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费城染色体是如何形成的?

 

撰文 | 谷之
如果你喜欢看电影,你一定知道最近有一部中国国产电影曾引起不小的观影热潮,这部电影就是《我不是药神》。这部电影源自2015年一位慢性粒细胞性白血病患者为他人代购印度仿制药的真实案件。如果你看过这部电影,或许会记得电影里提到的那个被仿制的抗癌药“格列宁”,它影射了现实中的一种名药——格列卫(Gleevec)。
 
格列卫的化学名称是伊马替尼(imatinib),主要用于治疗费城染色体阳性(Ph+)的慢性粒细胞白血病(Chronic myelogenous leukemia,CML)。那么,我们今天要讲的主要内容就是费城染色体(Philadelphia chromosome)和造成费城染色体的原因——基因融合。
 
发现染色体的故事
 
说到染色体,大家一定不会陌生,人体细胞内有23对染色体。那么什么是费城染色体呢?费城不是美国的一个地名吗?一个地名怎么会和染色体连在一起呢? 在说费城染色体之前,我们先来讲几个有关染色体的重要科学发现。
 
1879年,德国生物学家瓦瑟尔·弗莱明(Walther Flemming,1843—1905年)经过实验发现,用苯胺染料可以将细胞核内的一种物质染成深色,他称其为染色质。1888年,这种存在于细胞核内的易着色的物质被正式被命名为染色体。染色体的发现揭开了科学家在生命探索中的新的篇章。
 
德国科学家伦琴(Wilhelm Röntgen)于1895年发现X射线后,X射线对人体组织的损害很快就为人所知。许多研究X射线的学者或截肢或罹患癌症,甚至发明大王爱迪生本人以及他的助手都深受其害。
 
1895年,当时年仅21岁的美国芝加哥医学生埃米尔·格拉比(Emil Grubbe)聪明地想到:既然X射线可以损害正常的人体组织,那么X射线也应该可以杀死癌细胞。于是他尝试用X射线治疗乳腺癌,埃米尔·格拉比成为放射治疗癌症的先驱者。
 
然而,放射线治疗癌症的机理一直不清楚,直到染色体被正式命名50年后的1938年,美国的卡尔·萨克斯(Karl Sax,1892—1973年)教授通过X线照射细胞,观察到细胞中的染色体损伤、易位的现象。X线照射导致细胞中染色体的损伤不仅解释了放射治疗癌症的作用机制,更为重要的是,染色体发生易位的现象为后来费城染色体的发现提供了重要的实验依据。
 
缺失的一小段染色体
 
在1960年,工作于美国费城的宾州大学病理系的教授彼得·C.诺埃尔(Peter C. Nowell,1928—)和他的学生、工作于费城福克斯蔡斯肿瘤研究中心(Fox Chase Cancer Center)的大卫·亨格福德(David Hungerford,1927—1993年)发现了一个非常有趣的现象,即慢性粒细胞白血病患者的第22号染色体比正常人的要短一小段。
 
 
他们敏锐地意识到这也许就是慢性粒细胞白血病发作的原因。后来的实验证明这些慢性粒细胞白血病肿瘤细胞确实是从发生染色体变异的单个细胞生长而来。世人为之震惊。这一短小的染色体也就以两位研究者所在地费城命名,即费城染色体。然而,在其后的12年中,一个问题一直困扰着科学家:为何费城染色体会短小?那缺失的一小段染色体去了哪里?染色体缺失的意义何在? 
 
1973年,芝加哥大学的珍妮特·戴维森·罗利(Janet Davison Rowley,1925—2013年)用优化的染色法研究慢性粒细胞白血病患者的染色体时发现,原来费城染色体所缺失的那一小段,从22号染色体的长臂易位到了9号染色体上。这一发现首次在人类癌症细胞上证明了染色体易位的发生。这一重大的科学发现被人们戏称为“费城掉了的东西在芝加哥找到了”。
 
在进一步的研究中,珍妮特还发现,染色体易位在白血病中是普遍存在的,如在急性粒细胞白血病中存在8号和21号染色体的易位,在早幼粒细胞白血病中存在15号和17号染色体易位。于是珍妮特提出,每种染色体易位都会导致相应的疾病发生,这是对传统“肿瘤是由病毒引发”的观念的挑战。通过对不同肿瘤的染色体进行研究,到1990年,科学家已经发现了70多种染色体易位。
 
染色体易位造成的基因融合
 
现在我们知道,原来费城染色体的形成是染色体发生了易位的缘故,那么为什么染色体发生了易位会导致肿瘤呢?
 
