Nat Rev癌症。作者手稿;2018年2月22日PMC提供。
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组织特异性肿瘤发生——背景因素
,1,2 ,2,三 ,1,2和1,2,*
Günter Schneider公司
1以色列慕尼黑理工大学医学二部,Klinikum rechts der Isar。德国慕尼黑2281675
2德国癌症研究中心(DKFZ)和德国癌症协会(DKTK),德国海德堡Im Neuenheimer Feld 280,69120
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罗兰·拉德
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迪特尔·索尔
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前言
我们如何更有效地治疗癌症?传统上,来自同一解剖部位的肿瘤被视为一个肿瘤实体。这一概念受到了癌症基因组学和转化研究的突破性进展的挑战,这些突破性进展使分子肿瘤分析成为可能。不同肿瘤类型之间共享的癌症驱动因素的识别和验证,促使新范式通过非标签药物使用或所谓的“篮子或伞形试验”,以跨解剖部位的驱动路径为目标,其目的是测试一个肿瘤实体中的分子改变是否可以外推到所有其他实体。然而,最近的临床和临床前研究表明,肿瘤发生和致癌信号通路的组织存在组织和细胞类型特异性差异。在这篇《意见》文章中,我们重点讨论了器官特异性肿瘤发生的分子、细胞、系统和环境决定因素以及上下文特异性致癌信号输出的机制。对这些差异的调查、认识和深入的生物学理解对于设计下一代临床试验和未来实施分子导向癌症治疗至关重要。
介绍
在过去的三十年里,分子肿瘤分析和功能研究已导致关键基因和通路的识别和验证,这些基因和通路在特定肿瘤类型中失调或突变。与此同时,不断增加的合理靶向药物工具箱已经开发出来,可以高效地阻止一些癌症驱动因素。在生物标记物指导的早期临床试验中,几种靶向药物显示出无与伦比的活性,并成为治疗具有匹配分子肿瘤特征患者的金标准1成功靶向癌症驱动因素的例子包括乳腺癌中ERBB2过度表达,布拉夫黑色素瘤突变,ABL1公司慢性粒细胞白血病(CML)的重排,配套元件胃肠道间质瘤(GIST)和间变性淋巴瘤激酶的突变(ALK公司)表皮生长因子受体的重排(表皮生长因子受体)非小细胞肺癌的突变2–9它们清楚地证明了生物标记物驱动的精确医学的可行性和威力。
传统上,癌症护理的治疗决策是由特定组织的多学科肿瘤委员会做出的,在该委员会中,不同学科的专家,如医学肿瘤学、放射肿瘤学和病理学,与各自癌症实体的专家一起审查和讨论患者的医疗条件和治疗选择,例如腹部外科肿瘤学、胃肠病学、妇科或泌尿学。建议基于组织学、实际治疗方案和循证医学,其中充分支持的第3阶段随机对照试验(RCT)提供了关于治疗疗效和安全性的可靠数据。在过去的十年中,大规模基因组分析技术迅速发展,能够对不同肿瘤实体的癌症基因组进行综合分析1这表明,最初在单个肿瘤实体中发现的类似癌症驱动基因突变也存在于其他解剖部位的肿瘤中。例如,致癌布拉夫突变发生在100%的毛细胞白血病、50%的黑色素瘤、50%的甲状腺乳头状癌、10%的脑瘤、10%的结直肠癌(CRCs)中,在其他多种癌症中频率较低10,11.
由于癌症驱动因素在不同的肿瘤类型之间是共享的,因此有人提出,基于起源组织或器官的传统癌症分类应该被基于不同组织类型的肿瘤共享的分子改变的分子表型的新分类所取代12–14。它们可能代表常见的可针对性漏洞,而与来源的细胞或组织无关。这导致了一种想法,即在一种肿瘤类型的疗效得到初步证明后,推断并推广靶向药物在解剖上不同的癌症类型中的使用。因此,肿瘤学家越来越多地使用非标签的分子靶向药物,患者被纳入所谓的“篮子或伞形试验”,该试验招募了解剖上不同的癌症类型的患者,这些癌症类型具有被认为对特定药物有反应的特定分子改变15–20“伞形试验”的一个突出例子是最近启动的国家癌症研究所-治疗选择分子分析(NCI-MATCH)研究,该研究将检查多达5000名患者的肿瘤活检标本,以确定潜在的药物靶点。该试验将为此类新型临床试验设计的可行性和有效性提供重要见解21,22此类试验是向前迈出的重要一步,有助于确定对分子靶向治疗有反应的患者亚群,发现相关的反应生物标记物,并阐明初级治疗耐药的机制19,23此外,这些试验将产生指导未来基础和转化癌症研究所需的丰富资源,以生成数据驱动的人类癌症模型,并从机理上研究同时发生和相互排斥的基因改变的生物学意义19,23.
然而,最近的篮子试验提供了证据,证明对分子改变特异性抗癌药物的反应通常取决于解剖癌症类型;此外,不同肿瘤实体的靶向治疗的非标签使用可能并不优于标准治疗12,14,17,18例如,针对相同致癌物的药物布拉夫V600E型突变在黑色素瘤、非小细胞肺癌和毛细胞白血病中表现出前所未有的疗效,但在布拉夫V600E型突变CRC7,12,24因此,驱动程序突变在不同肿瘤实体中表现相似的假设通常可能无效。与此相一致,有令人信服的实验证据表明,致癌驱动因素和致癌信号通路的组织具有组织特异性,因此是治疗反应和耐药性的重要决定因素。
在这篇观点文章中,我们总结了组织特异性肿瘤发展的分子、细胞和系统决定因素。我们表明,致癌驱动因子的信号输出在不同组织类型之间可能存在显著差异,并提供了一些精选的示例,描述了环境因素如何形成癌症基因的组织特异性信号。我们讨论了组织背景对分子靶向治疗设计的影响,并主张以多维方式研究癌症生物学和靶向的重要性。我们认为,治疗应考虑到各个方面,包括器官类型、环境背景和遗传混杂因素,如共生突变。由于我们对组织特异性致癌信号的理解仍处于初级阶段,因此我们强调需要在组织背景下研究每种潜在致癌因素的生物学特性。这有可能为临床试验设计提供信息和指导,将正确的患者纳入正确的“篮子”。将分子肿瘤特征与组织类型相结合将提高治疗效果,并为分子精确治疗铺平道路。
组织特异性肿瘤发生
不同的细胞和组织类型在对致癌驱动因子突变的反应上表现出巨大差异25,26这种差异在遗传性癌症易感综合征中最为明显,例如由大肠腺瘤性息肉病引起的家族性腺瘤性多肉病(FAP)(空气污染指数)生殖系突变27,28受影响的人一生中几乎有100%的风险发展为CRC,而其他类型的肿瘤很少见。其他种系突变也存在类似的关联,例如影响巴西航空公司1和巴西航空公司2(导致遗传性乳腺癌和卵巢癌综合征),钙粘蛋白1(CDH1型)(也称为E-cadherin,可导致遗传性弥漫性胃癌综合征),RB1型(视网膜母细胞瘤),von Hippel-Lindau肿瘤抑制剂(VHL,导致von Hippel–Lindau综合征和透明细胞肾细胞癌(ccRCC)倾向),以及配套元件(导致胃肠道间质瘤倾向)27–29(). 这些众所周知的例子表明,组织对特定致癌事件的敏感性差异很大,肿瘤形成的障碍具有高度的组织特异性。然而,其他基因改变,例如TP53型导致Li Fraumeni综合征的种系突变与更广泛的癌症类型有关,因此被认为是一种普遍的癌症基因改变。
