超越现实 |全癌标志物来了，防癌于“未癌“梦想成真

2021-07-08
导读

“谈癌色变”的时代远未过去，早筛早诊早治已成为对抗癌症的利器。DNA甲基化标志物悄然登上舞台，但不同标志物用于不同种癌。能否找到所有癌症共有的甲基化标志物，从而将它们一网打尽。复旦大学生物医学研究院表观遗传学中心高级研究员、上海市公共卫生临床中心教授深耕DNA甲基化研究二十余年，鉴定了一类或可适用于全部癌症的甲基化标志物——全癌标志物（Universal Cancer Only Marker，UCOM）。

全球首个全癌标志物HIST1H4F于2019年在Cancer Research国际期刊（2020 IF=12.701）发表；2021年6月于文强教授团队联合上海交通大学医学院附属国际和平妇幼保健院、复旦大学附属妇产科医院、复旦大学附属金山医院及上海奕谱生物科技有限公司在Clinical and Translational Medicine国际期刊（2020 IF=11.492）发表了第二个全癌标志物PCDHGB7。本文将深入解读全癌标志物的发现历程及其对于癌症研究和早期筛查的重要意义。


图1. 全球首个全癌标志物HIST1H4F

图2. 新的全癌标志物PCDHGB7

《科技日报》报道全癌标志物研究
报道链接：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2021-07/08/content_471323.htm?div=-1


没有GPS就没有全癌标志物


人类基因组由A、G、C、T组成，约有30亿对碱基。DNA甲基化主要发生在CpG位点中的C上。研究表明，细胞在癌变过程中有10%~60%的CpG位点，即280~1680万个CpG位点的甲基化可能发生变化。想要了解人类基因中的DNA甲基化全景，通常需要借助全基因组DNA甲基化测序技术，然而其比对率较低。早期的全基因组DNA甲基化检测的比对率只有不到30%[1]，造成了大量测序数据的浪费。

图3. 人类基因组DNA甲基化概况

为了突破传统DNA甲基化测序方法中比对率低的瓶颈，于文强教授课题组经过8年的攻关，借助双端测序，即测序的一端是基因组原序列，另一端是转化后表观序列，比对率低问题迎刃而解。课题组将这种全基因组 DNA 甲基化检测方法命名为 GPS（Guide Positioning Sequencing），即“导航定位测序”[2]，目前已经获得国内和国际专利。借助拥有自主知识产权的GPS技术，全基因组DNA甲基化检测将更精准，无论是检测的准确性还是覆盖度均远超全基因组甲基化检测“金标准”WGBS（whole-genome bisulfite sequencing），基于此，他们可以看到别人看不到的规律，也可以发现别人发现不了的东西，全癌标志物的发现就是一个典型的例子。关于GPS测序技术的深入解读，详见《给DNA甲基化检测装上GPS，看肿瘤细胞如何变花样》[3]。

图4. GPS 比 WGBS 具有更高的比对率

在全基因组甲基化的分析过程中，课题组注意到很多组蛋白基因在多种肿瘤中都呈现高甲基化。这引起了他们的极大兴趣，这些位点可否揭示肿瘤的共有特征？是否具有开发为肿瘤标志物的潜力呢？


首个全癌标志物HIST1H4F的发现与肺癌检测


· HIST1H4F作为全癌标志物的验证
为了证实GPS揭示的组蛋白基因的肿瘤中的高甲基化，课题组在TCGA数据库的17种肿瘤的7000多例样本中分析发现，许多组蛋白基因确实在多种肿瘤中发生异常高甲基化，尤其是HIST1H4F基因。

图5. 在17种肿瘤中85种组蛋白基因的甲基化状态
CESE, 宫颈癌; HNSC, 头颈部肿瘤; ESCA, 食管癌; COAD, 结肠腺癌; READ, 直肠腺癌; PAAD, 胰腺癌; STAD, 胃腺癌; KIRC, 肾透明细胞癌; THCA, 甲状腺癌; LIHC, 肝癌; PRAD, 前列腺癌; BLCA, 膀胱尿路上皮癌; LUNG, 肺癌; BRCA, 乳腺癌; UCEC, 子宫内膜癌; CHOL, 胆管癌; SKCM, 黑色素瘤