1985年,科学家通过进一步研究发现,费城染色体形成时,原来9号和22号染色体断裂点上,各含有一个基因,分别是9号染色体上的ABL基因和22号染色体上的BCR基因。费城染色体易位形成后,打断了这两个原有的基因,同时又组合成了新的BCR-ABL“融合基因”,BCR-ABL“融合基因”的发现,也引出了我们要探讨的第二个重要问题——基因融合。基因融合在肿瘤研究中具有非常重要的科学意义,因为针对基因融合所开发的治疗癌症的药物,转变了原有的癌症治疗方式,为癌症患者提供了更为精准的、靶点的、个体化的治疗方案。
 
 
那么,什么是基因融合呢?基因融合是指两个基因的全部或一部分序列相互融合为一个新的基因的过程,其原因有可能是染色体易位、中间缺失或染色体倒置,通常具有致瘤性。
 
 
让我们再回过头来看费城染色体中的BCR-ABL融合基因。我们知道,基因是一段DNA序列,可以转录成mRNA,细胞根据mRNA上携带的编码信息翻译合成具有功能的蛋白质。融合基因与普通的基因具有一样的功能,BCR-ABL融合基因能编码一种分子量是210kD的蛋白质(P210),这种蛋白质有增强的酪氨酸激酶活性,如果酪氨酸激酶一直处于“活跃”状态,能引起细胞的不受抑制的生长,并抑制了细胞凋亡的发生,造成细胞生长失控,最终导致慢性粒细胞白血病的发生。
 
费城染色体易位导致酪氨酸激酶活性增强,继而引发慢性粒细胞白血病,这一机制是在1985年被发现的。随后,瑞士汽巴嘉基(Ciba-Geigy)制药公司的研究员尼古拉斯·B.莱登(Nicholas B. Lydon)与俄勒冈健康与科学大学(Oregon Health & Science)的布莱恩·J.德鲁克尔(Brian J. Druke)等人合作研发抗肿瘤药物。他们通过高通量筛选技术,找到了2-苯胺基嘧啶(2-phenylaminopyrimidine)。它可以与BCR-ABL蛋白上的活性位置结合,抑制其活性。研究者通过对2-苯胺基嘧啶进行甲基和苯甲酰胺等修饰以增加其药性,最终得到了伊马替尼。
 
 
2001年,美国食品药品监督管理局(FDA)批准了伊马替尼作为治疗慢性粒细胞白血病的一线用药,其商品名就是格列卫。格列卫自上市之日起,一直位于畅销药物之列,它将慢性粒细胞白血病的治愈率从不到50%增加到90%。格列卫成为第一个针对BCR-ABL靶点的靶向药,用于治疗融合基因所引起的癌症,这也开创了靶向治疗癌症的先河。
 
 
基于融合基因的广谱靶向治疗
 
NTRK基因融合是指编码TRK蛋白的NTRK基因异常地与其他基因融合,从而产生促进肿瘤生长的生长信号。虽然NTRK基因融合很罕见,但在不同类型的癌症中都有存在。
 
近两年针对NTRK的靶向治疗可谓有了突破性的进展。比如,Entrectinib突破性疗法被批准用于治疗NTRK阳性的局部晚期或转移性实体瘤的幼儿神经母细胞瘤、非小细胞肺癌和转移性结直肠癌。Entrectinib(RXDX-101)是一种口服的ATP竞争性酪氨酸激酶抑制剂,该药物在体外和体内实验中对TRKA/B/C、ROS1和ALK融合等靶点均显示出了非常好的活性,具有广谱治疗效应。
 
 
2018年5月,美国食品药品监督管理局批准对另一个针对NTRK基因融合的药物Larotrectinib进行优先审查。仅仅6个月后,就在2018年11月27日,美国食品药品监督管理局批准了由拜耳和Loxo肿瘤公司联合开发的、首个针对NTRK基因融合的TRK抑制剂Larotrectinib(商品名为Vitrakvi®)。
 
Larotrectinib是针对NTRK这一致癌驱动基因量身定制的,且与肿瘤类型无关的治疗药物。 NTRK融合肿瘤的诊断可通过特定的检测方法,包括新一代测序技术(NGS)和荧光原位杂交对NTRK基因融合进行鉴定。
 
 
Larotrectinib已经在多种存在NTRK基因融合的独特的肿瘤类型中显示了临床效果,包括肺癌、甲状腺癌、黑色素瘤、胃肠道间质瘤、结肠癌、软组织肉瘤、涎腺肿瘤和婴儿纤维肉瘤。Entrectinib和Larotrectinib,这两个新的靶向药物开启了广谱靶向融合基因治疗的时代,为癌症患者的治疗带来了新的希望。然而,随着靶向药物的增多和检测靶点的增加,多重基因检测的需求也逐渐产生,基因序列检测和个体化治疗已经成为肿瘤治疗的公认趋向。
 
尽管基因融合一直被认为是肿瘤细胞独有的特征,但最近的研究发现,几乎所有正常器官和组织细胞中都存在融合基因,而且融合基因具有极其重要的生理功能。因此,针对肿瘤的融合基因检测更为重要。在未来的肿瘤治疗中,精准的肿瘤基因检测将是指导临床用药的重要手段。只有找到肿瘤基因,才能精准选择靶向药物对患者进行治疗,才可能成为真正的“药神”。
 
作者简介:
谷之,医学博士,美国知名基因实验室领头人。
 
原文标题为“《我不是药神》里的科学|费城染色体和基因融合的发现”,首发于《小多少年时》,《知识分子》获授权转载。



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