腫瘤基因組學又稱癌症基因組學是基因組學中一門新興的子學科，主要是透過高通量測序技術來將基因與癌症關聯起來的學問。腫瘤是一種由 DNA 變異不斷累積而導致細胞發生不受控激增並形成新生物的疾病。腫瘤基因組學的主要目標是透過鑑定新的原癌基因或者抑癌基因來為腫瘤診斷、腫瘤臨床結果預測和腫瘤靶標治療提供新的方法。腫瘤基因組學的應用導致了諸如伊馬替尼、曲妥珠單抗和安維汀等的腫瘤靶標治療的成功。 thumb500px 腫瘤基因組學的整體目標。 除了理解和找出腫瘤產生和發展的遺傳學機制外，腫瘤基因組學最主要的目的是為了開發腫瘤個性化治療的方法。腫瘤的產生是由於 DNA 變異的累積。但這些變異是隨機產生的，甚至在相同型別的腫瘤個體間變異的種類和組合都不相同。所以能夠識別和定位病人個體的獨特變異可能會提高腫瘤的治療效果。 人類基因組計劃的完成在很大程度上加速了腫瘤基因組學的發展，讓研究人員可以更容易的定位引起腫瘤的基因。另外，測序技術的發展也讓研究院可以獲取基因測序資料，研究腫瘤基因組學的測序資料分析方法也逐步建立起來。隨著大量的腫瘤基因組學研究工作的展開和隨之而來的大量變異資料的積累，預計在十年後引起腫瘤的主要變異、重排和表達水平差異都會被較好的描述和記錄下來。腫瘤研究不會僅僅關注基因組水平的變異，同時還會關注表觀遺傳水平上的甲基化和組蛋白修飾變化，轉錄組上的基因表達差異或者蛋白組上的腫瘤細胞的蛋白濃度和功能情況。總之，腫瘤基因組學專注在研究腫瘤細胞在基因組，表觀組和轉錄組水平的變化。 歷史 隨著 20 世紀 90 年代很多組織 DNA 序列的測定，基因組學逐漸建立起來。到了 21 世紀，人類基因組計劃在 的完成為很多在基因組功能和疾病基因方面的研究鋪平了大道。腫瘤便是是其中的主要研究物件之一。 為什麼能夠進行腫瘤基因組測序對腫瘤研究至關重要的原因有如下幾點： 在腫瘤基因組中的變異是腫瘤疾病引起的直接原因，同時腫瘤的表型也由這些變異來決定。 由於能夠獲取腫瘤病人的腫瘤組織和正常組織，根據絕大多數變異都是體細胞變異的事實，我們便可以聯合確認導致腫瘤的變異。 在腫瘤中，基因組上的變異並不是一成不變的，在一些腫瘤情況中會隨著腫瘤階段、轉移以及抗藥作用發生改變。 在 2008 年第一個腫瘤基因組由 Timothy J Ley et al 測出。 這次研究測序了一個典型急性髓性白血病患者的腫瘤基因組以及病人表皮的正常細胞基因組。研究人員透過對腫瘤和正常基因組測序資料的比較找到了 10 個基因包含了如下變異： 其中兩個變異在之前就被認為對腫瘤發展有促進，分別是： FLT3 受體酪氨酸激酶基因的內部串聯重複，其結構性啟用激酶發射訊號，並與不良預後相關。 NPM1 基因（NPMc）第 12 個外顯子上的四鹼基插入 以上二者常見於白血病（約 2530），且都被認為是有助於白血病的發展，而非直接導致白血病的發生。 剩餘八個變異是新的變異，且都是單鹼基突變： 四個變異發生在同一個家族，後者與腫瘤發生強相關（PTPRT CDH24 PCLKC and SLC15A1） 其餘四個變異未見於已知的與癌症發生相關的基因，但在那些與促進腫瘤發展相關的代謝通路上有潛在功能 KNDC1 GPR124 EB12 GRINC1B。 以上這些基因都位於促進腫瘤發生的通路中，但在本次研究之前，基於腫瘤基因的優先考慮，它們中的多數都不會被選作治療的靶向基因。所以本次研究的結果也展示了用腫瘤全基因組測序技術來鑑定體細胞突變的重要性，以及對病人正常基因組的平行測序來確定哪些突變 變異是遺傳的，哪些是獲得的。這項技術在鑑定真正的體細胞突變方面十分重要。 