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美国巴罗神经学研究所关于成人恶性胶质瘤遗传学的研究

编辑:INC|发布时间:2019-10-25 16:38|点击次数:

  癌症的技术进步和遗传性增加了我们对与胶质瘤相关的遗传畸变的理解。癌症遗传已经为永生化细胞,允许其不受控制的增殖以及入侵和调节局部细胞环境所需的多个步骤提供了见识。胶质瘤同样会在多个步骤中发展。从这些新发现中,正在发展的肿瘤的模型中,其中遗传损伤与特定的肿瘤类型和病理等级相关。以下是美国巴罗神经学研究所关于成人恶性胶质瘤遗传学的研究。

  弥漫性星形细胞瘤

  弥漫性星形细胞瘤是成人和儿童中最常见的神经胶质瘤类型。然而,成人和小儿肿瘤除组织学外还表现出若干显着差异。首先是对大脑中不同位置的偏爱。成人脑肿瘤倾向于在皮层,皮层下和基底神经节区域上上皮发展。相比之下,约60%的小儿肿瘤在小脑,脑桥和脑干内在下颌骨发展。特定肿瘤类型的发生率也有所不同。星形细胞肿瘤,少突胶质细胞瘤和室管膜瘤在成人中最常见,而毛细胞星形细胞瘤和原始神经外胚层肿瘤(PNET)在儿童中更常见。

  成人和儿科恶性肿瘤对治疗的反应也有所不同。广泛切除,放疗和化学疗法仅能中等程度地改善恶性中枢神经系统(CNS)肿瘤患者的生存率。小儿肿瘤对治疗尤其是对化疗的反应更趋于敏感。这种不同的反应性可能反映了成年和小儿肿瘤的生物学差异,即使它们看起来具有相同的组织学类型和等级。因此,需要确定在肿瘤类型内以及在成年人和小儿脑肿瘤之间是否存在替代的进化途径。

少突胶质细胞瘤

  图1.图表说明了正常大脑,星形细胞瘤的渐进形式(II级至IV级)以及相关的遗传病变。GBM =多形胶质母细胞瘤

  星形细胞瘤

  通常,星形细胞瘤(II级肿瘤)发生在20至40岁之间的个体中。它们往往生长缓慢,但由于其侵袭性质量和位置而无良性。纤维状星形细胞瘤可发生在大脑的任何地方,但在脑半球最为普遍。他们的组织学缺乏核非典型性和有丝分裂活动。由于组织的可用性,难以研究低度肿瘤。穿刺活检常用于诊断。切除后,这些肿瘤通常是正常反应性细胞和肿瘤细胞的混合物。正常细胞与肿瘤细胞的比例可以极大地影响实验结果。肿瘤也可能是不同组织学等级的肿瘤的混合物。

  星形细胞肿瘤的细胞遗传学在其他地方进行了广泛的综述。结构异常很少见,但观察时涉及1p和9p153染色体。

  突变和等位基因缺失(在特定位点丢失一个或两个基因)已成为通过分子分析检测到的主要遗传损伤。恶性神经胶质瘤形成的早期事件之一涉及染色体17p的突变或等位基因缺失(图1)。

  17p中的靶基因是TP53基因。在人类肿瘤中已描述了200多个突变。该基因在启动和进展中可能都很重要。TP53基因脑特异性突变似乎不存在。TP53基因中的大多数DNA损伤都发生在所谓的“热点”中。

  在超过三分之一的星形细胞瘤中发现了突变型TP53。通过消除细胞凋亡或增加基因组的不稳定性,在低度星形细胞瘤的发生中可能很重要。有趣的是不同年龄组中TP53异常的发生率。TP53突变似乎在18岁至40岁中期的患者中更为常见(44%),而在老年患者中(9%)。因此,年轻患者中TP53突变可能遵循与老年患者不同的进化途径。关于多形胶质母细胞瘤(GBM)的部分将详细讨论这种现象。

星形细胞瘤

  图2.视网膜母细胞瘤基因(RB)抑制了G0 / G1 S的细胞周期进程,几种正负调节剂控制着该基因。尽管此图仅代表影响细胞周期的许多基因中的一个,但它展示了多个基因如何参与单个途径以及任何一个基因的去调控如何产生相似的表型。阴影块显示抑制。实线箭头显示负责激活的基因。带有虚线箭头的方框显示了基因的染色体位置。所有这些染色体区域都是涉及染色体异常的区域。WAF是CDKN1的备用名称,而MTS1和p16是CDKN2的旧名称。

