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结直肠癌早期诊断的分子生物学研究进展

2023-11-08 来源:乌哈旅游
国际消化病杂志2015年8月第35卷第4期Int J DigDis,August 25,2015,Vo1.35,No.4 ・247・ ・综述・ 结直肠癌早期诊断的分子生物学研究进展 张观坡柏愚李兆申 摘要:早期筛查可以有效降低结直肠癌(CRC)的发病率和病死率,结肠镜检查是目前筛查CRC的金标 准,但受检率偏低。从患者的血液及粪便中寻找异常的DNA和RNA是非侵入性的筛查手段,其敏感度和 特异度越来越高,有些分子标志物有望成为早期诊断CRC的有效指标,该文就这方面的研究进展作一综述。 关键词:结直肠癌;早期诊断;DNA;RNA DOI:10.3969/j.issn.1673—534X.2015.04.006 结直肠癌(CRC)是全球第三位高发的癌症,同 时也是癌症致死的第四大病因_1]。早期发现、早期 治疗是减少CRC发病率和病死率的有效手段。结 肠镜检查是目前筛查CRC的金标准,美国50岁以 上人群的结肠镜筛查率只有29.8 ~55.2 _2],中 国适龄人群的结肠镜受检率也偏低_3]。此外,结肠 镜检查存在一定的漏检率,如结肠腺瘤的漏检率可 达6 ~12 ,而CRC的漏检率亦可达5 ¨4]。因 此,为了提高适龄人群尤其是CRC高危患者的筛查 率,迫切需要新的筛查手段,如寻找血液或粪便中 CRC的肿瘤标志物。随着分子生物学以及新一代 测序技术的发展,研究者从患者血液及粪便中发现 了越来越多的肿瘤标志物,其中具有较高敏感度和 特异度的DNA和RNA具有广阔的应用前景。 1 DNA 血中游离DNA简称循环核酸,是指循环血中 游离于细胞外部分的已降解的机体内源性DNA,可 以来源于肿瘤细胞的坏死、凋亡或直接分泌[5]。循 环核酸一般只有70 ̄200 bpl6],在血液中的含量极 其微少使得分离极其困难,但随着测序技术的不断 进步,目前已可以高度敏感及特异地检测血液中微 量的循环核酸,从而为寻求新的早期无创筛查CRC 的标志物提供了可能[7]。 1.1异常DNA甲基化 DNA甲基化对细胞的正常分化和胚胎的发育 极其重要,但是异常的DNA甲基化却与肿瘤的发 生发展密切相关。早在1983年,Feinberg等l8]就报 道了DNA异常甲基化和肿瘤发生的关系。DNA 甲基化可以沉默基因的表达,如抑癌基因启动子 CpG岛的高甲基化可以引起DNA双链更紧密地折 作者单位:200433上海,第二军医大学附属长海医院消化内科 (张观坡现工作于南京军区福州总医院消化内科) 通信作者:李兆申,Email:zhaoshenli@hotmail.corn 叠而影响转录,从而导致癌症_9_lIJ]。很多研究发现, DNA甲基化与肿瘤发生的早期事件相关,因而其被 认为是一个潜在的早期肿瘤检测指标_1 佗]。 目前,仅有少数几个DNA甲基化的标志物实 现商业化。如ColoVantag 是一种基于检测血浆 中SEPT9基因甲基化的试剂盒,其对CRC的总体 敏感度达90 ,其中对1期和2期CRC的敏感度 为87 ,对3期和4期CRC的敏感度达100 [”]。 Epi proColon@2.0亦是一种基于检测血浆中 SEPT9基因甲基化的试剂盒,其对CRC的总体敏 感度达95.6 ,其中对I期CRC的敏感度为84 9/5, 对2~4期CRC的敏感度亦达100 ;使用此试剂 盒时,其在左半结肠的阳性率达96.4 ,在右半结 肠的阳性率达94.4 l1 。ColoSureTM则是一种基 于检测粪便中vimentin基因甲基化的试剂盒,其对 CRC的敏感度为38 ~88 ,该试剂盒被推荐与结 肠镜检查联合筛查CRC_】 。 不过大部分DNA甲基化的生物标志物尚处于 科研及临床试验阶段。在21世纪初,Nakayama 等_1 ]和Lecomte等[1 ]检测到,肿瘤抑制基因p16 的启动子高甲基化在CRC患者血液中的阳性率分 别为68 和69 。而Grady等_1。 检测到hMLH1 启动子异常甲基化在CRC患者血清中的阳性率仅 为47 。Oh等_19]研究发现,异常SDC2甲基化在 139例工~Ⅳ期CRC患者肿瘤组织中的表达率为 97.8 ,而血清中SDC2甲基化的敏感度为87.0 , 特异度为95.2 ,特别是在工期CRC患者的敏感 度可高达92.3 ,使其可以作为潜在的早期检测 CRC的标志物。而对于粪便来源的DNA,由于各 研究对标本处理的方法存在更大的异质性,使得目 前研究结果并不令人满意。如GlOckner等l_20]发 现,TFPI2的异常甲基化在CRC腺瘤的检出率为 97 ,在I~Ⅳ期CRC患者肿瘤组织中更高达 "-99 ;而其在工~Ⅲ期CRC患者的粪便标本中敏感 二、 国际消化病杂志2015年8月第35卷第4期Int J Dig Dis,August 25,2015,Vo1.35,No.4 度为76 ~89 ,特异度为79 ~93 。其他学者 在CRC患者粪便中检测到的NDRG4启动子及转 录因子GATA4等基因的异常甲基化虽然敏感度仅 为51 ~53 ,但特异度可达93 ~100 。即便 如此,这些研究仍需扩大样本以进一步验证。 鉴于检测单个基因的局限性,许多学者采用联 合检测多基因甲基化的策略以提高敏感度和特异 度。