嵌合基因与恶性肿瘤的研究进展

余咏晖 黄红梅 匡新杰 卢文菊 吕嘉春 丘福满

1 广州医科大学公共卫生学院（广东广州 511436）2 广州医科大学，广州呼吸健康研究院，呼吸疾病全国重点实验室（广东广州 510180）

恶性肿瘤是一种由基因组不稳定导致的细胞异常增殖和侵袭的复杂疾病，严重威胁人类的健康和生命［1］。其发生、发展涉及多种分子机制，其中嵌合基因是一种重要的致癌因素。已有多项研究针对大样本肿瘤病例组织的高通量测序结果显示，超过10%的患者可检测出嵌合基因阳性［2-3］。目前，基因融合已被证实是恶性肿瘤的独有特征，通过融合检测最大化的匹配靶向用药，已经成为肿瘤精准治疗的中流砥柱［4］。但是，人们对嵌合基因在肿瘤发生、发展中的确切功能和作用仍知之甚少。传统观点认为，嵌合基因是染色体重排导致的现象，近年来的研究发现，基因间异常剪接等方式亦是嵌合基因产生的重要机制［5］。随着高通量测序技术的发展，越来越多的嵌合基因被发现与不同类型的恶性肿瘤相关［6］，其通过改变信号通路、诱导细胞增殖、抑制细胞凋亡、促进血管生成、增加肿瘤干细胞比例等方式影响恶性肿瘤的生物学特性［7］。嵌合基因不仅是恶性肿瘤的分子标志物，也是潜在的治疗靶点，如靶向B细胞受体-ABL原癌基因1（B-cell receptor-ABL proto-oncogene 1，BCR-ABL1）嵌合基因的伊马替尼等小分子抑制剂已经成为慢性粒细胞白血病的一线治疗药物［8］。本文旨在综述近年来关于嵌合基因与恶性肿瘤关系的研究进展，包括嵌合基因的发现、形成机制、检测手段、在肿瘤中的调控机制及治疗策略等方面，为深入理解恶性肿瘤的分子机制和开发新型治疗手段提供理论线索。

1 嵌合基因概述

1.1 嵌合基因

嵌合基因是由两个或多个不同基因的部分或全部序列连接而成的新型基因，它们可以在DNA水平或RNA水平上产生［6］。在基因组水平，嵌合基因通常是由染色体重排或易位导致的两个或多个基因融合而成，在癌症细胞中较为常见，尤其是在具有染色体易脆位点的细胞中［9］。在转录组水平，嵌合基因可能是由转录调控异常或剪接错误造成的两个或多个独立基因的转录本连接而成，这种现象在正常细胞和癌症细胞中都有发生，但癌症细胞中更为频繁［10］。嵌合基因在不同的组织和细胞中有不同的表达模式和功能，有些嵌合基因可以编码具有新功能或调控作用的嵌合蛋白，有些嵌合基因则只是转录水平上的假基因或非编码RNA。嵌合基因在癌症中发挥着重要的作用，可作为癌症的诊断标志物、预后指标或治疗靶点［11］。近年来，高通量RNA测序技术的发展使得嵌合基因的发现和鉴定更加高效和准确，为深入揭示嵌合基因在正常生理和癌症中的作用提供了新的途径［12］

1.2 嵌合基因的产生机制

既往研究报道基因组由于各种结构性染色体重排（chromatin rearrangement），如易位、缺失，或染色体倒位，产生基因融合（gene fusion）的新现象［13］。大多数情况下，嵌合基因（也称融合基因）可以导致序列异常、基因表达失调及蛋白质的功能异常。除了上述传统观点认为嵌合基因是染色体重排而引致的结果，近年来的研究发现，不同基因间在转录或者转录后的加工过程也是产生嵌合基因的重要机制［5］。嵌合基因产生的常见机制见图1。

基因组变异导致嵌合基因产生的主要方式包括以下几种。

染色体易位（chromosome translocation）：指两条不同染色体之间或同一条染色体上不同部位之间发生断裂并互换片段的过程。染色体易位可以导致原本不相邻的两个或多个基因片段连接在一起，形成嵌合基因。染色体易位是最早被发现，也是最常见的嵌合基因形成机制。例如慢性粒细胞白血病的特征性嵌合基因BCR-ABL就是由第9号染色体的ABL1基因和第22号染色体的BCR基因发生易位而形成［14］。