随后课题组发现在分析的17种肿瘤中HIST1H4F均显著高甲基化。为了进一步证实该结果，他们收集到了8种肿瘤临床样本，HIST1H4F高甲基化在所有肿瘤中均存在高甲基化。据此，他们认为HIST1H4F是潜在的肿瘤共有标志物，将之命名为“全癌标志物” （Universal Cancer Only Marker，UCOM）。

图6. HIST1H4F基因在8种肿瘤的临床样本中均异常高甲基化

· HIST1H4F高甲基化与肺癌检测
肺癌是全球死亡人数最多、发病人数居第二位的癌症，肺癌的早期检测对于提高肺癌患者的生存率至关重要。为了验证HIST1H4F能否用于肺癌的早期检测，课题组收集了206例肺癌患者与59例肺部良性疾病患者的肺泡灌洗液。

结果显示，HIST1H4F基因在肺癌患者的肺泡灌洗液样本中显著高甲基化。在训练集中，检测特异性高达96.7%，检测敏感性为87.0%；在验证集中，检测特异性高达96.5%，敏感性87%。这说明HIST1H4F高甲基化在肺癌检测中具有非常高的潜在临床应用价值。

图7. 在肺灌洗液中HIST1H4F基因高甲基化具有很高的临床应用价值
BLD, 良性肺病; LUAD, 肺腺癌; LUSC, 肺鳞癌; SCLC, 小细胞肺癌

以上研究证实HIST1H4F高甲基化可以作为“全癌标志物”（Universal Cancer Only Marker，UCOM），并验证了其在肺癌检测中的优异表现。相关研究于2019年12月发表于国际权威期刊Cancer Research [4]。

在发现HIST1H4F的过程中，课题组还发现PCDHGB7基因在多种肿瘤中高甲基化，于是将目光转向了PCDHGB7。


第二个全癌标志物PCDHGB7将宫颈癌筛查提前到“未癌”阶段


· PCDHGB7作为全癌标志物表现优异
为了系统探索PCDHGB7是否可以作为新的全癌标志物及其临床应用，课题组联合上海交通大学医学院附属国际和平妇幼保健院、复旦大学附属妇产科医院、复旦大学附属金山医院以及上海奕谱生物科技有限公司等单位进行了全面的探索。证实PCDHGB7确实是一个新的全癌标志物，并可用于宫颈癌早期检测。相关研究于2021年6月底发表于Clinical and Translational Medicine杂志（2020 IF=11.492）[5]。

首先课题组利用TCGA数据库（7114例样本）数据进行分析，发现与非癌组织相比，在17种肿瘤中PCDHGB7均显著高甲基化。

图8. 在17种肿瘤中PCDHGB7均显著高甲基化

为了进一步验证这个结果，课题组收集到了13种组织类型的临床样本（727例），发现在所有检测的癌症类型中，PCDHGB7均显著高甲基化。这些结果证实PCDHGB7是一个新的全癌标志物。

图9. 在13种肿瘤的临床样本中PCDHGB7均显著高甲基化

· PCDHGB7用于宫颈癌的早期检测
宫颈癌是长期以来困扰女性的癌症，全球每年新增宫颈癌超过50万，每年死亡超30万。2020 年 11 月，世界卫生组织发布了《加速消除宫颈癌全球战略》，这是全球首次承诺消除一种癌症。早期筛查和及时干预对于宫颈癌的防治至关重要，现行的宫颈癌筛查主要依赖于高风险的HPV检测和ThinPrep 细胞学检测（ThinPrep cytologic test，TCT），但它们的敏感性存在一定局限性，尤其对于早期的癌前病变检测能力不足。