遗传性癌症易感综合征和组织特异性肿瘤发生。遗传性癌症易感综合征的基因缺陷,如大肠腺瘤性息肉病的改变(空气污染指数),钙粘蛋白1(CDH1型)、BRCA1、,von Hippel-Lindau肿瘤抑制剂(VHL(甚高频))和共济失调毛细血管扩张症突变(自动取款机)与发展组织特异性癌症类型的高风险相关,而其他如DNA错配修复(MMR)基因(MLH1型,MSH2型,MSH6号机组,PMS1系列,PMS2型)或TP53型与来自许多不同起源组织的癌症有关。对于每种综合征,相关的癌症实体的风险至少增加了4倍。结直肠癌;胃癌;BC,乳腺癌;卵巢癌;嗜铬细胞瘤(肾上腺肿瘤);透明细胞肾细胞癌;LY,淋巴恶性肿瘤;LE,白血病;EC,子宫内膜癌;STS,软组织肉瘤;骨肉瘤;肾上腺皮质癌;GB,胶质母细胞瘤。
与此相一致的是,多种散发性肿瘤根据其起源地显示出不同癌症基因的优势,而TP53型突变存在于许多不同的癌症类型中(). 例如,VHL(甚高频)在散发性ccRCC中失活,而在其他肿瘤实体中很少突变30。其他示例包括BCR-ABL公司CML易位,空气污染指数CRC突变或RB1型小细胞肺癌的抑癌基因31–33这些组织特异性遗传事件的例子提出了关于潜在分子和细胞机制的问题,这些机制允许或防止癌症在不同的解剖位置发展。
癌症体细胞突变目录(COSMIC)中常见癌症的体细胞突变频率(单核苷酸、小插入或缺失(indels))。图中显示了在不同描述的常见肿瘤类型中发生的前9个突变。肿瘤实体之间共享的突变用彩色方框表示。突变数据来自Welcome Trust Sanger Institute的COSMIC版本77(网址:http://cancer.sanger.ac.uk/cosmic). 请注意:图中只描述了体细胞突变(单核苷酸或indels)的频率,而没有描述更大的缺失、扩增或重排;PDAC,胰腺导管腺癌;T-ALL,T细胞急性淋巴细胞白血病。空气污染指数大肠腺瘤性息肉病、ARID1A,富AT-交互式域1A,自动取款机,共济失调毛细血管扩张症突变;自动标签阅读器共济失调毛细血管扩张症与Rad3相关;BAP1号机组,BRCA1-相关蛋白1;CDH1型,钙粘蛋白1;CDKN2A型,细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂2A;CREBBP公司、CREB结合蛋白;CTNNB1公司,编码β-catenin;DMN2型,dynamin 2;表皮生长因子受体表皮生长因子受体;ESR1系列雌激素受体1;EZH2型zeste同源物2的增强子;工厂验收试验非典型钙粘蛋白;FBXW7型,F-box和WD重复域包含7;GATA3协议GATA结合蛋白3;全球导航卫星系统,编码G蛋白,GαS公司;GRIN2A公司,谷氨酸受体离子性,NMDA 2A;JAK3(JAK3)Janus激酶3;KDM5C系列,赖氨酸特异性脱甲基酶5C;KMT2、,组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶2;NCOR1号机组核受体辅阻遏物1;我的88髓系分化初级反应88;NF1型神经纤维瘤病1型;PBRM1项目,多溴1;设置D2,SET域包含2;六年级,PHD指蛋白6;SMARCA4系统,SWI/SNF相关,基质相关,肌动蛋白依赖性染色质调节因子,亚家族A,成员4;SOCS1系列,细胞因子信号转导抑制因子1;单点定位,斑点型POZ蛋白;STK11型,丝氨酸-苏氨酸激酶11;TERT(地形)端粒酶逆转录酶;TNFAIP3公司肿瘤坏死因子α(TNFα)诱导蛋白3;TSC2系统结节性硬化2例;TRRAP公司,转化/转录域相关蛋白;VHL(甚高频)von Hippel-Lindau肿瘤抑制物;工作任务1,Wilms肿瘤1。
组织特异性癌症发生的最明显原因可能是肿瘤驱动因子的表达仅限于肿瘤发生的组织。然而,大多数癌症基因在多种组织中表达,并不局限于癌症起源的组织26,34这表明其他因素的存在和组合作用,例如癌症驱动因素的组织特异性致癌功能、起源细胞的特征(例如应激反应、信号通路的连通性、信号输出和补偿机制)以及预先存在或获得的遗传和表观遗传变化25此外,细胞外因素,如细胞间信号,镶嵌不同细胞类型在各自的肿瘤微观和宏观环境中的合作和竞争,以及进一步的环境因素可能有助于个体癌症驱动因素的组织特异性。下面讨论了在特定组织类型的肿瘤进化过程中决定选择哪些癌症基因的潜在分子和细胞机制的示例。
起源细胞、细胞可塑性和转分化
起源细胞及其分化状态是其易受癌基因致癌转化的重要决定因素35,36(). 一些癌症驱动因素对干细胞和祖细胞的自我更新、维持和谱系承诺具有环境特异性影响(). 例如,空气污染指数是WNT信号通路的关键调节器,对肠干细胞稳态至关重要37小鼠WNT信号的消融导致肠上皮细胞完全丧失38而肠干细胞中的组成性WNT激活Apc公司缺失导致干细胞驱动的肠道肿瘤发生39相反,Apc公司失活不能转化分化的肠上皮细胞39.
基于起源细胞及其分化状态的上下文特异性致癌作用和死后异质性模型。在具有相同肿瘤类型的个体之间以及不同组织和细胞类型的肿瘤之间观察到遗传和表型差异。肿瘤的表型取决于所有模型中的特定致癌病变(由暴风雪指示)以及起源细胞(例如,由弯曲箭头指示的自我更新组织干细胞)。(一)干细胞室中的肿瘤发生。只有干细胞易受特定致癌事件的影响,例如大肠腺瘤性息肉病的消失(空气污染指数)结肠直肠癌中的肿瘤抑制因子。(b条)相同的突变或病变在特定组织类型的不同来源细胞中诱导非常不同的肿瘤表型,例如PIK3CA公司乳腺癌的突变。(c(c))谱系层次中的不同细胞群体,从干细胞到完全分化细胞,如果获得了正确的特异性突变集,就可以作为癌症起源的细胞,如T细胞急性淋巴细胞白血病(T-ALL)所示。(d日)细胞可塑性和转分化是某些肿瘤类型(如胰腺导管腺癌(PDAC))肿瘤发展的驱动因素。这里,特定的致癌病变诱导腺泡细胞转分化为导管样表型,并导致肿瘤发生,这取决于致癌病变的持续表达。(e(电子))只有特定组织类型的分化细胞,而不是大多数其他组织类型的分化细胞,才容易被癌症驱动因子转化,如von Hippel–Lindau肿瘤抑制因子(VHL(甚高频))近端肾小管上皮细胞中引起透明细胞肾细胞癌(ccRCC)的基因突变。((f))其他组织类型的细胞需要特定分子改变的正确组合才能作为肿瘤的起源细胞,例如TP53型和BRCA公司起源于输卵管远端的浆液性卵巢癌的突变。(克)同一驱动病变诱导不同的肿瘤类型,具有不同的分子和表型特征,这取决于癌基因表达的组织,例如致癌的布拉夫黑色素瘤、甲状腺乳头状癌和非小细胞肺癌的突变。
其他癌症驱动因素在不同的细胞类型中产生不同的表型(). 这个PIK3CA公司例如,基因(编码PI3K催化亚单位-α)是人类乳腺癌中最常见的突变基因之一,与不同的乳腺癌分子亚型有关。根据癌基因最初在小鼠乳腺内表达的来源细胞匹克3ca突变导致了具有不同形态、生长模式、侵袭性和侵袭性的不同肿瘤类型40,41。多种分化细胞类型也会导致喀斯特G12D系列-诱导的非小细胞肺癌和起源细胞影响非小细胞肝癌谱及其组织病理学表型42,43.
