要的生理功能。因此，針對腫瘤的融合基因檢測更為重要。在未來的腫瘤治療中，精準(zhǔn)的腫瘤基因檢測將是指導(dǎo)臨床用藥的重要手段。只有找到腫瘤基因，才能精準(zhǔn)選擇靶向藥物對患者進(jìn)行治療，才可能成為真正的“藥神”。
制版編輯 | 皮皮魚