图10. 宫颈癌进展的四个阶段

课题组收集了四种宫颈组织，包括病理诊断阴性（非癌）、两种癌症病变（低级别瘤变LSIL、高级别瘤变HSIL）和宫颈癌，检测了PCDHGB7 在四种组织中的甲基化水平，发现PCDHGB7在癌前病变阶段，具体为高级别瘤变阶段，就已经显著高甲基化；而且PCDHGB7还可以进一步区分开高级别瘤变和低级别瘤变。

图11. PCDHGB7在高级别瘤变中已经显著甲基化

· PCDHGB7将宫颈癌筛查提前到高级别瘤变阶段
宫颈癌的发生是一个较长的过程，HPV感染是宫颈癌的元凶，而高级别瘤变是最接近宫颈癌的阶段，临床一般会采取手术干预。为了全面评估PCDHGB7在宫颈癌中的表现，课题组收集了宫颈刮片样本并利用上海奕谱生物科技有限公司独创的ME-qPCR检测PCDHGB7，得到了与此前相似的结论。PCDHGB7在高级别瘤变阶段HSIL就可以被鉴定出来，进而可以有效地干预，提高患者的生存率。利用高甲基化的PCDHGB7作为标志物，检测高级别瘤变HSIL的ROC曲线下面积AUC为0.87，检测宫颈癌的AUC为0.97，检测高级别瘤变HSIL或宫颈癌的AUC为0.88（AUC是评价标志物的效能的重要指标，越接近1表示其性能越优异）。在训练集中检测后，他们又在独立的验证集中进行验证，并计算了其敏感性和特异性。对于检测高级别瘤变HSIL，特异性为88.7%，敏感性为73.7%；而对于检测宫颈癌，特异性同为88.7%，但敏感性提升至100%。这些结果说明PCDHGB7在宫颈癌的早期检测中表现优异。HPV高危型病毒的感染给广大女性的生活造成了极大的困扰，事实上HPV感染后只有15%左右的女性会罹患宫颈癌，而且需要很长的时间，因为HPV感染造成的过度医疗是目前宫颈癌预防的突出问题。全癌标志物可以将宫颈癌的筛查提高到高级别瘤变阶段无疑具有重要意义。通过全癌标志物的检测既可以减少女性对HPV感染的焦虑，也可以有效防止锥切等过度医疗手段的实施。肿瘤的早诊早治已是共识，全癌标志物将宫颈癌的筛查提前到“未癌”阶段，他们有理由相信全癌标志物将为全球2030年消除宫颈癌提供一个可执行的中国方案。

图12. PCDHGB7甲基化可以将宫颈筛查提前至癌前病变阶段

图13. PCDHGB7在宫颈癌筛查中表现优异

· 阴道分泌物取样开启宫颈癌居家筛查新方式
宫颈刮片是一种微创的样本来源，而且必须由妇产科专科医生取样，而阴道分泌物是一种无创的样本，女性可自行居家采样。如果能够检测阴道分泌物中的PCDHGB7的甲基化不仅是实现宫颈癌居家检测的第一步，也为女性有尊严的进行宫颈癌的有效筛查奠定了基础。课题组收集了273例不同宫颈癌病变阶段的阴道分泌物。让他们感到吃惊的是，利用阴道分泌物对宫颈癌进行筛查，在90.4%特异性的情况下，敏感度高达90.9%，他们的结果再一次证明全癌标志物可以让宫颈癌筛查更简单，居家，快捷，易行。

图14. 在阴道分泌物中检测PCDHGB7可实现宫颈癌的居家检测


全癌标志物的思考


DNA甲基化标志物受到越来越多的关注，各种类型的标志物层出不穷，但如前所述，不同类型的肿瘤有不同的标志物，同一种肿瘤有好多种标志物，让人眼花缭乱。早在2000年，麻省理工的Robert Weinberg就总结了癌症的六大特征[6]；2011年，他进一步将癌症的特征总结为10种[7]，癌症的十大特征已成为全球癌症研究者的共识和理论基础。既然不同类型的癌症有一系列共同的特征，那么是否也存在共同的标志物呢？这是课题组的基本设想。

