費城染色體是如何形成的？

撰文 | 谷之

如果你喜歡看電影，你一定知道最近有一部中國國產電影曾引起不小的觀影熱潮，這部電影就是《我不是藥神》。這部電影源自2015年一位慢性粒細胞性白血病患者為他人代購印度仿製藥的真實案件。如果你看過這部電影，或許會記得電影裡提到的那個被仿製的抗癌藥“格列寧”，它影射了現實中的一種名藥——格列衛（Gleevec）。

格列衛的化學名稱是伊馬替尼（imatinib），主要用於治療費城染色體陽性（Ph+）的慢性粒細胞白血病（Chronic myelogenous leukemia，CML）。那麽，我們今天要講的主要內容就是費城染色體（Philadelphia chromosome）和造成費城染色體的原因——基因融合。

發現染色體的故事

說到染色體，大家一定不會陌生，人體細胞內有23對染色體。那麽什麽是費城染色體呢？費城不是美國的一個地名嗎？一個地名怎麽會和染色體連在一起呢？ 在說費城染色體之前，我們先來講幾個有關染色體的重要科學發現。

1879年,德國生物學家瓦瑟爾·弗萊明（Walther Flemming，1843—1905年）經過實驗發現，用苯胺染料可以將細胞核內的一種物質染成深色，他稱其為染色質。1888年，這種存在於細胞核內的易著色的物質被正式被命名為染色體。染色體的發現揭開了科學家在生命探索中的新的篇章。

德國科學家倫琴（Wilhelm R?ntgen）於1895年發現X射線後，X射線對人體組織的損害很快就為人所知。許多研究X射線的學者或截肢或罹患癌症，甚至發明大王愛迪生本人以及他的助手都深受其害。

1895年，當時年僅21歲的美國芝加哥醫學生埃米爾·格拉比（Emil Grubbe）聰明地想到：既然X射線可以損害正常的人體組織，那麽X射線也應該可以殺死癌細胞。於是他嘗試用X射線治療乳腺癌，埃米爾·格拉比成為放射治療癌症的先驅者。

然而，放射線治療癌症的機理一直不清楚，直到染色體被正式命名50年後的1938年，美國的卡爾·薩克斯（Karl Sax，1892—1973年）教授通過X線照射細胞，觀察到細胞中的染色體損傷、易位的現象。X線照射導致細胞中染色體的損傷不僅解釋了放射治療癌症的作用機制，更為重要的是，染色體發生易位的現象為後來費城染色體的發現提供了重要的實驗依據。

缺失的一小段染色體

在1960年，工作於美國費城的賓州大學病理系的教授彼得·C.諾埃爾（Peter C. Nowell，1928—）和他的學生、工作於費城福克斯蔡斯腫瘤研究中心（Fox Chase Cancer Center）的大衛·亨格福德（David Hungerford，1927—1993年）發現了一個非常有趣的現象，即慢性粒細胞白血病患者的第22號染色體比正常人的要短一小段。

他們敏銳地意識到這也許就是慢性粒細胞白血病發作的原因。後來的實驗證明這些慢性粒細胞白血病腫瘤細胞確實是從發生染色體變異的單個細胞生長而來。世人為之震驚。這一短小的染色體也就以兩位研究者所在地費城命名，即費城染色體。然而，在其後的12年中，一個問題一直困擾著科學家：為何費城染色體會短小？那缺失的一小段染色體去了哪裡？染色體缺失的意義何在？

1973年，芝加哥大學的珍妮特·戴維森·羅利（Janet Davison Rowley，1925—2013年）用優化的染色法研究慢性粒細胞白血病患者的染色體時發現，原來費城染色體所缺失的那一小段，從22號染色體的長臂易位到了9號染色體上。這一發現首次在人類癌症細胞上證明了染色體易位的發生。這一重大的科學發現被人們戲稱為“費城掉了的東西在芝加哥找到了”。

在進一步的研究中，珍妮特還發現，染色體易位在白血病中是普遍存在的，如在急性粒細胞白血病中存在8號和21號染色體的易位，在早幼粒細胞白血病中存在15號和17號染色體易位。於是珍妮特提出，每種染色體易位都會導致相應的疾病發生，這是對傳統“腫瘤是由病毒引發”的觀念的挑戰。通過對不同腫瘤的染色體進行研究，到1990年，科學家已經發現了70多種染色體易位。

染色體易位造成的基因融合

現在我們知道，原來費城染色體的形成是染色體發生了易位的緣故，那麽為什麽染色體發生了易位會導致腫瘤呢？

1985年，科學家通過進一步研究發現，費城染色體形成時，原來9號和22號染色體斷裂點上，各含有一個基因，分別是9號染色體上的ABL基因和22號染色體上的BCR基因。費城染色體易位形成後，打斷了這兩個原有的基因，同時又組合成了新的BCR-ABL“融合基因”，BCR-ABL“融合基因”的發現，也引出了我們要探討的第二個重要問題——基因融合。基因融合在腫瘤研究中具有非常重要的科學意義，因為針對基因融合所開發的治療癌症的藥物，轉變了原有的癌症治療方式，為癌症患者提供了更為精準的、靶點的、個體化的治療方案。