Lind等_21]联合检测血清中CNIP1、FBN1、 INA、SNCA、MAI 和SPG20,发现≥2个以上上述 基因的启动子出现高甲基化,其敏感度在腺瘤和 CRC中分别为93 和94 9/6,特异度可达98 。 Alhquist等l2。坝0联合检测了粪便中骨形成蛋白3 (BMP3)、NDRG4、vimenti、TFPI2、突变型KRAS、 p一肌动蛋白( —actin)等基因的甲基化,其对CRC的 敏感度可达87 。相信随着研究的进展,将来一定 会出现更多的优化组合标志物,可进一步提高CRC 早期检测的敏感度和特异度。 1.2异常的肿瘤DNA突变 在结直肠正常上皮细胞由腺瘤向腺癌的发生 过程中,突变的基因如KRAS、p53、APC可以在血 循环中被检测到[1 。 ,但与野生型DNA相比,含 量非常低[ 。例如,Diehl等[ ]研究发现,59 的 CRC患者( =56)血浆中可以检测到突变的APC, 但其中晚期CRC患者的血浆中突变的APC基因仅 占总APC基因的1.9%o~27 ,而早期CRC患者 则仅有0.01 --0.12 。即便使用直接测序技术, 在野生型DNA的背景中,其突变信号的检出率也 低于25 ¨2 。因此,目前的技术尚难以开发低成本 且具高敏感度的方法用来检测所有体细胞突变,作 为早期检测CRC的指标。 1.3微卫星改变 微卫星不稳定性(MSI)是指与正常组织相比, 在肿瘤中某一微卫星由于重复单位的插入或缺失 而造成的微卫星长度的任何改变,出现新的微卫星 等位基因现象。杂合性是指在同源染色体上的一 个或多个位点上有不同等位基因存在的状态。微 卫星改变包括MSI和失去杂合性,与肿瘤的发生、 进展相关,因而被认为可作为潜在的肿瘤检测指 标[。 。Hibi等[。 ]研究发现,80%的原发性CRC中 存在MSI或失去杂合性的改变,但无1例出现在相 应患者的血清DNA中。总体上,在检测早期CRC 时,微卫星改变表现出较低的敏感度和特异度,目 前尚难以作为早期检测CRC的指标。 1.4循环线粒体DNA 在每个细胞中均有数以百计的线粒体DNA拷 贝,而正是由于其多拷贝的特性,线粒体DNA通常 表现出异质性。对肿瘤细胞而言,除了表现出与特 定肿瘤相关的异质性之外,还存在I)I襻区域的变 异l2 。Hibi等_3。]研究发现,在早期CRC中,近9%0 (7/77)的CRC组织存在线粒体DNA的改变,但在 这7例患者中,仅有1例的血清中存在线粒体DNA 的改变。鉴于线粒体DNA在早期CRC中极低的 阳性率,更多的研究将重点放在其与CRC晚期转移 的关系上。 2 RNA 通常认为RNA是一种高度不稳定、容易降解 的小分子物质,但随着研究的深入,许多研究证实 RNA可以稳定的存在于外周血中,这可能与其在血 液中与蛋白质或磷脂相结合,从而可以抵御RNA 酶降解有关[ 。这些RNA包括编码RNA[ ̄I信使 RNA(mRNA)]及非编码RNA[如微小RNA (microRNA)和长链非编码RNA(1ncRNA)]l_3 。 。 不仅如此,这些RNA还可以在血浆或血清中被抽 提及检测出来[34-35]作为潜在的肿瘤标志物 3 。 2.1 mRNA mRNA是由DNA的一条链作为模板转录而来 的、携带遗传信息的能指导蛋白合成的一类单链核 糖核酸。mRNA的研究策略是通过分析mRNA芯 片特征继而使用RT-PCR进行确证。 Tsouma等¨3 ]通过提取CRC患者的外周血 RNA并使用多重RT-PCR技术分析癌胚抗原 (CEA)、细胞角蛋白20(CK20)、表皮生长因子受体 (EGFR)mRNA的改变,发现其阳性率分别为 95.5 、78.4 和19.3 ,并且其与疾病分期及术 前CEA水平呈正相关。但目前关于mRNA和 CRC的研究资料不多,可能与芯片技术逐渐被新一 代测序技术取代有关。 2.2 microRNA microRNA是一类进化上保守的非编码单链小 RNA分子,长度约为18 ̄25个核苷酸,其最早是由 Lee等l3 于1993年在秀丽新小杆线虫中发现的。 microRNA通过与其靶mRNA上的互补序列的碱 基配对,进而引起转录抑制或mRNA降解_3 。可 以由一个microRNA调控多个目的基因的表达,也 可以由几个microRNA调节同一个基因的表达l4”j。 异常的microRNA表达可以作为早期肿瘤的诊断 标志物。 Michael等_4们于2003年最先分析了28种 microRNA在人CRC组织与正常黏膜组织中的差 异表达,发现miR-143和miR-145具有显著差异。 而Ng等l_4 于2009年首次使用实时PCR技术筛选 了CRC患者血浆中95种microRNA的变化,其中 miR 17—3p和miR-92显著升高,其敏感度为89 、 特异度为70 。至今为止,有多达数十种血浆中的 志2015午8月第35卷笫4期Int J DigDis,August 25,2015,Vol。35, : ・249・ microRNA被提出来作为CRC的肿瘤标志物,其敏 感度为68 ~91 、特异度为41 ~95 。在这些 microRNA中,原癌基因性microRNA如miR-17、 miR-21 miR-31 miR-92a、miR-106a、miR一106b1 miR-135a、miR-135b和miR-155的表达上调与 CRC相关,而抑癌基因性microRNA如miR-143、 miR_145 miR_148a、miR一148b和miR-215的表达下 调亦与CRC相关。