染色体移位（chromosome inversion）：染色体的一段序列发生180°翻转称为染色体移位，这会导致染色体断裂并重新连接形成新的基因组合［15］。如棘皮动物微管相关蛋白样4-间变性淋巴瘤激酶（echinoderm microtubule-associated protein-like 4-Anaplastic lymphoma kinase，EML4-ALK）嵌合基因在非小细胞肺癌样本中就是由EML4基因发生移位反向插入ALK基因上产生的［16］。

基因扩增（amplification）：是指某一特定基因或基因片段在染色体上的拷贝数异常增加的过程。基因扩增可以导致原本不同的两个或多个基因或基因片段在同一条染色体上重复出现，并且可能发生连接，形成嵌合基因。基因扩增是一种常见的肿瘤细胞遗传变异方式，可以增加肿瘤细胞的生长优势和适应性。成纤维细胞生长因子受体1（fibroblast growth factor receptor 1，FGFR1）基因已被报道在多种肿瘤中发生高频扩增，其异常扩增时也可能与其他邻近基因发生融合，如在骨髓增生异常综合征和急性髓系白血病患者样本中，检测到由FGFR1基因发生扩增而与位于8号染色体上的锌指蛋白198（zinc finger protein 198，ZNF198）基因融合形成FGFR1-ZNF198［17］。

基因缺失（deletion）：指某一特定基因或基因片段在染色体上的拷贝数异常减少或缺失的过程。基因缺失可以导致原本相邻的两个或多个基因或基因片段之间的间隔缩短或消失，并且可能发生连接，形成嵌合基因。基因缺失是一种常见的肿瘤细胞遗传变异方式，可以导致肿瘤抑制基因的失活或功能障碍。例如，结直肠癌中经常发生腺瘤样息肉基因（adenomatous polyposis coli，APC）和结直肠癌突变基因（mutated in colorectal cancers，MCC）两个肿瘤抑制基因之间的缺失，导致APC和MCC发生融合，形成APC-MCC嵌合基因［18］。

基因转座（transposition）：指某一特定基因或基因片段从一个染色体位置转移到另一个染色体位置的过程。基因转座可以导致原本不同的两个或多个基因或基因片段在同一条或不同条染色体上发生融合。基因转座可以导致肿瘤相关基因的表达调控异常。例如，前列腺癌中经常发生跨膜丝氨酸蛋白酶2（transmembrane serine protease 2，TMPRSS2）和ETS相关基因（ETS-related gene，ERG）两个原本不连续的基因发生转座，导致TMPRSS2-ERG嵌合基因的形成［19］。

除了基因组层面的变异导致的嵌合基因外，还有一些嵌合基因是由转录层面的事件产生的，即转录诱导的嵌合基因（transcription-induced chimeric gene）。转录诱导的嵌合基因是由来自于不同基因的外显子片段融合在一起组成的融合转录本［20］。转录诱导的嵌合基因的形成机制主要有以下几种。

顺式剪接（cis-splicing）：是指同一条染色体上相邻或不相邻的两个或多个前体RNA（premRNA）发生非经典剪接，产生一个包含不同基因序列的嵌合转录本。顺式剪接通常发生在相距较远或位于不同染色体臂上的基因之间，这些基因可能处于同一方向或相反方向。有研究者发现，由顺式剪接产生的成纤维细胞生长因子受体3-转化酸性卷曲蛋白质3（fibroblast growth factor receptor 3-Transforming acidic coiled coil protein 3，FGFR3-TACC3）嵌合基因在胶质母细胞瘤中高频出现，且具有致癌潜能［21］。

反式剪接（trans-splicing）：是指不同染色体上或同一条染色体上相距很远的两个或多个前体RNA发生非经典剪接，形成一个包含不同基因序列的新转录本。反式剪接通常发生在位于不同染色体上或相隔数百万碱基对以上的基因之间［6］。