相關技術 癌症細胞的基因組與轉錄組的研究以下面先端技術為基石。 癌症基因組 高通量 DNA 測序技術：透過焦磷酸測序實現的高通量 DNA 測序平臺已在這幾年內大大的改變基因組學的發展。這些系統產生的測序資料價格相對低廉，已成為眾多腫瘤基因組研究者的必備工具。 ：這種技術測量了不同基因組的 差異。這種方法可以用來得到癌症基因組上相較於正常基因組的基因獲取／缺失。陣列比較基因組雜交技術測量微陣列晶片上已知探針雜交的 DNA 樣本的熒光強度，透過熒光強度的比值量化癌症基因組的複製數變異。 代表性寡核苷酸微陣列分析：這也是一種利用微陣列偵測複製數變異的技術，利用限制酶剪下後的基因組片段擴增後的結果代表癌症基因組，這些片段與陣列上的人類基因組寡核苷酸雜交，解析度大約是每 30 到 35 KB 一個數據。 數位核型分析：又是另一種高解析度、高通量量化樣本里基因複製數的方法。將樣本 DNA 利用限制酶剪下後的基因組片段，與 相連、擴增之後再測序。將這些序列對映到即可量化基因組 DNA 增強或是刪除的區域。 細菌人工染色體 end 測序：這是另一種在腫瘤基因組學使用的高解析度找出染色體斷點位置的方法。使用癌症基因組建 BAC 庫之後將這些序列進行尾端測序。帶有染色體異常的 BAC 庫的尾端序列會有無法對映到參考基因組尾端序列的情形，在這種情況下癌症基因組上有染色體斷點的情形、所在基因即可被量化。 癌症轉錄組 微陣列：微陣列仍然為界定腫瘤細胞中轉錄大小最有力的工具。轉錄組在分類不同種類的癌症與預測癌症的預後上提供了多種方法，並使得根據癌症種類決定治療方法的思路成為可能。透過高通量測序技術直接為腫瘤組織的轉錄組進行測序也可以幫助研究人員找出發生在編碼區域的突變。 另外，轉率組各種可能的可變剪下結果的相對大小也成為腫瘤研究的重要組成：科學家已發現某些剪下形式與特定的癌症型別相關。在這種發現的影響下，得以量化可變剪下形式的新世代外顯子陣列技術與其他轉錄組測序技術已成為腫瘤基因組學的重要部分。 生物資訊學與腫瘤基因的功能分析 在測序與表達資料量逐漸增大的現在，生物資訊學的發展已成為關鍵。另外，在各種腫瘤基因已經被發現的現在，對於這些基因的功能描述與這些基因整體如何產生癌症表型的研究仍未完成。舉例來說，檢驗腫瘤基因的轉化能力即可確認這些腫瘤基因對於腫瘤形成有作用。另外，腫瘤細胞有各種 DNA 突變，找出哪些基因在腫瘤形成與發展的早期有關鍵作用也是件重要的研究工作。在這些基因中找到突變會是未來癌症診斷並找出治療方法中最關鍵的步驟。 操縱子組 腫瘤基因組學中的操縱子組研究是將基因組、轉錄組、蛋白質組結合，以得到腫瘤發展的完整分子機制為目標的一種方向 。操縱子組研究同時對腫瘤組織樣本里的 DNA、RNA 與蛋白質進行分析，會是各種分析腫瘤細胞的技術不斷積累、進步之後，往後癌症研究的最終目標。 比較腫瘤基因組學 比較腫瘤基因組學是腫瘤基因組學的一個分支，比較腫瘤基因組學透過跨物種的基因組比較來鑑別癌基因。這種研究包括對其他模式生物（如小鼠）的腫瘤基因組、轉錄組和蛋白組的研究，從而鑑別潛在的癌基因，然後將研究結果轉化到研究人類腫瘤樣本中，來鑑別這些基因的人類的同源基因在人類腫瘤發生扮演者重要的角色。最近的研究發現小鼠模型中基因突變與人類腫瘤相似。腫瘤基因組學的這一支可以將對某些模式動物的研究成果應用到其他物種中。這些模型透過多種方法產生，包括逆轉錄病毒引發的基因突變和癌細胞的轉移種植。比較腫瘤基因組學是癌基因鑑別的一個好方法。 