那麽，什麽是基因融合呢？基因融合是指兩個基因的全部或一部分序列相互融合為一個新的基因的過程，其原因有可能是染色體易位、中間缺失或染色體倒置，通常具有致瘤性。

讓我們再回過頭來看費城染色體中的BCR-ABL融合基因。我們知道，基因是一段DNA序列，可以轉錄成mRNA，細胞根據mRNA上攜帶的編碼信息翻譯合成具有功能的蛋白質。融合基因與普通的基因具有一樣的功能，BCR-ABL融合基因能編碼一種分子量是210kD的蛋白質（P210），這種蛋白質有增強的酪氨酸激酶活性，如果酪氨酸激酶一直處於“活躍”狀態，能引起細胞的不受抑製的生長，並抑製了細胞凋亡的發生，造成細胞生長失控，最終導致慢性粒細胞白血病的發生。

費城染色體易位導致酪氨酸激酶活性增強，繼而引發慢性粒細胞白血病，這一機制是在1985年被發現的。隨後，瑞士汽巴嘉基（Ciba-Geigy）製藥公司的研究員尼古拉斯·B.萊登（Nicholas B. Lydon）與俄勒岡健康與科學大學（Oregon Health & Science）的布萊恩·J.德魯克爾（Brian J. Druke）等人合作研發抗腫瘤藥物。他們通過高通量篩選技術，找到了2-苯胺基嘧啶（2-phenylaminopyrimidine）。它可以與BCR-ABL蛋白上的活性位置結合，抑製其活性。研究者通過對2-苯胺基嘧啶進行甲基和苯甲酰胺等修飾以增加其藥性，最終得到了伊馬替尼。

2001年，美國食品藥品監督管理局（FDA）批準了伊馬替尼作為治療慢性粒細胞白血病的一線用藥，其商品名就是格列衛。格列衛自上市之日起，一直位於暢銷藥物之列，它將慢性粒細胞白血病的治愈率從不到50%增加到90%。格列衛成為第一個針對BCR-ABL靶點的靶向藥，用於治療融合基因所引起的癌症，這也開創了靶向治療癌症的先河。

基於融合基因的廣譜靶向治療

NTRK基因融合是指編碼TRK蛋白的NTRK基因異常地與其他基因融合，從而產生促進腫瘤生長的生長信號。雖然NTRK基因融合很罕見，但在不同類型的癌症中都有存在。

近兩年針對NTRK的靶向治療可謂有了突破性的進展。比如，Entrectinib突破性療法被批準用於治療NTRK陽性的局部晚期或轉移性實體瘤的幼兒神經母細胞瘤、非小細胞肺癌和轉移性結直腸癌。Entrectinib（RXDX-101）是一種口服的ATP競爭性酪氨酸激酶抑製劑，該藥物在體外和體內實驗中對TRKA/B/C、ROS1和ALK融合等靶點均顯示出了非常好的活性，具有廣譜治療效應。

2018年5月，美國食品藥品監督管理局批準對另一個針對NTRK基因融合的藥物Larotrectinib進行優先審查。僅僅6個月後，就在2018年11月27日，美國食品藥品監督管理局批準了由拜耳和Loxo腫瘤公司聯合開發的、首個針對NTRK基因融合的TRK抑製劑Larotrectinib（商品名為Vitrakvi）。

Larotrectinib是針對NTRK這一致癌驅動基因量身定製的，且與腫瘤類型無關的治療藥物。 NTRK融合腫瘤的診斷可通過特定的檢測方法，包括新一代測序技術（NGS）和熒光原位雜交對NTRK基因融合進行鑒定。

Larotrectinib已經在多種存在NTRK基因融合的獨特的腫瘤類型中顯示了臨床效果，包括肺癌、甲狀腺癌、黑色素瘤、胃腸道間質瘤、結腸癌、軟組織肉瘤、涎腺腫瘤和嬰兒纖維肉瘤。Entrectinib和Larotrectinib，這兩個新的靶向藥物開啟了廣譜靶向融合基因治療的時代，為癌症患者的治療帶來了新的希望。然而，隨著靶向藥物的增多和檢測靶點的增加，多重基因檢測的需求也逐漸產生，基因序列檢測和個體化治療已經成為腫瘤治療的公認趨向。

儘管基因融合一直被認為是腫瘤細胞獨有的特徵，但最近的研究發現，幾乎所有正常器官和組織細胞中都存在融合基因，而且融合基因具有極其重要的生理功能。因此，針對腫瘤的融合基因檢測更為重要。在未來的腫瘤治療中，精準的腫瘤基因檢測將是指導臨床用藥的重要手段。只有找到腫瘤基因，才能精準選擇靶向藥物對患者進行治療，才可能成為真正的“藥神”。

作者簡介：

谷之，醫學博士，美國知名基因實驗室領頭人。

原文標題為“《我不是藥神》裡的科學|費城染色體和基因融合的發現”，首發於《小多少年時》，《知識分子》獲授權轉載。