癌症驱动因素在不同细胞类型或不同分化阶段具有不同功能的概念在淋巴分化谱系中无偏见的前向遗传转座子突变筛选中得到了令人印象深刻的验证36(). 尽管转座子动员在所有病例中都能诱导T细胞急性淋巴细胞白血病(T-ALL),但不同细胞类型中激活或失活的基因存在显著差异36这些数据支持这样的观点,即一个特定的起源细胞可能需要一组独特的不同突变才能作为肿瘤亚型的起源细胞44.
细胞可塑性在不同解剖部位(如胰腺和皮肤)组织特异性肿瘤的发展中起着关键作用35,45–48(). 胰腺导管腺癌(PDAC)发展的第一步是腺泡至导管化生(ADM),其特征是转分化腺泡细胞被致癌KRAS重新编程为导管样表型35,46,47胚胎信号通路的重新激活,如Hedgehog和Notch,有助于细胞可塑性和肿瘤发生47在基底细胞癌中,成年小鼠表皮中一个组成性活性平滑突变体的诱导表达将分化的表皮细胞重新编程为胚胎毛囊祖细胞样细胞并诱导癌症形成45相反,相同的平滑突变体不能诱导ADM或胰腺肿瘤的发生49(). 这些例子支持两个重要结论。首先,不同的致癌驱动因素对于诱导特定解剖部位的细胞重编程和肿瘤发展是必要的。第二,重编程只发生在特定的容许细胞环境中,这解释了某些致癌基因和肿瘤抑制因子的组织取向性。
肿瘤抑制屏障
肿瘤抑制屏障是组织和环境特异性的,依赖于各种相互作用的信号分子50–52这些信号网络被证明在肿瘤发生过程中发挥重要作用,因为它们在应对致癌应激时触发肿瘤抑制屏障。例如,PTEN是PI3K通路的负调控因子,也是多种癌症(如前列腺癌)中缺失的肿瘤抑制因子53相反,消融铂族在小鼠中,由于AKT和肿瘤抑制因子p53的激活,抑制了B-ALL前发育54在正常B细胞发育过程中,未成熟B细胞通过其B细胞受体(BCR)结合自身抗原(自身抗原),导致自身反应性BCR信号传递和消除(负选择)55在B前ALL细胞中,PTEN的缺失导致强烈的PI3K/AKT信号,模拟自身反应性B细胞的阴性选择,并通过AKT介导的p53细胞周期检查点的激活诱导肿瘤细胞死亡54这种情况在更成熟的B细胞淋巴瘤中消失,因为强烈的BCR信号导致成熟B细胞的增殖而不是消除56.
组织特异性效应也被描述为经典致癌基因,如突变的RAS家族成员。致癌KRAS诱导的癌症发展仅发生在特定的小鼠组织中,如肺和胰腺,而大多数其他组织类型抵抗致癌转化57–60重要的是,这些发现也反映在各自的人类癌症类型中(). 从机制上讲,KRAS诱导了不同的肿瘤抑制途径,这有助于其上下文特异性致癌效力。例如,致癌KRAS触发肿瘤抑制性p19农业研究基金广泛存在于间充质组织,如肌肉组织中,但不存在于肺上皮细胞中60因此,KRAS诱导p19农业研究基金表达抑制小鼠肌肉源性肉瘤的形成60.根据这一点,具体删除第19页(与一起编码第16页墨水4a细胞周期素依赖性激酶抑制剂2a(Cdkn2a型)基因)诱导KRAS诱导的肿瘤谱向肉瘤转移60从机制上讲,细胞类型特异的表观遗传基因调控Cdkn2a型基因产物p19的位点及其上下文特异性表达农业研究基金和第16页INK4A(墨水)是这种组织特异性细胞反应的关键决定因素。多梳组蛋白抑制p19农业研究基金在肺部表达,而SWI/SNF染色质重塑复合物成员SNF5为KRAS诱导的p19创造了一个宽松的环境农业研究基金间充质组织中的表达60这支持了这样的观点,即不同的肿瘤抑制屏障或信号阈值在不同的组织类型中起作用,即使存在相同的初始致癌损伤。
染色质组织、复制时机和调控因素
下一代癌症基因组测序和功能分析表明,由于染色质组织、DNA可及性、复制时间和转录起始方面的上下文特异性差异,不同细胞类型基因组的体细胞突变率差异很大61–66这些效应导致了不同肿瘤类型之间在数量和质量上的不同突变负担。例如,核苷酸切除修复(NER)活性在活性转录因子结合位点(TFBS)受损。这导致不同肿瘤(如黑色素瘤和肺癌)的活性基因启动子区域中上下文特异性DNA突变率增加,这些肿瘤分别依赖NER来修复紫外线或烟雾诱导的DNA损伤64,65相反,不严重依赖NER的癌症,如CRC,在TFBS突变中没有表现出这种富集65在结肠成体干细胞(CRC的起源细胞)中,上下文特异性突变特征对应于甲基化胞嘧啶(C)残基在CpG位点自发脱氨为胸腺嘧啶(T),这与复制时间密切相关,可能反映结肠干细胞的高分裂率67。因为CRC驱动基因中的许多点突变,例如空气污染指数,CTNNB1公司(编码β-连环蛋白),TP53和SMAD家族成员4(座椅模块组件4)类似于CpG二核苷酸的C:G到T:A跃迁67脱氨酶诱导的C到T突变可能是该肿瘤实体中相关组织特异性癌症驱动因素和点突变负荷的决定因素。因此,起源细胞的染色质和表观基因组特征是癌症细胞局部体细胞突变密度的最佳预测因子,并且可以根据突变在基因组上的分布来确定癌症起源细胞62.