聯合致命性／條件遺傳學 腫瘤基因組學研究的一個方向是透過利用腫瘤細胞的基因突變這一異常來製造有效的腫瘤的治療方法，這以方向展示了良好的前景。是合成針對腫瘤基因突變位點的藥物。常見的癌基因可能對所有細胞（不僅是腫瘤細胞）的生存都至關重要。所以，針對這些基因的藥物可能產生強烈的副作用，比如腫瘤化療藥物可能直接引發其他嚴重疾病。為了製造更加安全的腫瘤靶向藥物，科學家現在系統性地評估抑制人類基因組中每一個基因的影響 每次抑制一個基因與研究認為為癌基因的突變結合。 這種研究透過利用僅存於腫瘤細胞的突變尋找腫瘤的靶向療法。如果敲除那些對於正常細胞是無用或影響很小，而對攜帶了給定癌基因的腫瘤細胞是致命的基因，那麼這些非必需基因在人類整體的抑制可以摧毀腫瘤細胞，同時最大程度的保護正常細胞。（這裡的 合成藥物 即描述了這種協同效應）在尋找腫瘤靶點和開發藥物中這種方法已經初見成效。比如：PARP1 抑制劑可以靶向地針對 BRCA1BRCA2 相關腫瘤。在這個例子中，PARP1 的抑制和腫瘤相關的 BRCA 基因突變同時出現對這些腫瘤細胞是致命的。這項技術的臨床 Ⅰ 期試驗表明此方法有希望應用於 BRCA1 或 BRCA2 突變的患者。臨床 Ⅱ 期實驗現在正在進行中。 腫瘤研究的資料庫 大量存有腫瘤基因組資料的資料庫可供腫瘤研究者使用。腫瘤基因計劃就是這樣的一項為了發現腫瘤細胞內基因內的突變的計劃。為了達成這一目標，他們為原發腫瘤和腫瘤細胞系的外顯子和 flanking splice junctions 進行測序。這些研究資料展示，儲存在 COSMIC 。截至到 2008 年 2 月，腫瘤基因計劃在 1848 個腫瘤標本中發現 4746 個基因和 2985 個突變。 美國腫瘤研究院下屬的 Cancer Genome Anatomy Project 腫瘤基因組圖譜計劃 也儲存了大量腫瘤基因組、轉錄組和蛋白組的研究資料。Progenetix 是另一個癌細胞參考資料庫，其展示了腫瘤的細胞遺產學和細胞分子遺傳學。Oncomine 有編輯整理過的腫瘤轉錄組資料。 腫瘤基因組學綜合資料庫（The Integrative Oncogenomics database IntOGen，IntOGen）整合了用組織分類的多維的人類腫瘤基因組學資料，其中組織名符合 ICDO 命名規範。。IntOGen database 使不同變異型別（如基因表達，CNV）的資料探勘稱為可能。 國際腫瘤基因組聯盟 International Cancer Genome Consortium 是目前收集人類腫瘤基因組資料的最大的專案。這些資料可以透過 ICGC website 訪問。BioExpress Oncology Suite 有原發性腫瘤、轉移性腫瘤、良性腫瘤和正常組織（包括癌旁組織）的基因表達資料。這個資料庫包含了非常有價值的血液細胞惡性腫瘤樣本。 針對模式生物的資料庫一樣存在，比如 Retrovirus Tagged Cancer Gene Database RTCGD 收錄了大鼠腫瘤中逆轉錄病毒和轉座子插入引發的基因突變。 腫瘤基因組學的新進展 整個基因家族的突變研究已經成為腫瘤基因組學的一個強大的工具，這帶來了很多的進展。可以透過相似的序列和蛋白結構域來判定基因家族，同一個基因家族的基因擁有相似的功能，經過系統性地對腫瘤基因組中的這些基因測序，可以發現與腫瘤發生相關的訊號通路。已經研究過的這種基因家族是蛋白激酶家族（其作用是給蛋白質新增磷酸基團）和磷酸酶基因家族（其作用是移除蛋白質的磷酸基團）。這些基因家族被首先研究是因為其參與了細胞生長和死亡的訊號傳導。