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《细胞》子刊:科学家发现长期吸烟引起的肺细胞DNA表观遗传学变化或是肺癌发生的第一步 | 科学大发现

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毋庸置疑,吸烟是导致肺癌的罪魁祸首。研究发现,肺癌死亡总数中的70%是由吸烟引起的[1]!但是吸烟究竟是如何引起肺癌的,科学家一直都没有给出解释。


近日,约翰霍普金斯大学研究人员给出了答案:香烟烟雾会导致细胞发生异常的DNA甲基化,进而使抑癌基因表达量下降,这会引起促进细胞生长的KRAS基因表达量升高,如果这个烟民的KRAS基因恰巧发生了致癌突变(1/3的吸烟肺癌患者携带这个突变),那么启动肺癌的第一步就这样开始了!

这项研究由约翰霍普金斯大学肿瘤学教授,Stephen Baylin,带领团队完成。最新的研究成果刊登在9月11日的著名学术杂志《Cancer Cell》上[2]。

Stephen Baylin教授

2012年,华盛顿大学研究人员对吸烟的和不吸烟的非小细胞肺癌患者的全基因组测序分析发现,吸烟患者的总的基因突变率要高于不吸烟患者的10倍以上,其中,将近50%的吸烟患者发生了KRAS基因突变,而不吸烟的患者,没有检测到KRAS基因突变[3]KRAS基因与细胞生长和分化调控有关,当它发生突变时,会导致细胞的恶性增殖、分化和调控紊乱,KRAS基因突变与肺癌、结直肠癌、胰腺癌等癌症的发病及预后有关[4]。


另外,科学家们对吸烟和不吸烟人群的研究发现,不论是癌症患者还是健康的人,与不吸烟的人相比,“烟民”的DNA甲基化表现出不同的变化[5,6]。甲基化是表观遗传学修饰的一种方式,就是在基因的DNA序列的起始区域添加上一个小小的化学基团(甲基),这样通常会让甲基化的基因沉默,基因不再活跃地表达

吸烟的肺癌患者基因突变率(右)明显高于非吸烟肺癌患者(左),图片来源:参考资料4


那么,表观遗传学变化和基因突变在肺癌的发生中究竟扮演了怎样的作用呢?这些变化的发生时间及其先后顺序又是怎样的?为了解答上述问题,Baylin教授团队决定要一探究竟。


研究人员首先将不携带致癌突变的人支气管上皮细胞进行改造,让这些细胞能够不断地分裂,同时保证它们不会致癌。接下来,他们将改造的细胞暴露在5μg/ml或10μg/ml的烟草烟雾凝集物中,这个量相当于人每天抽1到2包香烟的量,对这些细胞连续培养15个月(相当于人吸烟30年),并在不同的时间段内,对细胞的变化进行观察检测。


研究人员发现,在10天到3个月的时间里,细胞中与甲基化修饰有关的2种蛋白,EZH2和DNMT1的量增加了2-4倍。EZH2已经被证明会在异常的甲基化发生前出现,而DNMT1是维持DNA正常甲基化的关键酶,当它的量上升时,会关闭掉抑癌基因,细胞出现不可控的生长,而这正是癌症的标志之一


在第10个月到15个月期间,包括抑癌基因BMP3SFRP2GATA4在内的数百个基因的表达下调了,而KRAS基因的表达却增加了5倍以上


研究人员对这些基因的深入分析发现,原来,在烟草烟雾凝集物暴露的15个月内,上述抑癌基因和KRAS基因本身并没有发生突变,只是因为与甲基化相关的EZH2和DNMT1增加,导致了抑癌基因的异常甲基化,进而让KRAS基因表达上调


也就是说,烟草烟雾暴露,导致细胞的甲基化改变,导致致癌基因KRAS表达量增加,增加了细胞发生癌变的风险。


那么问题又来了,究竟要暴露在香烟烟雾中多久,才会导致肺癌的发生呢?于是,研究人员把暴露于烟草烟雾凝集物6个月的细胞(相当于人吸烟12年)和15个月的细胞(相当于人吸烟30年),分别引入致癌的KRAS基因突变,再把这些携带KRAS基因突变的细胞移植到小鼠体内,观察这些细胞是否会导致癌症发生。


结果发现,只有暴露在烟草烟雾凝集物15个月的细胞(相当于人吸烟30年),在致癌突变的作用下,才能让小鼠长出肿瘤来,即发生致癌转化。而暴露在烟草烟雾凝集物6个月的细胞(相当于人吸烟12年),由于它的异常甲基化还不彻底,抑癌基因还可以发挥作用,所以即使是致癌的KRAS基因突变存在,细胞也不能发生致癌转化。

烟草烟雾凝集物导致人支气管上皮细胞的甲基化修饰改变,让细胞对致癌KRAS基因突变敏感,导致细胞致癌转化

Baylin教授表示,这些结果表明,慢性香烟烟雾暴露引起的早期表观遗传学变化,会随着时间的增加而增加,并且让人支气管上皮细胞对致癌的基因突变越来越敏感。


这项实验室研究的结果和美国“癌症基因组图集”(TCGA)的数据分析结果不谋而合:与没有戒烟的人相比,戒烟10年以上的人的异常甲基化水平明显降低


也就是说,烟民们最好是戒掉烟瘾以降低癌症风险,而且是越早戒烟、肺癌的风险就越低!


正如这项研究的第一作者,Michelle Vaz博士所说:“不像基因突变那样难以扭转,在适当的时间戒烟,就有可能降低因表观遗传学改变导致的癌症风险!”[7]


研究人员表示,虽然还不知道长期吸烟的人是否也会发生如此的变化,但是,这是证明表观遗传学改变是吸烟导致肺癌发生的初步证据。另外,由于这次使用的烟草烟雾凝聚物是传统香烟中的成分,研究人员还不能确定电子烟或其他形式的烟草是否也会给吸烟者造成同样的影响[7]。


写到最后,不禁想到:烟民们早点戒烟吧,省下来的钱给身边的女士买支口红也是极好的!又或者买个iPhone X,也是可以的!


参考资料:

[1] http://www.wpro.who.int/china/mediacentre/factsheets/tobacco/zh/

[2] http://www.cell.com/cancer-cell/fulltext/S1535-6108(17)30349-5

[3] Govindan R, Ding L, Griffith M, et al. Genomic landscape of non-small cell lung cancer in smokers and never-smokers[J]. Cell, 2012, 150(6): 1121-1134.

[4] 谢玲, 陈劼, 孙怡,等. 中国结直肠癌、肺癌和胃癌患者KRAS基因突变情况分析[J]. 临床与实验病理学杂志, 2016, 32(02):210-213.

[5] Belinsky S A. Gene-promoter hypermethylation as a biomarker in lung cancer[J]. Nature reviews. Cancer, 2004, 4(9): 707.

[6] Gao X, Zhang Y, Breitling L P, et al. Tobacco smoking and methylation of genes related to lung cancer development[J]. Oncotarget, 2016, 7(37): 59017.

[7]http://www.hopkinsmedicine.org/news/media/releases/epigenetic_changes_from_cigarette_smoke_may_be_first_step_in_lung_cancer_development

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