利用小鼠遗传学发现了不同RAS家族蛋白中细胞型特异性突变的分子基础。KRAS公司,人力资源管理系统和美国国家科学院不同肿瘤类型的突变频率不同()68.KRAS公司是非小细胞肺癌的特征性突变,而人力资源管理系统突变在皮肤癌中很常见68.使用优雅的敲入策略从内源性表达野生型HRAS喀斯特小鼠的基因座,结果表明赫拉(Hras)非小细胞肺癌仅在赫拉(Hras)敲除等位基因表达于喀斯特基因座,但从不来自内源性赫拉(Hras)轨迹69这些数据表明喀斯特非小细胞肺癌突变,以及赫拉(Hras)皮肤癌的突变涉及组织特异性基因调控元件,而不是编码蛋白功能的差异。
超级增强器是组织特异性肿瘤发生的另一个可能决定因素。它们是控制基因转录的调控元件簇,与细胞特性有关70–72超增强子由细胞型特异性主转录因子结合和控制,例如WNT、转化生长因子-β(TGFβ)和白血病抑制因子(LIF)信号通路的转录效应器,它们因此是细胞状态和细胞型特异生物学的关键驱动因素73癌细胞可以通过突变、局部扩增、染色体易位或控制增强子活性的致癌转录因子或表观遗传调控因子的过度表达,获得致癌驱动因子的超增强子71,72,74这些过程具有高度组织和环境特异性,产生肿瘤类型特异性超增强因子,从而推动癌症的发展和进展75例如,在T-ALL中,一个为造血转录因子MYB创建结合位点的小的单等位基因插入使T细胞急性淋巴细胞白血病1上游新的上下文特异性致癌超增强子的形成成核(TAL1(目标1))癌基因,从而驱动其异常表达76此外,LIM域第一内含子中超增强因子元件的多态性只有1(LMO1型)基因通过直接调节LMO1表达,特异性影响神经母细胞瘤易感性和对LMO1的致癌成瘾77。尽管LMO1在其他非神经母细胞瘤肿瘤类型(如T-ALL)的癌细胞中表达,但这种超增强剂在这些肿瘤细胞中并不存在。这些例子表明,超增强剂的细胞类型特异性在癌症中广泛存在,并显著促进了肿瘤的特异性形成。
通往癌症的基因之路
基因组测序研究已经确定了不同类别的复杂基因组重排,这些重排似乎源自灾难性事件,例如染色体碎裂,色素合成、和染色体丛78–81因此,基因组可以通过单个事件而不是通过连续的多步骤致癌来获得多重复杂畸变。这种灾难性事件的发生频率在不同的肿瘤实体之间差异很大,从头颈癌的0%到多发性骨髓瘤的1.3%,再到食道腺癌的32%和胶质母细胞瘤的38%82,83一些肿瘤亚型,如具有突变的声波刺猬驱动的髓母细胞瘤TP53,始终显示显色菌83染色体畸变可由多种机制触发,如高能电离辐射、外源因子和/或毒素产生的双链断裂或复制应激、凋亡中止或微核内染色体被捕获导致DNA复制缺陷83,84染色体的这种复杂重排会导致肿瘤抑制因子的破坏、基因融合和癌基因的扩增85可以合理地假设,癌症遗传途径的差异对肿瘤驱动途径以及治疗反应和治疗耐药性的发展具有上下文特定的影响83,86的确,黑色素瘤、神经母细胞瘤和多发性骨髓瘤中的显色菌与预后不良有关83然而,显色菌是否真的是一个导致肿瘤发生的灾难性单一事件,并且与致癌的多步骤过程有着本质上的不同,仍有待实验证明。另一个例子表明,不同的癌症途径可能具有重要的治疗意义,这就是微卫星不稳定(MSI)超突变癌症。它们与错配修复(MMR)基因缺陷的CRC亚型(见下文)显著相关,并且可能对免疫治疗策略特别敏感87.
DNA损伤与致癌应激的修复和耐受
DNA修复途径与不同的癌症类型显著相关88例如,CRC具有最高数量的DNA MMR基因缺陷26,88MMR似乎是防止肠干细胞DNA复制过程中突变积累的重要机制,而CRC是由快速分裂的干细胞产生的。相比之下,乳腺癌和肺癌的双链断裂修复(DSBR)基因改变比例最高26,88雌激素和烟草烟雾在一定条件下可以诱导DNA DSB,分别选择乳腺癌和肺癌中DSBR基因缺陷的积累26.
雌激素等激素在维持细胞特性方面起着重要作用,还可以促进表达同源受体的组织的增殖89雌激素暴露是乳腺癌发生的重要危险因素;雌激素受体在大约70%的乳腺癌中过度表达,阻断雌激素受体α(ERα)活性可大大降低乳腺癌风险89因此雌激素显然是ERα+乳腺癌发展的驱动因素。从机制上讲,雌激素诱导的DNA DSB可以由DNA拓扑异构酶IIβ(TOP2β)介导,该酶与ERα一起被招募到靶基因的调控位点90,91此外,雌激素转化为遗传毒性代谢物是雌激素诱导DSB的另一种ERα非依赖机制92.
最近的研究表明,雌激素在耐受癌症基因(如巴西航空公司1乳腺上皮细胞和乳腺癌细胞存活巴西航空公司1雌激素诱导的途径保护它们免受活性氧(ROS)诱导的细胞死亡所导致的损失93相反,其他对雌激素无反应的组织类型不能耐受巴西航空公司1缺乏。考虑到巴西航空公司1突变几乎只会促进激素反应组织(如乳腺和卵巢)中的肿瘤形成27,28雌激素与巴西航空公司1-细胞缺陷为研究细胞的组织向性提供了重要的机制性见解巴西航空公司1-缺乏癌症。
背景中的致癌信号
除了上述癌症基因的组织特异性致癌功能外,致癌信号通路的上下文特异性组织增加了另一层复杂性,这一点尚不清楚,但具有重要的治疗意义。在下面的段落中,我们将讨论一些示例,这些示例描述了在组织环境中形成致癌信号通路的分子和细胞机制。
致癌途径的上下文特定组织
细胞反应和细胞命运决定受有限数量的信号转导途径控制。这些途径不仅传输,而且编码、处理和整合外部和内部信号94因此,它们微调信号传播水平和输出强度,对外部刺激作出特定和适当的响应95最近,很明显,细胞内存在不同的信号阈值,从而导致不同的、有时甚至相反的细胞反应52,95,96靶向不同癌症驱动途径的药物的疗效在不同的癌症实体之间存在显著差异7,12,24基因工程小鼠模型的实验证据表明,这是由于组织特异性信号输出(). 例如,在PDAC和NSCLC小鼠模型中,致癌KRAS参与不同的下游通路;通过3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(PDK1)的信号传导对PDAC的发育至关重要,而CRAF对NSCLC的形成至关重要59,97,98.
特定环境致癌信号网络的决定因素。癌症中RAS–RAF–MEK–ERK–和PI3K–3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(PDK1)–AKT–MTOR调节信号网络的示意图概述。受体酪氨酸激酶(RTK)和RAS、RAF或PI3K癌蛋白通过这两种途径以上下文特定的方式发出信号,从而驱动癌症的发生、发展和维持。作为上下文特异性致癌信号机制的示例,重点介绍了BRAF驱动的结直肠癌(CRC)、KRAS驱动的非小细胞肺癌(NSCLC)和KRAS推动的胰腺导管腺癌(PDAC)特异性信号通路。RTK的组织特异性正反馈激活增强了信号输出(例如表皮生长因子受体(EGFR);长点箭头)或其他受自分泌和旁分泌刺激的RTK。组织和细胞类型特异性负反馈回路以及抑制性和激活性交叉信号传导存在于不同水平。经典信号通路的激活促肿瘤信号通路连接如箭头所示,抑制性抗肿瘤信号通路如以垂直线为首的虚线所示。点箭头表示激活由RTK的组织特异性参与调节的促肿瘤信号回路。成纤维细胞生长因子受体;胰岛素样生长因子受体;血小板衍生生长因子受体;蛋白激酶C;核糖体蛋白S6激酶α;SGK、血清和糖皮质激素调节激酶;TF,转录因子。
重要的是,信号放大到一定程度,即信号阈值,似乎是诱发癌症所必需的。该阈值因组织类型、细胞分化阶段和肿瘤发生阶段而异,通常由蛋白激酶及其下游效应通路的上下文特异性参与介导99.