特別的，超過 50 的結直腸癌中可發現超過一種磷酸激酶或磷酸酶突變。結直腸癌、乳腺癌、胃癌、肺癌和其他多種癌症的基因突變常見於 PIK3CA（Phosphatidylinositold 3kinases）基因。多種開發中的藥物就是抑制 PIK3CA。另一個例子是 2004 年發現的 BRFA 基因，這是發現與黑色素瘤相關的第一個基因。BRAF 編碼了絲蘇氨酸激酶（其參與了 RASRAFMAPK 訊號通路），他們發現 BRAF 的突變將導致組合磷酸化和活性變化，這在 59 的黑色素瘤都可發現。BRAF 發現之前，黑色素瘤的發生發展的遺傳學原理，所以，患者的預後很差。之後 CGP 開始研究黑色素瘤的相關基因，最後，他們發現 BRAF，現在 BRAF 是腫瘤治療的新靶點，已有相關臨床研究資料。 線粒體 DNA 突變與腫瘤的關係 最近研究發現，線粒體 DNA 突變和腫瘤的發生之間存在著一定聯絡。以下是四種已被鑑定的線粒體 DNA 突變型別： 1 點突變 在癌細胞線粒體 DNA 的編碼區及非編碼區都已被觀察到點突變的存在。在膀胱癌、頭頸癌和肺癌患者中，編碼區的點突變表現出了同質性（與其他患者相似）。這預示著，當一個正常細胞轉化為癌細胞時 例如經歷致瘤性轉化，其線粒體是向著相同方向變化的。另一方面，非編碼區的點突變也表現出了一致性。癌細胞線粒體的 DNA 控制區的突變可能也是某些腫瘤中的重要特徵。 2 缺失 由於突變區域較小（ 1kb ），缺失突變被檢測到的頻率並不高。在多種癌症中發生的某些特定的線粒體 DNA 突變 如線粒體複合物 1 的亞基基因 ND1 上發生的 264bp 缺失及 66bp 缺失 預示著小型的線粒體 DNA 缺失可能發生在腫瘤發生的早期。這也預示著，隨著腫瘤發生的進行，包含這些缺失突變的線粒體的數量會逐漸升高。然而這也是存在例外情況的。經研究發現，一種相對較大的鹼基序列缺失發生在多數癌症中 被稱為 常見缺失，但一般來說正常細胞中的線粒體 DNA 大規模缺失是要比腫瘤細胞更多的。我們認為腫瘤細胞中可能存在一種自適應過程，它會把那些包含大規模缺失的線粒體給消除掉 常見缺失 的長度大於 4kb。 3 插入 經研究發現，兩種小型的線粒體 DNA 插入突變 約為～260 及～520bp 存在於 乳腺癌、胃癌、肝細胞癌 HCC 和結腸癌中，但該突變在正常細胞中也被發現。 因而這些插入突變和癌症間的關係還有待確認。 4 線粒體 DNA 定量改變 複製數突變 透過即時 PCR 法檢測，多種癌症細胞的線粒體 DNA 比正常細胞來說存在更多的線粒體 DNA 複製數變異。複製數的增加被認為是由氧化應激引起的，而複製數的減少的原因被認為有如下幾種：重鏈複製起始位點的體細胞點突變，線粒體 DNA 控制區中 D310 多聚 Cstretch 序列的體細胞點突變，p53 抑癌基因 調控通路的突變，以及 POLG（線粒體 DNA 聚合酶）突變引起的酶活性低下。儘管線粒體 DNA 複製數存在增加或減少，但其在腫瘤細胞間確實是維持一致的。跟正常細胞相比，腫瘤細胞線粒體 DNA 複製數的一致性表明在腫瘤細胞中，為了控制線粒體 DNA 的數量存在更為複雜的系統，而不是簡單地隨著異常細胞的增值就發生了改變。線粒體 DNA 含量被認為在某些特殊的人類腫瘤型別或位點上有著某種程度的特異性。 