另一方面,在CRC血循环中表 达上调的miR-15b、miR-17—5p、miR-18a、miR一142— 3p miR一195、miR-331 miR-532—5p miR一532—3p miR-652以及表达下调的miR-601、miR-760被认 为可以鉴别进展期腺瘤和CRC,并且miR一15b、 miR-17—3p、miR-18a、miR-20a、miR-21、miR-29a和 miR-92a都已被超过一个研究小组报道过。尽管如 此,仍有相当多的研究结果未被其他研究者所重 复,如Fahejskova等_4 J的研究并没有证实miR-17— 3p、miR-29a、miR-92a、和miR_135b可作为CRC的 肿瘤标志物。这些不一致的研究结果可能是由于 实验设计、患者来源以及实验条件不同引起的。因 此,将来需要确立标准的实验控制条件后进行更大 范围的多中心研究,才可能确定哪些microRNA可 以作为CRC肿瘤标志物。 2.3 lncRNA lncRNA为长度超过200 nt的RNA分子,其 不直接编码蛋白,而是以RNA的形式在多个层面 上调控基因的表达水平。lncRNA最初被认为是 “垃圾RNA”,但随着研究的深入,lncRNA成为近 年来生命科学研究的前沿和热点,其对基因的调节 及细胞的功能发挥着极其重要的作用¨4 ,尤其是在 肿瘤抑制及生成中的作用,因此lncRNA作为癌症 潜在的肿瘤标志物也越来越受到重视_4 。 目前仅有的研究都是以CRC组织作为标本。 如Ge等_4 ]研究发现,前列腺癌相关lncRNA转录 因子1在CRC组织中上调,但附近的正常组织为阴 性表达。Zhai等[ ]研究发现,长的基因间非编码 RNA—p21在CRC组织中表达上调,并且与肿瘤进 展相关。Ling等l4 发现lncRNA-CCAT2在CRC 组织中高度表达,并且可以促进肿瘤生长、转移和 染色体的不稳定。Kogo等_49]发现lncRNA- HOTAIR的表达在晚期CRC的组织中表达较高。 Xu等¨5o_则发现lncRNA-人肺腺癌转移相关转录因 子1(MALAT-1)在CRC组织中表达下调。鉴于 lncRNA在基因调控中的重要作用以及随着下一代 测序技术的进步及普及,将来会有更多的血循环 lncRNA和CRC相关研究出现。 3结语 早期筛查CRC是减少CRC发病率及病死率的 最有效手段。虽然目前最有效的筛查方法仍是结 肠镜检查,但考虑到其较低的受检率,迫切需要新 的筛查手段,其必须满足价格低廉、低风险、高敏感 度并且不需要繁琐的肠道准备等优点,才可以提高 公众尤其是高风险人群进行CRC筛查的意愿。通 过分析患者血液或粪便中DNA或RNA的变化,可 以有效寻找到高敏感度及特异度的早期CRC肿瘤 标志物。虽然在目前的研究中,这些肿瘤标志物尚 难以广泛应用于临床,但随着下一代测序技术的进 步及普及,相信可以寻找到更加特异的早期CRC肿 瘤标志物。 参考文献 1 Ferlay J,Shin HR,Bray F,et a1.Estimates of worldwide burden of cancer in 2008:GL0B0CAN 2008.Int J Cancer, 2010,127:2893 2917. 2 Beydoun HA。Bevdoun MA.Predictors of colorectal cancer screening behaviors among average-risk older adults in the United States.Cancer Causes Control,2008,19:339 359. 3 Deng SX,Gao J,An W,et a1.Colorectal cancer screening behavior and willingness=an outpatient survey in China.World J Gastroenterol,2011,17:3133—3139. 4 Levin TR,Corley DA.Colorectal—cancer age.N Engl J Med,2013,369:1164 1166 5 Schwarzenbach H,Hoon DS,Pante1 K.Cell-free nucleic acids as biomarkers in cancer patients.Nat Rev Cancer,201 1,1 1: 426—437. 6 Jahr S,Hentze H,Englisch S,et a1.DNA fragments in the blood plasma of cancer patients:quantitations and evidence for their origin ftom apoptotic and necrotic cells.Cancer Res,2001, 61:1659—1665. 7 Kaiser J.Medicine.Keeping tabs on tumor DNA Science, 2010,327:1074. 8 Feinberg AP,Vogelstein B.Hypomethylation distinguishes genes of some human cancers from their norma1 counterparts. Nature,1983,301:89—92. 