增加信号输出有时是通过放大癌症类型(如非小细胞肺癌)中的驱动癌基因来实现的100但也可以通过自分泌前馈环路或来自受体酪氨酸激酶的上游信号来实现。上下文特异性的自身和旁分泌信号环路是多种肿瘤类型中肿瘤驱动途径的关键放大器,如乳腺癌和卵巢癌、非小细胞肺癌、PDAC和CRC99,101–106在胰腺中,致癌KRAS诱导一个自分泌前馈环路,激活EGFR,这是放大KRAS信号输出以达到组织转化所需的临界阈值所必需的106–109然而,删除Egfr公司在小鼠模型中,KRAS驱动的非小细胞肺癌或大细胞癌不能阻止肿瘤发生,而KRAS推动的PDAC发展需要EGFR信号106.与此相一致,KRAS公司突变是非小细胞肺癌和大肠癌患者对EGFR抑制的主要耐药预测因子,但不是PDAC患者110–113事实上,KRAS驱动的非小细胞肺癌依赖于致癌KRAS和胰岛素样生长因子受体1(IGFR1)的协同输入,而不是EGFR105().
这些结果表明,KRAS信号的细胞输出具有高度的组织特异性。在考虑治疗反应时,这些发现表明,治疗效果不能从一个KRAS驱动的肿瘤实体推断到另一个实体。例如,一些喀斯特-使用MEK抑制剂Trametinib的突变型肺和胰腺肿瘤模型揭示了细胞自主性成纤维细胞生长因子受体1(FGFR1)依赖的生存途径,该途径在喀斯特-突变CRC细胞114此外,根据细胞环境的不同,成纤维细胞生长因子(FGF)信号可以通过自分泌前馈环发挥作用(如在肺癌中),也可以通过肿瘤微环境中配体的分泌作为基质-上皮相互作用的旁分泌介质(如在前列腺癌中)115–117旁分泌FGF信号转导的结果也是组织特异性的;由于雄激素受体信号和AKT激活的旁分泌上调,该途径推动前列腺肿瘤的发展115–117,而它在打了补丁的1(第1部分)通过抑制致瘤声波hedgehog信号建立髓母细胞瘤突变小鼠模型118.
所有这些发现都得到了最近数据的支持,这些数据表明受体通常作为细胞型特异性介质和信号通路的放大器101因此,不同组织来源的癌症类型之间存在不同程度的信号通路失调和输出,这会影响信号组织,如下游信号、信号串扰和信号回路。
不同通路之间的抑制性串扰以及影响同一通路的负反馈回路在健康和疾病中起着核心作用119,120这种抑制信号电路在生理条件下微调信号输出,以对外部刺激(例如生长因子)作出适当反应95,96,119,121,122有趣的是,反馈抑制的持续性通常在癌症中得以保留,并且对起源的肿瘤细胞具有特异性122在其他癌症中,下调这些负反馈程序的调节剂或绕过负反馈的额外突变点击,例如磷酸酶失活(即。PTEN公司)也可能发生在肿瘤发生过程中123负反馈的上下文特异性保留为癌基因成瘾维持一定水平的信号输出提供了解释,这抵消了内在反馈抑制122,124这对分子靶向疗法的设计具有重大影响,因为癌蛋白或其下游效应通路的阻断可能会影响负反馈回路,并以组织特异性的方式反向增加信号输出24,125例如,在CRC中,BRAF癌基因的药理学阻断减少了负反馈回路,否则该负反馈回路将阻断EGFR信号传导。EGFR信号随后被激活,允许CRC细胞通过EGFR诱导的PI3K–AKT途径增殖24(). 这些发现与BRAF驱动的黑色素瘤形成对比,BRAF阻断抑制MAPK激活而不影响EGFR信号7,24因此,组织特异性EGFR和PI3K信号似乎绕过BRAF抑制,并在布拉夫突变型CRC24,126,127因此,阻断EGFR或PI3K–AKT信号和BRAF抑制是CRC临床前模型的有效治疗策略24,126这些数据表明,不同组织来源的肿瘤由复杂的非线性信号动力学驱动,即使它们与相同的激活驱动因子突变有关,例如布拉夫V600E型总之,负反馈是癌症中一种重要的组织特异性机制,用于微调致癌信号输出,从而提高信息传输的保真度。这种对通路激活的严格控制有助于形成环境特异性肿瘤发生的许可窗口25对于大多数癌症类型和致癌基因,背景特定的信号回路、反馈机制和癌症驱动途径的信号串扰基本上仍然未知。了解这些机制对于未来开发更有效的治疗方法至关重要。
癌症基因的可加性、上位性和历史偶然性
在许多癌症类型中观察到了分子改变之间的组织特异性关系,例如突变的共存或互斥性,但在大多数情况下,潜在的生物学原理和治疗后果迄今尚不清楚。如上所述,KRAS公司突变对不同肿瘤类型(如CRC、PDAC和NSCLC)的致癌信号组织有不同的影响59,98,106,128–130这些由KRAS驱动的肿瘤类型的表型被其他癌症基因中的组织特异性共现突变进一步修饰,例如丝氨酸-三烯激酶11的功能丧失突变(STK11型; 亦称为LKB1号机组)在NSCLC中131突变体KRAS和STK11的共同出现决定了KRAS驱动的非小细胞肺癌的不同生物学特征,例如通路激活和免疫原性的差异,以及治疗的脆弱性131.
共现突变可能在癌症发展过程中起相加或相加作用132–134当基因不相互作用且其生物后果是单个效应的总和时,它们被认为是相加的。然而,加性效应在癌症中相对罕见132,134大多数基因至少表现出某种程度的上位性相互作用,其组合结果比预期的个体效应更大或更弱132,134–136因此,上位相互作用通过允许某些信号通路和阻止其他信号通路来塑造癌症中的信号通路。上位相互作用的定量体内在复杂的情况下,例如以环境条件动态变化为特征的癌症,仍然是一项重大挑战,迫切需要新的方法来准确测量这些影响。
利用3000多种癌症的数据,研究表明,癌症驱动因素的相互排斥和共现是常见的,也是组织特异性的134。超过90%的癌症驱动因素相互作用仅在单个肿瘤类型中检测到,并且至少一半的癌症基因相互作用在不同肿瘤类型中的相互作用强度不同134例子包括环境特异性同时发生的致癌突变KRAS公司和PIK3CA公司在CRC中,表皮生长因子受体放大和O(运行)6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶(MGMT公司)非小细胞肺癌中的甲基化和表皮生长因子受体扩增和异柠檬酸脱氢酶1(印尼盾1)或TP53型胶质母细胞瘤的突变134重要的是,这些数据在一定程度上挑战了既定概念,即影响特定分子途径的基因改变往往是相互排斥的。因此,上位性可能是肿瘤发生过程中多种基因改变在特定途径中协同作用的组织特异性积累的原因134,135示例包括地图K3(也称为ERK1型)在KRAS公司突变PDAC(对MAPK途径的协同影响)KRAS公司,PIK3CA公司和PTEN公司子宫体子宫内膜癌(对PI3K信号通路的协同影响),或表皮生长因子受体突变和PTEN公司胶质母细胞瘤中的缺失(对PI3K通路的协同影响)(http://www.cbioportal.org). 实验测试在给定路径上协同作用的上位交互作用是否可以通过以路径为中心的多靶向方法进行治疗,这一点很重要。
最近的工作也提供了证据,证明致癌信号网络中的组织特异性差异,如反馈回路或信号串扰以及细胞环境中的差异,会影响上位性相互作用133–135与此相一致,上位相互作用不仅与肿瘤起源细胞有关,而且还影响与上位相关的基因的特定生物功能和癌症患者的生存132上位相互作用的细胞类型特异性不仅对个性化治疗方案具有重要意义,而且还影响合成致命相互作用,其中两个基因的联合改变导致细胞死亡,而任何一个基因的突变都没有影响。利用合成杀伤力开发癌症治疗必须考虑细胞和组织特异性上位相互作用134正如预测的那样,合成致命性只对携带目标易损性的肿瘤子集有效134,135这与大规模筛选和试验的数据一致,这些试验表明,对特定细胞或肿瘤类型有效的合成致死策略在其他类型中无效24,135.
