胃癌分子流行病学研究进展

发布时间:Feb 21, 2020 7:52:51 PM更新时间:Feb 21, 2020 7:52:51 PM

转自:中国肿瘤临床

胃癌分子流行病学研究进展*

黄莎 戴瑨 高娟娟 游伟程 潘凯枫 李文庆

摘要 胃癌是发病率和死亡率较高的恶性肿瘤。近年来,随着分子生物学技术的发展和各种新兴组学检测技术的涌现,胃癌分子流行病学工作者广泛探讨人群危险因素暴露、癌前病变、胃癌形成等过程中的相关遗传和宿主因素以及环境-遗传交互作用,探索相关的生物学标志物,为胃癌的预防和控制提供了重要证据。本文综述了近年来胃癌分子流行病学最新研究进展,分别阐述基于候选策略下的血清和血浆标志物研究、全基因组关联研究、全外显子组测序研究、基于组织芯片技术的研究以及代谢组学和微生物组学等方面的现有研究证据,为未来胃癌分子流行病学研究工作提供借鉴和参考,促进胃癌的病因学研究和精准防控。

关键词 胃癌 生物标志物 分子流行病学

胃癌是全球重大公共卫生问题,中国每年胃癌死亡病例占全球同期胃癌总死亡数的40%以上[1]胃癌的发生是遗传与环境等内外因素共同作用的结果。传统流行病学仅局限于对外环境危险因素暴露的评估,但暴露因素测量的准确性通常受到质疑,机体相关内暴露和生物学有效暴露的研究也受到了极大限制。

分子流行病学结合分子生物学、遗传学等学科理论及高通量技术,从分子水平上深入探讨人群危险因素暴露、癌前病变、肿瘤形成等过程中的相关遗传和宿主因素,发现有意义的生物标志物,探究肿瘤发生的机制,促进肿瘤的预防和控制。近年来,随着各种组学检测技术的不断发展,国内外分子流行病学研究者对胃癌发生、发展及预后相关遗传等宿主因素以及环境-遗传交互作用进行了广泛深入研究,为胃癌的精准预防和控制提供了重要的科学依据。

1 基于候选策略的血清和血浆标志物研究进展

血清胃蛋白酶原(pepsinogen,PG)和胃泌素均可反映胃黏膜功能状态,是胃癌分子流行病学较早关注的潜在标志物。在中国,PG虽已长期作为胃癌筛查的重要指标,但由于血清PG水平受多种因素的影响,其预测胃黏膜异型增生和胃癌的灵敏度、特异度并不理想。于2012年前在山东省临朐县等胃癌高发现场开展的依赖PG初筛加高危人群胃镜检查的胃癌早诊早治项目中,胃癌检出率远低于单纯依赖胃镜检查的检出率。近期美国国立癌症研究所(NCI)基于芬兰男性吸烟者前瞻性队列(ATBC)的研究表明[2],血清胃泌素水平与胃癌,尤其是胃非贲门癌的发生风险呈显著正相关。然而,目前关于胃泌素能否作为预测胃癌生物标志物的研究结论仍存在不一致。

幽门螺杆菌是胃癌的主要危险因素,其感染诱发全身免疫反应,导致宿主血清中出现抗幽门螺杆菌抗体。研究表明血清中幽门螺杆菌毒力因子与胃黏膜病变和胃癌相关。基于山东省临朐县胃癌高发区的研究发现,血清CagA阳性与胃黏膜肠上皮化生和异型增生的发病风险相关;血清CagA和GroEL阳性是胃黏膜病变进展的独立危险因素[3]基于河南省林县人群的研究[4]也表明,幽门螺杆菌多抗原阳性(15种抗原中至少4种阳性)与胃贲门癌的发病风险正相关。近期,一项中日韩联合研究[5]也发现,10种血清幽门螺杆菌相关抗原阳性(Omp,CagA,VacA,HcpC,HP0305,GroEL,NapA,HyuA,Cad和HpaA)与胃癌的发生风险均显著相关。最近,一项基于山东省临朐县人群的研究进一步验证了2种血清幽门螺杆菌相关抗原阳性(Omp和HP0305)与胃癌癌前病变的发生显著相关[6]