转录读通（transcription read-through）：指转录过程中RNA聚合酶没有在正常的终止位点停止，而是继续向下游延伸，从而将相邻或不相邻的两个基因连接在一起，产生一个包含两个基因或多个亲本基因序列的嵌合基因［22］，也称为通读基因融合子（read-through gene fusions）［23］、连体基因（conjoined gene）等［24］。

短同源序列（short homologous sequence，SHS）介导的转录滑动：是指在转录过程中，亲本基因间以“短同源序列互补”的方式引起“模板转换”，形成嵌合RNA［25］。

双向转录（bidirectional transcription）：国内有学者通过对大规模RNA测序数据的深度挖掘与分析，发现一类新的RNA嵌合体，即在一段基因组区域内，分别以DNA双链为模版的双向转录产物RNA融合形成的异链嵌合RNA（cross-strand chimeric RNA，cscRNA）［26］。cscRNA主要来源于RNA水平的分子融合，在细胞中的表达水平差异较大，具有明显的组织特异性。

1.3 嵌合基因的检测

嵌合基因的检测方法可以分为传统方法和高通量测序方法。传统方法主要包括荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization，FISH）、逆转录聚合酶链反应（reverse transcription polymerase chain reaction，RT-PCR）和免疫组织化学（immunohistochemistry，IHC）染色等。这些方法具有灵敏度高、特异性强、成本低等优点，但也存在局限性，如需要预先知道嵌合基因的类型和位置、不能检测新发现的嵌合基因、不能覆盖全基因组范围等［27］。高通量测序方法主要包括全基因组测序（whole-genome sequencing，WGS）和转录组测序（RNA-seq）。目前基于高通量测序的检测方法有FusionCatcher、SOAPfuse、EricScript等［28］，这些方法具有高通量、高分辨率、高覆盖度等优点，能够在全基因组范围内发现已知和未知的嵌合基因，并且能够分析嵌合基因的表达水平和结构变异。但这些方法也存在一些挑战，如需要大量的样本和计算资源、需要有效的生物信息学分析流程和工具、排除假阳性结果等［27］。未来，第三代测序技术也为嵌合基因检测带来新机遇。PacBio、Nanopore等长读长测序可以跨越转录本的整个长度，从而提高映射的准确性和融合鉴定，有利于发现复杂的基因重排事件［29］。此外，单分子实时成像测序也使得嵌合基因的全长结构解析成为可能［30］。随着技术的进一步成熟，长读长测序在基因组结构变异检测及基因表达分析中有望发挥更大作用。

2 嵌合基因与肿瘤的关系

2.1 嵌合基因在恶性肿瘤中的功能机制

嵌合基因作为重要的肿瘤驱动基因，可以通过多种途径改变肿瘤细胞的生物学行为，促进肿瘤的发生和进展［31-32］。根据分子机制的不同，可以将嵌合基因的功能归纳为以下几类。

改变基因表达：嵌合基因可以通过改变原有基因或其他基因的表达水平或稳定性，影响肿瘤细胞的增殖、分化、凋亡等。例如，剪接因子脯氨酸/谷氨酰胺丰富-转录因子结合IGHM增强子3（splicing factor proline/glutamine-rich-Transcription factor binding to IGHM enhancer 3，SFPQ-TFE3）是由染色体1上的SFPQ基因与染色体X上的TFE3基因发生反向诱导而产生的嵌合RNA，它可以与TFE3的mRNA形成双链结构，抑制TFE3的表达，从而影响肾癌细胞的增殖和侵袭［33］。TMPRSS2-ERG融合蛋白能够增加成骨细胞标记的表达，包括Ⅰ型胶原α1链和碱性磷酸酶以及内皮素-1，促进前列腺癌的骨转移进程［34］。t（8；21）（q22；q22）易位是急性髓系白血病（acute myeloid leukemia，AML）中最常见的染色体易位，可导致嵌合基因急性髓性白血病因子1-白血病易位基因（acute myeloid leukemia factor 1-Myeloid translocation gene，AML1-ETO）的形成。有证据显示AML1-ETO联合P300介导CD48的乙酰化上调CD48的表达来抑制 AML免疫逃避自然杀伤细胞（natural killer cell，NK）的识别和杀伤，为AML1-ETO促癌基因阳性的AML患者具有更好的临床预后提供新证据［35］。