如BRAF模型所示,癌症基因发生变化的顺序也可能是信号组织和输出的重要决定因素V600E型-驱动性锯齿状肠癌126这种特殊的CRC亚型以锯齿状组织病理学形态为特征,通过增生-锯齿状腺瘤-锯齿状癌序列进展,导致微卫星不稳定无梗癌。与Vogelstein及其同事描述的经典CRC进展模型相反137,通常由空气污染指数突变和随后的WNT途径激活,然后是额外的遗传改变,如RAS-和MAPK途径激活(http://www.cbioportal.org)138,BRAF驱动的锯齿状CRC由MAPK信号放大启动,然后在肿瘤进展过程中WNT通路激活126MAPK–WNT通路激活的这种“倒置”序列不仅对致癌信号输出有重要影响,例如p16的特异性激活INK4A(墨水)和/或p19农业研究基金BRAF驱动的锯齿状肠癌变中的肿瘤抑制因子,但也可能影响该CRC亚型的病理形态学(锯齿状组织学)、遗传(CpG岛的MSI和DNA高甲基化)和临床(预后不良)特征139.
独特的基因改变只有在其他改变最先发生时才有益或可行的现象,称为历史偶然性140–142,不同癌症类型之间存在显著差异,例如慢性淋巴细胞白血病(CLL)和骨髓增生异常综合征(MDS)143,144例如,在MDS中,存在一种遗传“预定”,其中早期癌症驱动因素的激活,例如RNA剪接机制中的基因,决定了未来的遗传事件和肿瘤进化路线,具有不同的临床特征和预后结果143从机制上讲,MYC和BCL-2基因改变之间的组织特异性相互作用是历史偶然性的例证145–147抗凋亡原癌基因BCL-2在多种B细胞淋巴瘤中通过易位激活147–149MYC过度激活可诱导B系细胞凋亡,但BCL2过度表达可阻断这种效应并允许致癌MYC驱动肿瘤147,150,151在不同的组织类型中,角质形成细胞可以很好地耐受表皮MYC的激活。在这里,MYC触发增殖、增生和肿瘤发生,但只有极低水平的凋亡152,153皮肤中存在旁分泌生存信号可能是这种独特的组织特异性凋亡阈值的决定因素153.
在人类CRC和PDAC中,TP53型通常在从高级上皮内瘤变为癌的过渡期被灭活,而不是在早期137,154这与乳腺癌和肝癌形成对比,乳腺癌和肺癌的突变TP53型提前发生155该观察结果表明TP53在控制CRC和PDAC中肿瘤细胞侵袭性方面具有不同的功能126,以及潜在的乳腺癌细胞周期停滞135,156,157反馈、信号串扰、环境因素和复杂的非线性信号动力学可能决定这种顺序过程的组织特异性和时间。这些例子说明,利用癌症驱动因素的发生来改进治疗需要考虑肿瘤发生过程中作用的细胞类型特异性信号网络的演变。
环境因素
组织特异性肿瘤发生和环境特异性肿瘤信号转导途径也受到非细胞自主因素的影响,如肿瘤微观和宏观环境、代谢、微生物群、急性和慢性炎症过程、感染和免疫以及环境化学物质和毒素26,158.
肿瘤微环境
肿瘤微环境(TME)是致癌信号通路的重要介体和调节剂159–162上皮细胞的微环境有明显的组织特异性差异163–166TME异质性的最佳例子之一是肝和胰腺中存在特异性的肌纤维母细胞样星状细胞164这些细胞是两个器官组织纤维化的重要致病驱动因素164,167,168在组织损伤或特定致癌损伤激活后,星状细胞分泌细胞外基质(ECM)成分、蛋白酶、细胞因子和生长因子,诱导组织修复,但也可以驱动肿瘤形成和癌症结缔组织增生164,167–169因此,显著的促结缔组织增生间质反应可以区分某些肿瘤实体,如PDAC和其他肿瘤类型,如肉瘤,即使它们是由同一致癌基因驱动的59,170–173。(肌)成纤维细胞亚型和谱系的组成是否存在组织特异性差异尚待确定,这可能促进或抑制肿瘤的发展并影响TME异质性160,166,174–178然而,这似乎是可能的,因为在皮肤中发现了不同类型的成纤维细胞,它们对旁分泌信号的反应不同,例如声音刺猬或TGFβ175,179.
在肿瘤发生过程中,基质成纤维细胞中TGFβ信号传导具有上下文特异性作用180,181.全局失活Tgfβ受体2(Tgfbr2)在所有小鼠成纤维细胞中,仅在前列腺和前胃诱导肿瘤发生180在这种情况下,肝细胞生长因子(HGF)分泌增加Tgfbr2型敲除成纤维细胞似乎是激活上皮细胞中MET的潜在机制,从而启动前列腺和前胃的致癌作用180因此,成纤维细胞可以增加特定组织类型中邻近上皮细胞的致癌潜能。因为癌症相关的成纤维细胞可以在人类肿瘤中分泌大量HGF166这些发现支持了这样的观点,即转化细胞的成功生长不仅取决于其分子的改变,还取决于特定微环境所赋予的优势。
大多数成人组织不断从干细胞中更新165根据组织类型,常驻干细胞可以从其局部微环境中的特定细胞接收自我更新因子,也可以自行生成这些信号165这可能对组织特异性肿瘤发生有重要影响。在肠道中,间充质细胞提供WNT蛋白来维持肠道干细胞,这表明在肠道中干细胞和生态位细胞在功能上是成对的165相反,皮肤中的表皮滤泡间干细胞产生自己的WNT配体,这是自我更新所必需的165与此相一致,CRC的干细胞依赖于活化的肌成纤维细胞分泌的因子,这些因子过度激活WNT通路,从而推动肿瘤进展162这表明靶向TME可能是一种有吸引力的组织特异性治疗选择,特别是通过切断癌细胞自我更新因子的供应来实现CRC。综上所述,这些数据支持这样的观点,即TME异质性是一个重要的功能决定因素,它推动组织特异性肿瘤的发生,是特定肿瘤类型治疗干预的一个有吸引力的靶点。
然而,对于肿瘤及其微观和宏观环境之间的复杂相互作用,以及这种相互作用如何影响治疗反应和耐药性,仍然缺乏机制上的理解。部分原因是缺乏针对和分析特定细胞类型的适当方法体内最近的发展,如基于双重组系统的产生,允许对整个动物的特定细胞类型进行高度控制的独立遗传操作182,183,为研究不同细胞(亚)群之间的合作和竞争以及镶嵌现象在癌症中的作用提供了一种手段183–185.使用此类模型和其他系统184也有可能研究组织和细胞类型特异性的细胞间通讯以及基因剂量与信号反应的上下文依赖关系,以更定量地确定信号输出。
肿瘤的宏观环境和代谢
超重、肥胖和1型或2型糖尿病会增加特定癌症类型(如结肠癌和胰腺癌)的癌症风险和死亡,这表明不同的器官特异性机制是有效的186–190在正常胰腺中,肥胖会促进脂肪变性炎症和纤维化189,191在PDAC小鼠模型中,肥胖形成了一个特定的微环境,其特征是肥大脂肪细胞积聚,分泌大量细胞因子,如IL-1β189由于星状细胞激活、结缔组织增生增加、中性粒细胞渗出和炎症增加,这会加速肿瘤发生、肿瘤生长和治疗抵抗,这些都可以被IL-1β抑制所阻断189这与正常肠道和肠道肿瘤形成形成对比,在正常肠道和肠肿瘤形成中,肥胖对干细胞功能有明显影响,但对肥胖相关炎症没有影响192,193在这里,肥胖通过过氧化物酶体增殖物激活受体δ(PPARδ)介导的WNT激活增加肠干细胞数量,降低肠干细胞的生态位依赖性,并诱导非干细胞在小鼠体内形成肿瘤Apc公司损失193组织特异性大环境致癌因素的其他例子是性激素,它与乳腺癌和前列腺癌等生殖组织的癌症有关102,194雄激素受体的条件性过表达诱导小鼠前列腺的致癌转化195雄激素刺激诱导癌基因的产生和过度表达电动滑行系统人类前列腺癌特异性融合基因,与PI3K通路激活协同驱动癌症进展102,196–200.