9 Laird PW,Jaenisch R.DNA methylation and cancer.Hum Mo1 Genet,1994,3:1487—1495. 10 Jones PA。Baylin SR The fundamental role of epigenetic events in cancer.Nat Rev Genet,2002,3:4l5-428. 1 1 Sandoval J,Esteller M.Cancer epigenomics:beyond genomics. Curr 0pin Genet Dev,2012,22:50—55. 12 Gyparaki MT, Basdra EK,Papavassiliou AG. DNA methylation biomarkers as diagnostic and prognostic tools in colorectal cancer.J Mol Med(Ber1),2013,91:1249—1256. 13 Warren JD,Xiong W,Bunker AM,et a1.Septin 9 methylated DNA is a sensitive and specific blood test for colorecta1 cancer. BMC Med,2011,9:133. 14 Toth K,Sipos F,Kalmar A,et a1.Detection of methylated SEPT9 in plasma is a reliable screening method for both left—and right—sided colon cancers.PLoS One,2012,7:e46000. 15 Ned RM,Melillo S,Marrone ML Fecal DNA testing for Colorecta1 Cancer Screening:the ColoSureTM test.PLoS Curr, 2011,3:RRN1220. 16 Nakayama H,Hibi K,Takase T,et a1.Molecular detection of ・250・ 国际消化病杂志2015年8月第35卷第4期Int J Dig Dis,August 25,2【J15,Vo1.35,No.4 pl 6 promoter methylation in the serum of recurrent colorectaI cancer patients.Int J Cancer,20()3,105:491—493. 17 Lecomte T,Berger A,ginzindohoue F,et a1.Detection of free- circulating tumor-associated DNA in plasma of colorectal cancer patients and its association with prognosis.Int J Cancer,2002, 100:542 548. 18 Grady wM,Rajput A,Lutterbaugh JD,et a1.Detection of aberrantly methylated hMLH1 promoter DNA in the serum of patients with microsatellite unstable colon cancer.Cancer Res, 2001,61:900 902. 1 9 Oh T,Kim N,Moon Y,et a1.Genome wide identification and validation of a novel methylation biomarker。SDC2,for blood- based detection of colorecta1 cancer.J Mol Diagn,2013,15: 498—507. 20 Glockner SC,Dhir M,Yi JM,et a1.Methylation of TFPI2 in stool DNA!a potential novel biomarker for the detection of colorecta1 cancer.Cancer Res,2009,69:4691—4699. 21 Lind GE,Danielsen SA,Ahlquist T,et a1.Identification of an epigenetic biomarker panel with high sensitivity and specificity for coloreetal cancer and adenomas.Mo1 Cancer,201 1,1():85. 22 Ahlquist DA,Taylor WR,Mahoney DW,et a1.The stool DNA test is more accurate than the plasma septin 9 test in detecting colorectal neoplasia.Clin Gastroenterol Hepatol,2012,1【): 272—277. 