生长激素释放肽(Ghrelin)由胃内分泌细胞分泌,其血浆水平与胃黏膜萎缩程度呈负相关。NCI基于ATBC的研究发现,较低的基线血清Ghrelin水平可增加胃非贲门癌和胃食管交界处癌的发病风险[7]Soleyman等[8]对81例胃切除术前和术后的胃癌患者进行3年的随访,发现血浆Ghrelin水平在术前和术后的降低均与胃癌患者的不良预后密切相关。

维生素B12、叶酸(维生素B9)、维生素B6和核黄素(维生素B2)等B族维生素以及同型半胱氨酸被合称为一碳代谢营养素。膳食一碳代谢营养素摄入量与上消化道肿瘤发病风险有关,但目前关于血清一碳代谢营养素与胃癌关系的相关报道仍不一致。基于欧洲肿瘤与营养前瞻性队列研究(EPIC)的分子流行病学研究表明[9],血清维生素B2、B12和B6的水平与胃癌的发生风险呈负相关,但未观察到血清叶酸水平与胃癌的关联。NCI基于ATBC队列的研究发现,基线血清维生素B12水平也可增加胃非贲门癌风险,但血清B2、B6、叶酸以及同型半胱氨酸水平与胃贲门癌或胃食管交界处癌无关[10]NCI基于河南省林县人群的研究也未发现血清B2、B12和叶酸与胃贲门癌的关系,但观察到血清半胱胺酸水平与胃贲门癌的发生风险呈负相关[11]

胃癌等上消化道肿瘤在男性中高发。NCI前瞻性研究探讨血清中性激素与男性食管腺癌和胃贲门癌的关系,发现脱氢表雄酮(dehydroepiandrosterone,DHEA)、雌二醇和游离雌二醇的浓度与这两种肿瘤的发生风险均呈负相关,部分解释了两种肿瘤发病风险的性别差异[12]

miRNA是一种长约22个核苷酸的单链非编码小分子RNA。由于循环miRNA具有高度的稳定性且含量丰富,可作为肿瘤筛检中新型的生物标志物。例如,在山东省临朐县胃癌高发区的研究发现胃癌患者血清中miR-221、miR-376c和miR-744表达水平显著上调[13]

基于候选策略的主要血清和血浆标志物见表1。

2 遗传易感性标志物相关研究进展

易感基因多态性是遗传易感的重要物质基础。自20世纪90年代起,基于候选基因策略的胃癌遗传易感性研究取得了一系列研究成果,发现参与胃黏膜保护及反映胃黏膜功能状态的基因(如MUC1)、参与机体免疫反应相关基因(如NOD1、TNFα、COX-2)、致癌物代谢基因(如CYP2E1、CYP2A6、GSTM1)、DNA损伤修复基因(如XRCC1)及参与细胞增殖、凋亡的基因(如p53)多态可能与遗传易感性或胃癌发病风险有关。然而,基于候选基因策略的胃癌遗传易感性研究总体来说结果可重复率较低。Dong等[14]系统评估了截至2008年3月前的候选基因关联研究,关于上消化道肿瘤没有发现令人完全信服的易感性位点。

2.1 全基因组关联研究

与候选基因策略相比,全基因组关联研究(ge⁃nome-wide association study,GWAS)对大样本研究对象进行全基因组高密度遗传标记分型,寻找与复杂性疾病相关的遗传易感性,尤其是与疾病存在较低至中等关联强度的单核苷酸多态性(SNPs),已广泛应用于筛选胃癌易感基因。迄今为止,基于东亚人群的GWAS研究已发现染色体8q24(PSCA)、10q23(PLCE1)、20p13(C20orf54)、1q22(MUC1)、5p13.1(PRKAA1)、3q13.31(ZBTB20)、6p21.1和5q14.3等多个遗传位点与胃癌的关系(表2)。