编码新蛋白：嵌合基因可以通过编码新的蛋白质或多肽，改变原有基因的编码序列和结构。譬如，BCR-ABL1嵌合基因是由22号染色体和9号染色体之间的易位导致，由BCR基因的N端与ABL1基因的C端拼接而成，产生了具有持续激活的酪氨酸激酶活性的融合蛋白。BCR-ABL1融合蛋白可以激活多种信号通路，如大鼠肉瘤（rat sarcoma，RAS）/丝裂原活化蛋白激酶（mitogenactivated protein kinase，MAPK）、磷脂酰肌醇3激酶（phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K）/ 蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）、Janus酪氨酸激酶（Janus-activated kinase，JAK）/信号转导与转录激活因子（signal transducers and activators of transcription，STAT）等，促进慢性粒细胞白血病（chionic myeloid leukemia，CML）细胞增殖和抗凋亡［36］。t（11；22）（q24∶q12）的染色体易位导致Ewing肉瘤（内皮细胞性骨髓肉瘤）断裂点区1（Ewing sarcoma breakpoint region 1，EWSR1）蛋白的N端反激活结构域和佛氏白血病病毒整合1（friend leukemia virus integration 1，FLI1）蛋白的C端DNA结合结构域融合形成EWS-FLI1基因，其编码的融合蛋白具有异常的转录激活能力，可调控多种基因的表达，如胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor 1，IGF1）、核受体亚家族0，B组成员1（nuclear receptor subfamily 0 group B member 1，NR0B1）、NK2同源框2（NK2 homeobox 2，NKX2.2）等，促进Ewing肉瘤细胞的增殖和侵袭［37］。早幼粒细胞白血病-视黄酸受体α（promyelocytic leukemia-Retinoic acid receptor alpha，PML-RARA）嵌合基因是由染色体15和17之间的易位而产生，其编码的新融合蛋白可以干扰正常的细胞分化，导致急性早幼粒细胞白血病（acute promyelocytic leukemia，APL）细胞的增殖和堆积［38］。

激活信号通路：嵌合基因可以通过激活或抑制多种信号通路，影响肿瘤细胞的生长、存活、侵袭转移等过程。例如，BCR-ABL1编码为异常酪氨酸激酶活性的融合蛋白，是CML和部分急性淋巴细胞白血病的特征性分子标志物。BCR-ABL1可以激活多条信号通路，包括RAS/RAF/MEK/ERK、PI3K/AKT/mTOR、JAK/STAT等，从而促进肿瘤细胞的增殖、存活、抗凋亡和抗衰老［39-40］。EML4-ALK编码一个具有异常酪氨酸激酶活性的融合蛋白，是非小细胞肺癌中约5%患者的驱动突变，可持续激活PI3K/AKT和Ras/MAPK信号通路，抑制肿瘤抑制因子p53和p16，促进肿瘤细胞增殖、转移和耐药［16，41］。PAX3-FOXO1是由染色体2上成对框基因3（paired box gene 3，PAX3）和叉头框蛋白O1（forkhead box O1，FOXO1）基因融合产生的嵌合基因，编码一个具有异常转录调控功能的融合蛋白，是横纹肌肉瘤患者的特征性分子标志物［42］。PAX3-FOXO1可以调控多个信号通路，包括IGF1R/AKT/mTOR、FGFR4/RAS/ERK、WNT/β-catenin和Hedgehog等，从而促进肿瘤细胞的增殖、分化、迁移、侵袭和抗凋亡［43］。

影响表观遗传：嵌合基因可以招募表观调控因子改变DNA甲基化或组蛋白修饰，从而影响基因表达。TMPRSS2-ERG是由21号染色体上的TMPRSS2基因与ERG基因发生顺向倒位而产生的嵌合基因，它可以改变多种基因的甲基化状态，如性别决定区Y框9（sex determining region Y-box 9，SOX9）［44］、蜗牛同源物2（snail homolog 2，SNAI2）［45］等，从而影响前列腺细胞癌变和侵袭、转移。有研究表明，AML1-ETO可与多种染色质修饰酶如组蛋白甲基转移酶、去乙酰化酶和聚合酶等相互作用，从而改变染色质标记、转录因子结合和基因表达。AML1-ETO通过招募组蛋白甲基转移酶EZHZ2，直接调控DNA甲基化过程。AML1-ETO参与染色质的可及性，导致关键的白血病相关基因如HoxA和Meis1的增强子区域的染色质可及性增加［46］。