最近已确定癌细胞的组织和环境特异性代谢需求201,202有趣的是,肿瘤的代谢取决于遗传损伤和起源组织202细胞型特异性代谢改变可使肿瘤细胞选择性地依赖某些营养素和代谢途径,导致来源组织特异性治疗漏洞。KRAS驱动的非小细胞肺癌纳入循环支链氨基酸(BCAA)以满足其代谢需求。这与KRAS驱动的PDAC肿瘤相比,其BCAA摄取减少。因此,干扰这种特殊的代谢途径可以为非小细胞肺癌提供治疗机会,但不能为PDAC提供治疗机会203此外,癌症中的代谢变化可能会影响致癌信号的组织和输出。因此,癌症治疗的靶向代谢途径应考虑不同肿瘤类型的上下文特定代谢变化。
感染、炎症、微生物群和其他环境因素
慢性感染原因幽门螺杆菌乙型和丙型肝炎、EB病毒或人类乳头状瘤病毒以及慢性炎症疾病,如肝炎、胰腺炎和结肠炎,与各自炎症或感染器官(如口咽、胃、结肠、肛门、宫颈、胰腺、肝脏)的癌症风险更高有关158,204,205.持续感染和炎症导致上皮细胞增殖206,207此外,激活的免疫细胞会产生含有氧和氮的高活性分子,这些分子会破坏DNA207,208最近的研究表明,炎症过程中同时发生的DNA损伤和细胞分裂会导致癌症,因为分裂的细胞更容易受到DNA损伤引起的突变的影响207.
其他环境因素,如紫外线(UV)照射或毒素(如烟雾),可诱发极高的突变率,从而激活多种癌症驱动因素209虽然发展中的肿瘤随后在遗传上非常异质,但它们确实具有与癌症病因相关的突变特征81对免疫检查点抑制剂如细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4(CTLA4)、程序性细胞死亡蛋白1(PD-1)和PD1配体1(PD-L1)抗体的治疗反应与突变负荷密切相关,突变负荷在紫外线诱导的黑色素瘤和烟雾诱导的非小细胞肺癌中最高81,210–213此外,如上所述,MMR缺陷的MSI CRC具有超突变特征,并对免疫检查点抑制剂敏感。然而,也有一些突变率较低的肿瘤,对免疫治疗反应良好。这里,组织特异性新抗原、PD-L1高表达水平或肿瘤基质的上下文特异性免疫生物学可能会影响治疗效果211,213–215最近的一项研究表明,在18种不同的肿瘤类型中,肿瘤微环境中浸润的局部免疫细胞的细胞溶解活性差异很大216它与特定的致癌信号通路相关,如WNT或PI3K、新抗原负荷、外源或内源性病毒的存在,以及与免疫治疗敏感性和总体生存率相关211,216–218综上所述,这些例子表明,组织特异性肿瘤发展的潜在致病机制通常在临床上具有重要的治疗意义。
微生物群在肿瘤发生和维持中的作用及其对抗肿瘤免疫监测的影响是一个积极的研究领域158,219研究表明,肠道微生物组的不同模式驱动或抑制了肠癌的形成以及治疗反应和耐药性219–223此外,越来越多的证据表明,“雌激素样蛋白”(能够代谢雌激素的肠道细菌蛋白的集合)中的差异可以显著影响ER阳性乳腺癌的发生224因此,微生物组在组织特异性癌症形成和致癌信号输出中的作用是一种重要的可能性,有待实验研究。
视角
如本文所述,多种因素及其动态相互作用以高度组织和环境特异性的方式决定了肿瘤驱动因素的选择和致癌信号组织。这表明,个性化癌症护理的治疗成功并不总是能够或从具有相同分子改变的其他肿瘤类型的疗效中推断出来。相反,有越来越多的证据表明,应在组织背景下研究每种潜在癌症驱动因素的生物学,以提供使用分子肿瘤特征分析来指导药物开发、患者分层和治疗决策的科学依据。
我们如何满足这一需求?很明显,我们无法在临床试验中探索每个癌症驱动因素的组织和环境特异性脆弱性。首先,通常只有少数患者有各自的驱动器损伤,特别是在罕见疾病中,这使得充分开展临床研究成为不可能;其次,我们没有合适的临床批准药物来针对迄今为止在患者中发现的各种癌症驱动因素;第三,我们无法从机理上研究和理解癌症患者组织特异性环境中分子改变的生物学。
这里需要临床前模型系统,以密切反映人类癌症特定分子亚型的生物学特性225–230这包括(i)基于单元格在体外来自人类、猪和鼠肿瘤以及由不同癌症驱动因素转化的正常组织的模型(有机物、球体)225,226,230(ii)在体外模拟人类肿瘤微环境的3D癌症模型229,(iii)患者衍生异种移植物(PDX)和原位同基因移植模型225,226,228和(iv)基因工程和致癌物诱导的本地小型和大型动物模型226–228,231(). 每种模型都有自己的优缺点,这取决于要解决的科学问题。猪的癌症建模现在是一个迅速发展的新领域,解决了基因定义的人类临床前癌症模型尚未满足的需求231–233.