  在星形细胞瘤中重要的第二个基因家族包括血小板衍生的生长因子A和B(PDGFA和PDGFB)以及PDGF受体a和b(PDGFR-a和PDGFR-b)(图1)。PDGFA和B链二聚化以形成AA,BB或AB同二聚体或异二聚体。受体PDGFR-a与AA和AB结合,而PDGFR-b与BB结合。在星形细胞瘤中,A链和a受体主要过表达。这一发现很有趣,因为在星形细胞瘤中发现的最常见的染色体异常涉及染色体的非整倍性。生长因子及其受体表达的变化也可能引发局部环境变化,从而开始刺激血管生成。PDGFR的过表达还与17p杂合性的丧失有关。尽管这些事件的确切性质尚不清楚,但PDGF及其受体显然在肿瘤进化中起作用。

  在约30%的星形细胞瘤中,已经在22q.号染色体上鉴定了等位基因缺失。这种遗传缺失的可能候选者是NF-2基因,但是对该基因在所有等级的神经胶质瘤中的广泛分析未能在22q染色体上的等位基因缺失与NF-2基因的端粒更多,但涉及的一个或多个基因尚未确定。

  间变性星形细胞瘤

  间变性星形细胞瘤被认为是从低度星形细胞瘤发展而来(图1)。尽管没有明确定义的组织学标准将星形细胞瘤与间变性星形细胞瘤区分开,但后者的特点是细胞密度高,有丝分裂活性高,早期或局部对比增强,并具有高度的核多态性。核-细胞质比率也增加了,但星形胶质嗜酸性细胞质和过程的存在仍然证明了星形胶质细胞的特性。

  间变性星形细胞瘤在年轻和老年患者中均发生,但它们的发病率在50岁中期达到峰值。像星形细胞瘤一样,第7号染色体的增益是最常见的数字像差。19号和20号染色体也倾向于代表过多,而最常丢失的染色体是10号,22号染色体和一个单性染色体。在间变性星形细胞瘤中,得失的模式和结构异常的数量更为突出。大多数断点出现在1号,3号和9号染色体的p臂上(1p32、1p36、3p21、9p21和9p22),在6号和7号染色体的6臂(6q21和7q22)中具有相似的簇,偶尔在5p13、15q11号染色体上,17p11和19q12。

  30%至40%的间变性星形细胞瘤除等位基因缺失,PDGF和PDGF受体过表达以及等位基因缺失外,还有TP53基因突变(17p13.1),标记从星形细胞瘤向间变性星形细胞瘤过渡的变化涉及9p,11p,13q和19q的等位基因缺失。与9号染色体和13号染色体相关的变化是该肿瘤进化的重要步骤,因为目标基因是控制细胞周期关键步骤的蛋白质。

  在这种情况下,一个关键基因是位于染色体13q14上的视网膜母细胞瘤基因(RB)。该基因编码的蛋白质是细胞周期中抑制G0 / G1S期过渡的检查点(图2)。当Rb1蛋白被CDK4 / CDK6或CDK2磷酸化时,它会失活并且不再抑制G1?S。CDK4 / CDK6和CDK2基因由正(细胞周期蛋白D1和E)和负(CDKN2 / p16或p21蛋白)调节子控制。这些基因或通路上游基因的失调可能会导致类似的细胞周期失控。

  对CDKN2 / p16和p21发挥控制作用的上游基因的功能也可能异常(图2)。例如,在p53蛋白控制下的CDKN1 / WAF1基因的激活导致p21蛋白的产生。野生型p53蛋白可以通过癌基因MDM2的扩增来抑制,也可以通过c-myc上调(图2)。因此,导致Rb1蛋白抑制的事件级联由多个基因控制。如果任何一个基因不能正常运行,则细胞周期将继续受到控制。实际上,在此细胞周期途径关键步骤中不止一个DNA损伤可能是罕见的。然而,有可能使用两种不同的标记来确定细胞周期内的异常。例如,抑制剂(例如CDKN2 / p16)和增殖性标记Ki-67的等位基因损失的比较显示出明显的关系。当抑制剂CDKN2 / p16纯合缺失时,增殖相应增加。

  并非所有的放松调节都与遗传物质的等位基因丢失有关。多项研究已经确定了12号染色体(12q13-14)上的一个区域,该区域在15%的世界卫生组织III级(间变性星形细胞瘤)和IV级(GBMs)肿瘤中被扩增。许多基因定位于该区域。两种分子(即MDM2和CDK4)经常被扩增,并可以调节细胞周期(图2)。MDM2编码与p53抑癌基因产物复合并抑制其功能的细胞蛋白。胶质瘤中TP53很少丢失或突变,因此可以逃脱TP53介导的生长调节。

  尽管尚未发现推定的抑癌基因,但已观察到染色体19q13.2-13.3上的等位基因缺失。该基因似乎是神经胶质瘤所特有的,是星形细胞肿瘤,少突胶质细胞瘤,和少星形胶质细胞瘤(如下所述)。正在积极研究从该染色体区域克隆的几个候选基因。