全癌标志物的发现证实了课题组的设想，他们不需要通过多种标志物的排列组合或者复杂的建模，用一种标志物检测多种肿瘤，就可以将肿瘤一网打尽。全癌标志物研究才刚刚开始，有一系列问题尚待解决，比如：1）除了这两个全癌标志物，还有多少个呢？2）全癌标志物是否提示癌症具有统一的发病机制呢？对这些问题的回答，就进一步推动肿瘤标志物研究的进展，最终让患者受益。

全癌标志物的研究大幕已经拉开，技术方法已经成熟，让大家期待它在癌症早期检测中大放异彩！


全癌标志物随想


全癌标志物让课题组美梦成真！全癌标志物自诞生那天起就颠覆了他们对肿瘤的认知：1）全癌标志物用一种标志物可以实现所有肿瘤的检测，让肿瘤检测简单易行，让需要高昂费用的多位点多纬度肿瘤筛查换了个马甲飞入“寻常百姓家”；2）全癌标志物可以实现宫颈癌的超早期甚至到高级别瘤变阶段，让防癌于“未癌”美梦成真；3）全癌标志物的筛查简单易行，结合两癌筛查的分级诊疗，实现全球消除宫颈癌他们成竹在胸，中国方案在路上；4）全癌标志物的发现提示所有肿瘤有共同的发病机制，以全癌标志物为切入点揭示肿瘤共同机制，他们有的是信心；5）全癌标志物的检测能够做到精准稳，From Bench to Bed，看似简单的事情一点也不简单，可重复80%靠的是你的灵气，可重复100%靠的是你的底气；6）全癌标志物，中国的标志物，世界的标志物。有了全癌标志物，他们就可以实现肿瘤的全流程监测，“让人人远离癌症”不再是一句口号，让梦想之光照进现实。全癌标志物，使命在肩，全癌标志物，任重道远，全癌标志物让一切不可能变为可能！


关于奕谱生物


上海奕谱生物科技有限公司作为全癌早筛的倡导者和开拓者，是一家专注于肿瘤DNA甲基化分子诊断，聚焦精准诊疗产业的高新技术企业，依托顶尖的表观遗传专家团队，凭借深厚的学术积累，智造引领时代的崭新技术产品，只为将癌症消灭于萌芽之中！奕谱生物深耕癌症筛查领域，秉承“让人人远离癌症”的使命，致力于癌症的早发现、早诊断、早治疗，以提高癌症患者生存率为己任，实现全民健康！
奕谱生物官网：http://www.epiprobe.com/


参考文献：
1. Yong, W.S., F.M. Hsu, and P.Y. Chen, Profiling genome-wide DNA methylation. Epigenetics Chromatin, 2016. 9: p. 26.
2. Li, J., et al., Guide Positioning Sequencing identifies aberrant DNA methylation patterns that alter cell identity and tumor-immune surveillance networks. Genome Res, 2019. 29(2): p. 270-280.
3. 徐鹏 and 于文强, 给DNA甲基化检测装上GPS，看肿瘤细胞如何变花样. 自然杂志, 2019. 41(05): p. 325-334.
4. Dong, S., et al., Histone-Related Genes Are Hypermethylated in Lung Cancer and Hypermethylated HIST1H4F Could Serve as a Pan-Cancer Biomarker. Cancer Res, 2019. 79(24): p. 6101-6112.
5. Dong, S., et al., Hypermethylated PCDHGB7 as a universal cancer only marker and its application in early cervical cancer screening. Clin Transl Med, 2021. 11(6): p. e457.
6. Hanahan, D. and R.A. Weinberg, The hallmarks of cancer. Cell, 2000. 100(1): p. 57-70.
7. Hanahan, D. and Robert A. Weinberg, Hallmarks of Cancer: The Next Generation. Cell, 2011. 144(5): p. 646-674



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