表1 基于候选策略的血清/血浆标志物

表2 全基因组关联研究报道的胃癌相关遗传位点

GWAS发现的第一个胃癌相关位点位于染色体8q24(PSCA)。日本学者率先发现PSCA内含子区rs2976392与胃癌尤其是弥散型胃癌的关系[15]2010年,Wang等[16]和Abnet等[17]分别在中国人群中发现PLCE1(10q23)为食管癌和胃贲门癌的易感基因。前者的研究还发现C20orf54(20p13)与两种癌的关系,但后者并未发现。Shi等[18]的GWAS研究发现rs13361707(5p13.1,PTGER4-PRKAA1基因内含子区)和rs9841504(3q13.31,ZBTB20基因内含子区)与中国人群胃非贲门癌发生风险相关。该研究还验证了8q24(rs2294008,rs2976392)、1q22(rs4072037)和20p13(rs13042395)区域位点与胃非贲门癌的关系。NCI基于中韩人群的GWAS研究发现rs2294693(6p21.1,近UNC5CL)与胃非贲门癌发生风险显著相关,但与胃贲门癌的关联并未满足全基因组显著性。该研究还发现5p13.1(rs10074991,PRKAA1)位点与胃贲门癌和非贲门癌均相关,并进一步确证了1q22(MUC1,rs4072037)位点与胃贲门癌和非贲门癌均相关[19]汇总两项中国人群胃非贲门癌GWAS的Meta分析发现,rs7712641(5q14.3,长非编码RNA lnc-POLR3G-4的内含子区)与胃非贲门癌相关[20]另外,该研究还发现1q22新位点rs80142782与胃非贲门癌相关。

2.2 全外显子组测序

全外显子组测序(whole-exome sequencing study,WES)对基因组中几乎全部的外显子区域,同时还包括700多个miRNAs序列和300个非编码RNAs序列进行测序,可以准确鉴定少见变异。

Wang等[21]对22对胃癌及正常对照组织样本分析发现,ARID1A在胃癌各亚型中突变频率不一,突变率与TP53基因突变呈负相关。Rokutan等[22]发现包括ARID1A在内的染色质修饰基因MLL2、MLL3和KDM6A在黏液性胃癌组织中突变频率增加。Hu等[23]通过WES研究识别多个胃癌相关突变基因(KISS1R、AMH、MNX1、WNK2和PRKRIR),并在30%的胃癌组织中发现14个基因存在多发性染色体改变。

Kakiuchi等[24]对弥散型胃癌的WES研究发现弥散型胃癌中RHOA突变发生率达25.3%,提示该突变是弥散型胃癌进展中的重要驱动因子,可能作为胃癌治疗的潜在靶点。Choi等[25]的研究进一步发现,弥散型胃癌的体细胞突变谱和DNA拷贝数与淋巴结转移情况有关。CMTM2可预测弥散型胃癌的预后。

已知30%~40%的遗传性弥漫型胃癌(heredi⁃tary diffuse gastric cancer,HDGC)可归因于抑癌基因CDH1(E-cadherin)的胚系遗传变异。多项已经发表的WES研究关注无CDH1突变的HDGC遗传易感性。Fewings等[26]对22个家系的研究发现,5个DNA修复基因(PALB2、MSH2、ATR、NBN和RECQL5)可能与HDGC有关。Sahasrabudhe等[27]的研究也发现,调节同源DNA重组的PALB2、BRCA1和RAD51C与HDGC有关。此外,Majewski等[28]的研究发现,胚系CTNNA1突变可能与HDGC有关。

多项胃癌分子流行病学研究整合WES和其他组学数据。Liu等[29]汇总3项WES的研究结果,发现24个在微卫星稳定的胃癌组织中显著突变的基因以及16个在微卫星不稳定的胃癌组织中显著突变的基因。该研究还通过整合转录组测序数据,发现ZAK TV1在胃癌中表达优先上调。Park等[30]对103对胃癌及正常组织进行比较基因组杂交,并对其中的55对进行WES分析,在18.4%的胃癌病例中观察到了抗凋亡基因BCL2L1的扩增且在10.9%病例中发现了DLC1突变。此外,Ishimoto等[31]对弥散型胃癌相关的成纤维细胞和非癌成纤维细胞进行WES和RNA测序,观察到调节TGFB1信号的RHBDF2在弥散型胃癌分离的癌症相关成纤维细胞中表达上调。

3 基于微阵列的mRNA和蛋白标志物的研究进展

mRNA参与细胞周期调控、细胞黏附机制、血管生成以及癌变等过程,其异常表达在胃癌的早期筛查及预后生存预测中扮演重要作用。基于微阵列的研究可检测全基因组或一系列基因的mRNA表达水平。一项基于中国人群的研究发现PLCE1 mRNA表达水平在胃贲门癌及非贲门癌组织中较癌旁组织显著降低[32]Kang等[33]通过分析GEO数据库的3个数据集(GSE13861、GSE26899、GSE29272)中不同基因的mRNA表达水平发现ESRRG mRNA表达水平在胃癌组织中显著降低。Chen等[34]基于cDNA芯片的研究检测胃癌组织中不同基因的mRNA表达水平,并进一步通过半定量反转录PCR进行验证,发现CD36、SLAM以及PIM-1的mRNA高表达与胃癌预后差显著相关。此外,Cho等[35]检测65例胃癌组织中不同基因的mRNA表达水平,发现CTNNBA1、EXOSC3、TOP2A、LBA1、LZTR1以及CCL5 mRNA高表达与胃癌复发显著相关。