癌症型別 點突變位置 點突變位置 點突變位置 點突變位置 核苷酸缺失位點 線粒體 DNA 複製數增加 線粒體 DNA 複製數減少 參考文獻 癌症型別 線粒體 DNA 控制區 mRNAs tRNAs rRNAs 核苷酸缺失位點 線粒體 DNA 複製數增加 線粒體 DNA 複製數減少 參考文獻 膀胱癌 X X X 1564215662 乳腺癌 X X X X 847013447 and 848213459 X 頭頸癌 X X X X 847013447 and 848213459 X 口腔癌 X X 847013447 and 848213459 肝細胞癌 HCC X X X X 306556 and 38943960 X 食管癌 X X X 847013447 and 848213459 X 胃癌 X X X 298348 X 前列腺癌 X X 847013447 and 848213459 X 關於表格：多種癌症中的線粒體 DNA 突變。 該表格僅包含部分癌症型別。以上研究中有一個是著眼於不同癌症中的點突變位置，包含了 867 個癌症患者、23 種癌症型別。 577 500867 的癌症含有體細胞點突變，而這些 1172 個突變中有 378 4431127 位於線粒體 DNA 控制區，131 1541172 位於 tRNA 或 rRNA 基因，491 5751127 位於負責產生與線粒體呼吸作用有關的複合物的 mRNA 基因上。 在診斷領域的潛在應用 目前已有線粒體 DNA 靶向的抗腫瘤藥物並在殺死腫瘤細胞方面有其效果，而以線粒體突變為生物標記來提供治療手段的研究也有一定成果。相比核 DNA 突變，線粒體 DNA 突變更容易作為靶標，因為線粒體基因組較小因而更容易找出特異性突變。另外也有人認為，血液樣本中可檢測到的線粒體 DNA 數量變異也可用作標記物，可用來預測個體的癌症易感程度以及判定惡性腫瘤發生階段。除了以上這些特性外，線粒體 DNA 的不受細胞週期控制，在產生 ATP 及維持線粒體穩態方面都非常重要，的這些特性使得靶向線粒體 DNA 成為一個可行的治療策略。 腫瘤標誌物 隨著該領域的發展，科學家正在發掘可用於腫瘤發生階段判定、治療、預後的潛在標誌物。目前已有許多生物標誌物可用於上述目的，比如單核苷酸多型性 SNPs，染色體畸變，DNA 複製數變異，微衛星不穩定性，啟動子區域差異甲基化，甚至是高 低蛋白表達水平。這些特性與各種癌症的關係的確定將有可能幫助我們透過開發靶向特異標誌物的藥物來提供更多有效的個性化治療選擇。如果想了解一些癌症及其各自生物標誌物的資訊的話，請點選腫瘤標誌物頁面。 參考資料 外部連結 Cancer Genome Project an oncogenomic reference database from the Wellcome Trust Sanger Institute Cancer Genome Anatomy Project an oncogenomic reference database from the National Cancer Institute Progenetix an oncogenomic reference database presenting cytogenetic and molecularcytogenetic tumor data OncoGenomics Explorer Oncomine Retrovirus Tagged Cancer Gene Database RTCGD IntOGen Integration and data mining of multidimensional oncogenomic data Category 應用遺傳學 Category 生物技術 Category 醫學遺傳學