识别、分析和验证背景下癌症驱动因素的方法。(一)不同异质性肿瘤实体的跨谱比较特征,以提高信噪比,并确定可能驱动肿瘤并成为潜在治疗靶点的实质性改变的通路、转录调节物、错义突变或拷贝数变化。将人类癌症与相应的基因工程或致癌物诱导的小鼠和猪肿瘤模型进行比较,可以筛选出共同的改变。猪癌症建模是一个迅速发展的领域,这是由临床前研究对更人性化肿瘤模型的需求所驱动的。系统生物学和数据集成用于定义癌症类型的相关分子亚型,基于假定的驱动因素突变、共现变化和药物靶点。这种生物信息学分析将有助于建立这些分子癌亚型的模型,例如通过小鼠生殖系中的基因工程(基因工程小鼠模型(GEMM)),或通过适当靶细胞的(复合)体细胞基因工程在体外(例如在类有机物中)或体内(体细胞GEMM(sGEMM))使用CRISPR-Cas9、短发夹RNA(shRNAs)或过表达系统。因此,可以重现特定上下文特定肿瘤亚型的大多数独特特征。此外,可以使用患者衍生的异种移植模型(PDX)、原位同种移植模型和致癌诱导模型,这些模型可以重现特定肿瘤亚型的重要特征(例如致癌诱导的模型中的过度突变)。(b条)然后,这些亚型特异性癌症模型可用于了解分子改变的组织特异性信号网络,或通过基于逆转录病毒shRNA或CRISPR-Cas9的文库、药物或合成致死性筛选来识别上下文特异性靶点。这些模型还可用于分析耐药性或通过诱导shRNA或CRISPR-Cas9系统、双重重组技术或药物治疗研究在临床前验证治疗靶点。基因定义的猪癌症模型可用于在人类范围内进行更具代表性的分子指导的环境特异性治疗试验。然后可以利用从该方法中获得的知识,对临床分层患者的药物和治疗试验进行优先排序。lncRNA;长的非编码RNA。
鉴于人类癌症中的许多基因组畸变及其频繁共存,癌症驱动因素及其在不同组织类型中的上位性相互作用的表征和验证显然是一个巨大的挑战。跨谱比较肿瘤分析和计算方法定义了共同发生的遗传改变和协同上位性相互作用,以及相互排斥性,将有助于我们在组织背景下对这些特定的分子癌亚型进行建模134,226一种策略可能是在适当的靶细胞中引入一些突变在体外或体内为了重现特定肿瘤亚型的大多数独特特征(). 这使我们能够回答单个突变如何影响肿瘤表型以及它们如何影响干预策略的问题。CRISPR–Cas9介导的基因编辑的出现使我们首次能够高效地将组合遗传改变引入特定的体细胞230,234–238基于多重体细胞CRISPR–Cas9的基因组编辑已被证明是一种更紧密地模拟相关人类癌症亚型的强大工具,有可能更好地理解癌症驱动因素的特定生物学基础在体外和体内230,238–242此外,最近开发了新的方法,用基因验证癌症基因在其特定组织对照中作为适当的治疗靶点,并评估初级和次级治疗耐药性(). 这些包括短发夹RNA(shRNA)或双重重组策略,允许在本地肿瘤中诱导癌基因失活182,183,243,244此外,基于双重重组的序列遗传操作可以模拟肿瘤发生的时间和阶段183癌症亚型特异性shRNA、CRISPR–Cas9或药理学筛选是另一个有吸引力的选择,可用于识别特定环境下的治疗漏洞245,246.
在过去几十年中,临床前癌症模型中建立的治疗方案的疗效往往没有转化为临床疗效,这表明传统模型对临床疗效的预测能力较差228这可能是由于使用已建立的人类肿瘤细胞系和肿瘤模型的异种移植模型的局限性,而这些肿瘤模型不能充分再现匹配的人类肿瘤亚型。然而,在过去十年中,已经开发出了许多下一代模型,它们忠实地再现了人类癌症,并更准确地预测了治疗反应227,228因此,我们建议为相关癌症亚型建立特征明确的模型系统管道,以便进行临床前指导和优先临床试验。这将提高成功率,节省成本和资源。
全面的肿瘤分子特征分析将极大地帮助临床决策和改善癌症护理。再加上越来越多的靶向药物,这些信息将为我们提供工具,以匹配合适的患者和合适的药物。有效共享和传播患者分子肿瘤概况和反应数据对于实现这一目标至关重要。然而,必须考虑组织对照,并进行经验测试,因为它是治疗反应和耐药性的重要决定因素。
我们认为,在预测患者的药物反应方面,考虑肿瘤的分子特征和解剖部位可能优于单独考虑这两种因素。因此,对于新一代靶向治疗方案的设计,必须彻底了解组织特异性肿瘤生物学以及药物反应的分子机制。
词汇表框
嵌合体:存在两个或多个遗传上不同的细胞群体。
转分化:一种细胞命运转换(化生),分化的成年体细胞转变为另一种成熟体细胞类型。
超级增强子:多个增强子的基因组调控区域,具有非常强的转录辅激活物结合富集,可驱动基因转录。
染色体畸变:一条或几条染色体的大规模灾难性破碎和重组,导致一个细胞同时发生多种遗传改变。
色氨酸合成:局部基因重排导致多重拷贝数改变,包括缺失、重复、三倍体,以及局部缺陷DNA复制过程中模板切换导致的广泛易位和反转。
染色体倍体:由多条断裂的DNA链影响多条染色体的复杂链式DNA重排。
结缔组织增生:一种致密的纤维结缔组织反应,通常由于成纤维细胞增殖和细胞外基质成分沉积增加而导致癌基质中的恶性上皮肿瘤。
脂肪变性:细胞内脂滴的异常滞留和积聚,导致固体器官的脂肪改变或变性。
致谢
我们向所有因篇幅限制或需要关注具体示例而未将其工作纳入本意见文章的同事致歉。G.S.得到了德国癌症联合会(DKTK)的资助[资助编号:110908]、DFG[SFB824/C9]、威廉·桑德基金会(Wilhelm Sander Stiftung)的资助[资助编号:2016.004.1],以及德国癌症联合会(DKTK)的一个联合资助项目,R.R.得到了DKTK和亥姆霍兹联盟临床前综合癌症中心(PCCC)的资助,D.S.得到了欧洲研究理事会[ERC CoG No.648521]、DKTK、DFG[SA 1374/4-2和SFB824/C9]以及Helmholtz-Alliance PCCC的资助。
作者传记
Günter Schneider学习医学,并获得德国尤利乌斯·马西米利安大学医学博士学位。他曾在乌尔姆大学和慕尼黑技术大学(TUM)接受胃肠肿瘤内科科学家培训。自2002年以来,他是TUM医学院Klinikum rechts der Isar大学医院消化科的独立PI,专注于胰腺癌和胃肠道癌亚型。他感兴趣的是,致癌信号是如何通过转录机制整合的,以及这种理解如何转化为新的治疗方法。
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马克·施密特-苏普里安在德国和爱尔兰学习化学、生物化学和遗传学。他获得科隆大学免疫学博士学位,并在波士顿哈佛医学院进行博士后和初级研究员培训。他在马丁斯里德(Martinsried)的马克斯·普朗克生物化学研究所(Max Planck Institute of Biochemicology)成立了自己的独立研究小组,然后转到慕尼黑技术大学血液学和肿瘤学系,担任终身教授和研究负责人。Marc的研究兴趣集中在免疫病理学和癌症中的信号转导和转录后基因调控。
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罗兰·拉德(Roland Rad)是慕尼黑技术大学医学院和德国海德堡癌症研究中心(German cancer Research Center Heidelberg)的转化型胃肠肿瘤学和实验性癌症遗传学教授。他在慕尼黑技术大学(TUM)和剑桥威康信托桑格研究所(Wellcome Trust Sanger Institute)进行了临床和博士后研究培训。他的研究兴趣集中在癌症中的基因发现、功能性基因注释和信号传导。他的团队正在开发小鼠高通量正向和反向遗传学的工具,包括基于转座子的全基因组筛选技术和体内CRISPR-Cas9基因组工程方法。
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迪特尔·索尔(Dieter Saur)是一名胃肠病顾问兼肿瘤学家,同时也是TUM医学院的教授。他在临床癌症患者的诊断和治疗方面有着长期的专业知识。他的团队的研究侧重于深入了解癌症中组织特异性致癌信号通路,特别关注肿瘤微环境的作用。他正在开发先进的癌症亚型基因工程模型,允许对整个动物的特定细胞类型进行高度控制的独立基因操作。Dieter的转化研究兴趣集中在胃肠道肿瘤早期检测的新内窥镜成像程序和胃肠道癌亚型新治疗策略的开发。
实验室主页:http://www.med2.mri.tum.de/en/research/ag-saur.php
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