蛋白异常表达在胃癌的发生、进展及预后过程中也发挥着重要作用。基于组织微阵列进行高通量、大样本快速分析,已广泛应用于分子流行病学研究。Zhou等[36]发现PrPc和MGr1-Ag/37LRP在胃癌组织中的表达均显著高于癌旁组织,且高表达的胃癌患者预后较差。Wang等[37]基于组织芯片技术发现非肿瘤胃黏膜(对照组)中CLEC2蛋白的表达水平高于胃癌样本,胃癌组织中则与肿瘤浸润深度、淋巴结转移、肿瘤分期及5年生存率相关。Qian等[38]基于组织芯片的研究发现SCNN1B蛋白高表达是胃癌尤其是胃癌晚期患者生存期的独立预后因素。

4 基于代谢组学的生物标志物研究进展

代谢组学对生物体内所有代谢物进行定量分析并探寻其变化规律,既往基于尿液、组织、血浆等的研究已广泛应用于肿瘤标志物的筛选,提示差异性代谢物对胃癌具有潜在的公共卫生和临床意义。

既往代谢组学研究已关注Correa肠型胃癌发病进程中的不同病变与胃癌间代谢谱的差异。Kuli⁃gowski等[39]对非活动性胃炎、慢性活动性胃炎、癌前病变与胃癌患者的血浆代谢物进行分析,发现血浆色氨酸、犬尿氨酸和苯乙酰谷氨酰胺可作为胃癌潜在的生物标志物。Lario等[40]发现血浆中组氨酸和苯乙酰谷氨酰胺等在胃癌与其他胃黏膜病变组之间存在显著差别。此外,Chan等[41]观察到胃癌患者与良性胃病/健康者之间的尿液代谢谱显著不同,其中3种代谢物(2-羟基异丁酸酯,3-吲哚基硫酸酯和丙氨酸)在胃癌和健康对照间具有最佳的区分度。这些研究提示代谢组学分析可能对胃癌的早期诊断具有重要意义。

既往研究还探讨具有不同临床特征胃癌的代谢组学。Jung等[42]发现胃癌患者尿液与组织中的氨基酸和脂质代谢与健康者相比出现显著改变。Wang等[43]发现48种代谢物在胃癌患者组织和正常对照之间有显著差异且13种代谢物随着胃癌的临床进展而发生变化。近期,Zhang等[44]筛选出33种在胃癌与健康对照间的差异代谢物,以及8种在淋巴结转移阳性与阴性的胃癌组织间存在显著差异的代谢物。

5 基于微生物组学的生物标志物研究进展

随着生物信息学的发展和二代测序技术在微生物研究领域的广泛应用,近年来胃癌与胃内菌群关系的研究成为热点之一。幽门螺杆菌感染是胃癌发生明确的危险因素,幽门螺杆菌感染阳性与阴性者胃内菌群构成明显不同。与阴性者相比,阳性者胃内主要优势菌为幽门螺杆菌,菌群多样性程度下降[45-46],且多个特定菌群相对丰度发生显著改变,如放线菌门和厚壁菌门显著降低,而酸杆菌门和变形菌门则显著上升[45]除幽门螺杆菌外,胃癌的发生也可能与胃内其他共生菌群相关。动物实验研究表明,联合其他菌群感染的小鼠比单独感染幽门螺杆菌的小鼠更容易发生上皮内瘤变[47],提示胃内其他共生菌群可能促进幽门螺杆菌诱导胃癌发生的过程。