23 Szymanska K,Lesi OA,Kirk GD,et a1.Ser一249TP53 mutation in turnout and plasma DNA of hepatocellular carcinoma patients from a high incidence area in the Gambia。West Africa.Int J Cancer,2004,1 10:374—379. 24 ehl F,Lj M.Dressman D,et a1.Detection and quantification of mutations in the plasma of patients with colorectal tumors. Proc Nat1 Acad Sci U S A,2005,102:16368 16373. 25 Diehl F,Schmidt K,Choti MA,et a1.Circulating mutant DNA to assess tumor dynamics.Nat Med,2008,1 4:985 990. 26 Gormally E,Caboux E,Vineis P,et a1.Circulating free DNA in plasma or serum as biomarker of carcinogenesis:practical aspects and biological significance.Mutat Res,2007,635:1 05— 117. 27 Chen XQ,Stroun M,Magnenat JL,et a1.Microsatellite alterations in plasma DNA of small cell lung cancer patients.Nat Med,1996,2:1033一1035. 28 HIbi K。Robinson CR,Booker S,et a1.Molecular detection of genetic alterations in the serum of eolorectal cancer patients. Cancer Res,i998,58:1405—14()7. 29 Kuo SJ,Chen M,Ma GC,et a1.Number of somatic mutations in the mitochondrial D-loop region indicates poor prognosis in breast cancer.independent of TP53 mutation.Cancer Genet Cytogenet,201(),201:94 101. 3【)HIhi K,Nakayama H,Yamazaki T,et a1.Detection of mitochondrial DNA alterations in primary tumors and corresponding serum of colorectal cancer patients.Int J Cancer, 20()1,94:429—431. 31 Hasselmann IX),Rappl G,Tilgen W,et a1.Extracellular tyrosinase mRNA within apoptotic bodies is protected from degradation in human serum.Clin Chem,2001,47:1488 1489. 32 Kopreski MS,Benko FA,Kwak LW,et al_Detection of tumor messenger RNA in the serum of patients with malignant melanoma.Clin Cancer Res,1999,5:1961—1965. 33 Cortez MA,Bueso—Ramos C,Ferdin J,et a1.MicroRNAs in body fluids the mix of hormones and biomarkers.Nat Rev Clin Oncol,201i,8:467 477. 34 Sourvinou IS,Markou A,Lianidou ES.Quantification of circulating miRNAs in plasma:effect of preanalytical and analytical parameters on their isolation and stability.J Mol iDagn,2013,15:827 834. 35 Mitchel1 PS,Parkin RK,Kroh EM,et a1. Circulating microRNAs as stable blood—based markers for cancer detection. Proc Natl Acad Sci U S A,2008,105:10513—10518. 36 Shen J,Stass SA,Jiang F.MicroRNAs as potential biomarkers in human solid tumors.Cancer Lett,2013,329:125—136. 