  在1.153号染色体上也发现了多个缺失和重排。最近对该染色体的分析发现了TP53基因的一个家族成员。跨越1p36-p32的区域(一个涉及许多缺失和易位的位点)表现出频繁的等位基因缺失。尽管间变性星形细胞瘤的样本很小,但在该区域检测到等位基因缺失。这一发现表明,新的p73基因在DNA结合区域与TP53有63%的同源性,其功能与TP53相似。

  被鉴定为具有等位基因缺失的其他染色体包括11p15?pter39,159染色体和3p21.73染色体。必须分析更多的间变性星形细胞瘤以确定这些发现的重要性。

  胶质母细胞瘤

  GBM是星形细胞肿瘤中最恶性的。确诊该患者的平均生存时间约为1年(图1)。GBM高度浸润,除有丝分裂活动和坏死外,还以未分化成分为主要特征。血管增殖以及高溴脱氧尿苷/ Ki-67标记指数也可能很明显。尽管该肿瘤的遗传不稳定会产生大量多样的遗传变化,但恶性星形细胞胶质瘤会发展出与进展相关的几种非随机染色体变化。最常见的数字染色体变化涉及染色体7和20的增加和染色体10的丢失, 以及在其他地方回顾过的单个性染色体。GBM中20号染色体的获得比间变性星形细胞瘤的获得更多。一般来说,GBM约占所有颅内肿瘤的50%。与星形细胞瘤相比,组织的可获得性影响较小,并且已针对该肿瘤产生了大量分子数据。TP53突变和/或等位基因缺失的频率在GBM中与间变性星形细胞瘤和星形细胞瘤中的频率大致相同。这一发现支持以下假设,即该DNA损伤是神经胶质瘤进化的早期变化。TP53突变作为复发性肿瘤中的优势细胞群体的克隆扩增进一步支持了这一假设。

  其他重要的DNA损伤与7号染色体的获得有关。编码表皮生长因子受体(EGFR)和PDGFA A链的基因分别位于7p13-p11和7q11-q13的7号染色体上。这两个基因都在GBM中被扩增或过表达。超过一半的具有EGFR扩增的GBM也对该基因进行了重新排列。这种EGFR的突变形式在EGFR中具有高水平的酪氨酸激酶活性。缺乏EGF配体,基本上使该受体处于“开启”自分泌模式。

  图3是生长因子和生长因子受体信号传导如何影响细胞增殖的假想形式。已确定几乎所有已知刺激细胞分裂的生长因子均在GBM细胞系和新鲜组织中异常表达。生长因子,例如PDGFA,PDGFB,EGF,转化生长因子-a和-b(TGF-a和TGF- b)VEGF,胰岛素样生长因子(IGF-I和IGF-II),bFGF及其受体是机体在正常发育,身体机能和病理学过程中必不可少的成分。这些生长因子中的大多数具有酪氨酸受体激酶活性。该激酶将磷酸基团添加到受体的细胞内结构域,并激活它以引发使细胞分裂的信号级联。这些因素中的一种或多种在神经胶质瘤中的异常功能被认为是失去对生长刺激途径的控制的主要原因之一。鉴定染色体10q23.3上的抑癌基因(PTEN / MMAC-1,磷酸肌腱/突变于多种晚期癌症-1)进一步证实了这一假说。

  图3.图示了几种生长因子的异常表达如何通过激活转录来影响生长刺激途径。肿瘤细胞显示EGF和PDGF的受体扩增,而FGF和IGF的扩增频率较低(未显示)。EGF受体(EGFR)可以结合TGF-α或其正常配体EGF。通常,TGF-α仅由肿瘤细胞产生。虚线箭头表示一旦受体被激活,它们就会向细胞核发送第二个信使,以激活产生特定mRNA的转录因子,从而触发细胞分裂。

  在细胞遗传学分析的GBM中,约有50%发现了整个10号染色体的明显丢失。10p和10q染色体上的等位基因缺失发生在多达60%至90%的神经胶质瘤中。18,37,67,123PTEN / MMAC-1基因编码酪氨酸磷酸酶,该分子的相反的酶活性会去除磷酸基团。在编码受体酪氨酸激酶活性的基因中,神经胶质瘤中经常有两个(EGFR和PDGF)异常。EGFR可以结合其配体EGF和TGF-α(图3)。由于该受体是GBM中最频繁扩增的基因,因此与扩增相关的EGFR过表达可能会超过PTEN / MMAC-1基因产物的正常负调控。

  相比之下,具有纯合缺失,突变或两者兼有的GBM细胞将具有失活的PTEN / MMAC-1基因,该基因将完全消除负调节活性。PTEN / MMAC-1基因产物的突变或缺失几乎仅限于无论是否扩增EGFR,GBMs 122,184和这些畸变似乎都以相同的频率发生.83因此,除了PTEN / MMAC-1.1之外,第10号染色体上可能还存在其他抑癌基因,约有30%至50%的神经胶质瘤也有缺失EGFR.101细胞外结构域的缺失。这种缺失导致截短的受体具有组成性活性,其中信号不断发送至细胞核以启动增殖。