调节转录或剪切：嵌合基因可以通过形成新的调控元件，如启动子、增强子、剪切位点等，影响原有基因或其他基因的转录或剪切。TMPRSS2-ERG可以利用TMPRSS2基因的雄激素响应元（androgen response element，ARE）驱动ERG基因的过度表达，从而影响前列腺癌细胞的增殖、侵袭、转移［47］。EWSR1-FLI1可以通过改变剪切位点和剪切因子结合位点，影响多个基因的可变剪切事件［48］。

2.2 嵌合基因在恶性肿瘤中的应用

嵌合基因与肿瘤的发生、进展和预后有着密切的关系，它们可以作为肿瘤的诊断标志物、预后指标和治疗靶点。

诊断标志物：一些嵌合基因具有高度的特异性和敏感性，可作为恶性肿瘤的诊断标志物或分子分型依据。例如BCR-ABL1不仅是CML的驱动基因，还可作为CML特异性分子标志物应用于诊断和分型［49］；TMPRSS2-ERG嵌合基因在前列腺癌中表达频率较高，可用于前列腺癌的筛查和鉴别［50］。EWS-FLI1和PML-RARA嵌合基因分别是Ewing肉瘤和APL的特征性标志，检测这些嵌合基因可明确诊断上述肿瘤类型［51-52］。

预后标志物：一些嵌合基因与肿瘤的进展和预后密切相关，可作为重要的预后标志物。如SFPQ-TFE3嵌合基因阳性与肾细胞癌患者的淋巴结转移和不良预后相关［53］。Silvia等［54］研究了不同的ESR1融合转录物在原发性乳腺癌中的预后价值，发现雌激素受体1含卷曲螺旋域170（estrogen receptor 1-Coiled-coil domain containing 170，ESR1-CCDC170）融合转录本表达阳性能显著缩短乳腺癌患者的无病生存时间和总生存时间。此外，亦有研究表明，携带TMPRSS2-ERG基因融合的前列腺癌患者复发风险较高［55］。

治疗靶点：嵌合基因具有强大的致癌潜力和功能，可以作为恶性肿瘤的治疗靶点。BCRABL1嵌合基因是CML的重要治疗靶点，其产生的蛋白具有异常高的酪氨酸激酶活性，可以被伊马替尼等酪氨酸激酶抑制剂有效抑制［36］。ALK基因重排能鉴别非小细胞肺癌的新分子亚型，已有临床试验证实ALK酪氨酸激酶抑制剂克唑替尼（crizotinib）在晚期 ALK阳性非小细胞肺癌患者中显示出显著的抗肿瘤活性，提高患者的缓解率和无进展生存期［56］。NPM1-ALK嵌合基因导致的恶性淋巴瘤，也表现出对ALK抑制剂的敏感性，应用于NMP1-ALK阳性淋巴瘤患者中能获得显著疗效［57］。

3 展 望

嵌合基因是一种常见的遗传变异现象，在正常细胞和肿瘤细胞中均有发现，但在肿瘤细胞中更为普遍和复杂，其形成机制主要包括基因组重排依赖的融合与基因组重排独立的融合［58］。不同类型肿瘤中的嵌合基因表达模式和功能各有差异，它们为肿瘤的分子机制、诊断方法和治疗策略提供了新的视角。早期发现的嵌合基因主要来源于血液系统肿瘤，随着测序技术的发展，发现各类实体瘤中也广泛存在嵌合基因，但如何准确鉴定和注释这些嵌合基因仍面临挑战［27］。嵌合基因具有癌细胞特异性，是理想的癌症诊断标志物和治疗靶点［59］。未来研究需开发更精准和高通量的嵌合基因检测方法，提高检测技术的灵敏度和特异度；针对嵌合基因产物开展系统化的靶向药物研发；深入研究非典型嵌合基因的功能和机制，推动嵌合基因在肿瘤精准诊疗中的科学应用。