37 Tsouma A,Aggeli C,Lembessis P,et a1.Multiplex RT PC1 based detections of CEA.CK20 and EGFR in colorectal cancer patients.World J Gastroenterol,201(),16:5965 5974. 38 Lee RC,Feinbaum RL,Ambros V.The C. elegans heterochronic gene 1in_4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin 1 4.Cell,1 993,75:843 854. 39 O Hara SP,Mott Ji ,Splinter PL,et a1.MicroRNAs:key modulators of posttranscriptional gene expression. Gastroenterology,2009,136:1 7—25. 40 Sayed D.Abdellatif M_MicroRNAs in development and disease.Physiol Rev,201 1,91:827—887. 41 Michael MZ,O Connor SM,van Holst Pellekaan NG,et a1. Reduced accumulation of specific microRNAs in colorectal neoplasia.Mol Cancer Res,2003,1:882 891. 42 Ng EK。Chong WW。Jin H,et a1.Differential expression of microRNAs in plasma of patients with colorectal cancer:a potential marker for colorectal cancer screening.Gut,20()9,58: 1375 1381. 43 Fahejskova P,Bocanek O,Sachlova M,et a1.Circulating miR一 17—3P,mi1 29a,miR一92a and mi1 135b in serum:Evidence against their usage as biomarkers in colorectal cancer.Cancer Biomark,2012,12:199 204. 44 Atkinson SR,Marguerat S,Bahler J.Exploring long non- coding RNAs through sequencing.Semin Cell Dev Biol,20l 2, 23:200—205. 45 ShiX,Sun M,Liu H,et a1.Long non coding RNAs:a new frontier in the study of human diseases.Cancer Lett,201 3, 339:159—166. 46 Ge X,Chen Y,Liao X,et a1.overexpression of long noncoding RNA PCAT 1 is a novel biomarker of poor prognosis in patients with colorectal cancer.Med 0ncol,2()13,3():588. 47 Zhai H,Fes1er A,Schee K,et aL C1inica1 sign-ficance 0f long intergenic n0nc。ding RNA p21 in co1orectal cancer. CIin Colorectal Cancer,2013,1 2:261—266. 48 Ling H,Spizz。R,Atlasi Y,et al_CCAT2,a nove1 noncoding RNA mapping t0 8q24, underlies metastatic progressi0n and chromosoma1instabmty in co1on cancer. Genome Res,2()13, 23:1446 1461. 49 Kogo R,Shimamura T,Mimori K,et al_Long noncodir堰RNA H0TAIR regulates polycomb—dependent chr。matin md.fication and is associated with poor prognosis in colorecta1 cancers. Cancer Res,2()1 1,71:632O一6326. 5()Xu C,Yang M,Tian J,et aL MALAT 1:a long n0rrcoding RNA and its imDortant 3 end functionaI motif in c01orectal cancer metastasis.Int J 0ncol,2(】11,39:169—175. (收稿日期:2()14()8 14) (本文编辑:林磊) 

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