  图4.图显示了与人类神经胶质瘤有关的自分泌和旁分泌机制。每种生长因子均可引发自分泌,旁分泌和/或外分泌影响,从而刺激正常星形胶质细胞和肿瘤星形胶质细胞。刺激行为还影响内皮细胞,平滑肌和脑膜细胞。

  PDGF及其受体与EGFR的不同之处在于它们几乎没有突变。然而,大多数GBMs至少会过表达至少一条PDGF链及其各自的受体,最常见的过表达形式是PDGFA链和PDGF-a受体(图3)。PDGF-a受体可以结合所有这三个亚型,表明这种生长因子的自分泌环形成(图4)类似于EGFR的自分泌行为。免疫组织化学和原位杂交表明,PDGFA链和PDGF受体在肿瘤细胞中优先表达,而PDGFB链和PDGF-b受体在肿瘤内的内皮细胞中高度表达。正常脑组织表达PDGF-b受体和PDGFA链;然而,其他类型的基因在GBM中也异常,可能有助于其恶性和侵袭性表型。这些基因如何完成这项任务尚未确定。与不同等级的神经胶质瘤相关的遗传损伤的清单继续增加。几位研究者认为,多种途径可导致GBM的形成。他们得出结论,即使在组织病理学上无法与其他神经胶质瘤区分开来,GBM仍可根据遗传缺陷加以区分。

  一种途径是逐步从低级逐步发展为恶性间变性星形细胞瘤,最后发展为GBM。与该途径相关的突变将包括等位基因缺失17p或TP53突变和PDGF激活,等位基因22q(星形细胞瘤)丢失,然后等位基因13q,9p和19q(间质星形细胞瘤)丢失(图1)。表现出这些异常特征的神经胶质瘤很少有EGFR扩增或染色体10.181丢失。这种进行性途径产生了一些研究者所称的继发性或1型GBMs。被诊断为患有这种进行性肿瘤的患者倾向于年轻(平均年龄39岁)并且患有最初诊断时患有恶性肿瘤。

  相反,第二种途径代表GBM,它们是从先前存在的肿瘤中重新产生或迅速产生的。EGFR扩增和10号染色体上的等位基因缺失是该途径的标志(图1)。这些肿瘤通常与年龄较大的患者(平均年龄55岁)相关,无低级肿瘤病史。这些肿瘤被认为是原发性或2型GBMs。除了EGFR和10号染色体上的等位基因缺失,MDM2基因产物也似乎仅限于原发性新生途径。第三种途径是由于缺少17p等位基因丢失或TP53突变或EGFR扩增。

  尽管需要更多的数据来阐明这些途径,但是遗传标记可能能够区分这些子集。例如,数据有力地支持了从低度肿瘤发展而来的GBM TP53突变的比例很高(67%),而EGFR扩增的频率较低或不存在。这些途径也可能与性别差异有关,并且可能对特定疗法的反应不同。目前正在进行调查,以确定在这些神经胶质瘤子集中鉴定出的遗传损伤是否具有预后意义。

  结论

  目前,没有单个染色体异常清楚地定义任何一种类型或等级的脑肿瘤。大约60%的星形细胞肿瘤中存在最常见的异常现象(第7号染色体的过度表达)。但是,尚不清楚缺乏这种异常的肿瘤是否代表星形细胞瘤的不同子集,或者它是否反映了遗传不稳定性,该遗传不稳定性偶然将人类染色体分类,从而为细胞提供了选择性的生存优势。评估DNA的变化后,观察到变化的模式。显然,在肿瘤进展期间发生了一系列的逐步激活和基因丢失,这些变化似乎是不同类型的脑肿瘤。尚不清楚肿瘤是如何开始的。已知诸如TP53等关键基因的遗传变化是早期变化。但是,并非所有肿瘤随着新的遗传异常的定义,每种都有可能成为治疗靶标。当然,由于已经定义了此类异常,因此新药和基因疗法得到了扩展。这些新策略与过去的策略不同,它们专门针对肿瘤细胞,同时保留了正常的脑组织。

  遗传性病变也提供了用作诊断和预后的标志物的潜力,尤其是在遗传性癌症(如神经母细胞瘤)中。这种进步还处于起步阶段。然而,这项技术具有巨大的潜力,并将在不久的将来成为医疗技术的一部分。

  资料来源:https://www.barrowneuro.org/education/grand-rounds-publications-and-media/barrow-quarterly/volume-14-no-2-1998/genetics-adult-malignant-gliomas/

INC世界神经内镜手术大师,法国froelisch教授

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