由于研究人群来源、幽门螺杆菌感染者比例、菌群检测技术、样本量等差异,胃癌与胃内菌群关系的研究尚无一致结论。但多项采用测序技术的研究表明[48-49],胃癌患者胃内特定菌群发生变化。近期两项较大样本研究发现,与慢性胃炎患者相比,胃癌患者的胃内菌群多样性显著下降,且菌群结构也发生明显改变[49-50]也有研究发现胃癌患者与消化不良患者的胃内菌群无显著差异[48]Coker等[50]的研究还表明,胃内菌群中Peptostreptococcus stomatis、Dialister pneumosintes、Slackia exigua、Parvimonas micra和Streptococcus anginosus等口腔微生物可作为生物标志物区分胃癌患者与浅表性胃炎患者(AUC为0.82)。然而,现阶段胃内菌群与胃癌及癌前病变关系的人群研究样本量较小且多为病例-对照研究,研究结果有待大规模前瞻性人群随访队列验证。

6 结语

近年来,分子生物学等学科的不断发展和各种组学新技术的不断涌现为更全面更精确地测量胃癌环境危险因素的内暴露与外暴露水平、评价宿主和遗传相关因素提供了无限可能,也为胃癌分子流行病学研究不断提供新的发展契机。将胃癌分子流行病学的研究结论转化到胃癌预防、诊断、治疗和预后实践中去,是胃癌分子流行病学研究的目标。然而,目前相应的研究结论仍存在较大的不一致性,相关肿瘤标志物的灵敏度和特异度较低。通过对胃癌相关的环境、遗传和宿主因素进行全面综合评价,建立胃癌发生、进展和预后的风险预测模型,才能实现胃癌的精准预防和临床转化,最终有效控制胃癌这一困扰中国国民的重大公共卫生问题。

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Research progress in the molecular epidemiology of gastric cancer

Sha Huang,Jin Dai,Juanjuan Gao,Weicheng You,Kaifeng Pan,Wenqing Li
Correspondence to:Wenqing Li;E-mail:wenqing_li@bjmu.edu.cn
Key Laboratory of Carcinogenesis and Translational Research(Ministry of Education),Department of Cancer Epidemiology,Peking University Cancer Hospital&Institute,Beijing 100142,China

Abstract Gastric cancer is a malignant tumor characterized by high morbidity and mortality.With the development of molecular biology technology and the emergence of various new omics detection techniques in recent years,molecular epidemiologists of gastric cancer have conducted extensive studies on the genetic and host factors,as well as gene-environment interactions associated with exposure to environmental factors in gastric cancer.In addition,epidemiologists have studied the evolution of precancerous gastric lesions,the development of gastric cancer,and explored relevant biomarkers to provide major evidence for the prevention and control of gastric cancer.This review summarizes the latest advances in the molecular epidemiology of gastric cancer,including existing evidence in studies for candidate-approach-based serum/plasma biomarkers,genome-wide association,whole-exome sequencing,tissue microarrays,as well as studies on metabolomics and microbiomes.We expect to provide insights into the future of molecular epidemiology studies in gastric cancer,promoting etiologic research,and the precise prevention and control of gastric cancer.

Keywords:gastric cancer,biomarkers,molecular epidemiology

doi:10.3969/j.issn.1000-8179.2019.01.848

作者单位:北京大学肿瘤医院暨北京市肿瘤防治研究所流行病学研究室,恶性肿瘤发病机制及转化研究教育部重点实验室(北京市100142)

*本文课题受中组部千人计划青年项目资助

通信作者:李文庆 wenqing_li@bjmu.edu.cn

李文庆教授,中组部国家“千人计划”青年人才、北京市特聘专家,现任北京大学肿瘤医院研究员、博士生导师。曾获美国癌症研究协会Aflac Incorporated Award、Dermatology Foundation职业生涯进展奖、NIH中国学者联合会杰出科学家奖、Richard B.Salomon教师研究奖等奖励。现任中国抗癌协会青年理事会副理事长、肿瘤流行病学专委会以及胃癌专委会基础与病理学组委员、中国环境诱变剂学会生物标志物专业委员会委员和青年委员会副主任委员。担任British Journal of Dermatology副编辑、Scientific report编委,肿瘤综合治疗电子杂志副主编,担任多个国际基金项目的评审专家和包括JAMA等37个SCI杂志特约审稿人。已发表SCI收录期刊全文类论文94篇。参编英文著作2部。

This work was supported by the Thousand Youth Talents Plan of China

(2018-08-16收稿)

(2018-12-20修回)

(编辑:武斌 校对:杨红欣)


作者简介

黄莎 专业方向为胃癌分子流行病学研究。E-mail:huangss@bjmu.edu.cn

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