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閒話基因體科學_19.乳癌基因(BRCA )的最新進展-臨床檢測之應用及生物學功能之探討
by 陳怡蓁, 2012-08-21 13:46, Views(2174)

乳癌基因(BRCA)的最新進展

-臨床檢測之應用及生物學功能之探討

 

臺大醫學院  謝豐舟教授

 


雖然癌症並非典型的遺傳疾病,然而隨著基因體科學的進步,大家漸漸能接受癌症有其遺傳因素,而有“Cancer is an acquired genetic disease”的說法。癌症的遺傳模式十分複雜,但有越來越多的癌症易感基因(cancer susceptibility gene)被發現(表一)。其中最為人知的就是與乳癌相同的BRCA基因。本文且以BRCA基因為例來探討目前生物醫學界對癌症易感基因的觀點與實務。

 

I. 大紐約區乳癌研究(New York Breast Cancer Study)

1990Mary-Claire King女士在一項會議上發表她對家族性乳癌的長年研究。經過鍥而不捨的努力,她發現17號染色體上確實有與乳癌密切相關的基因存在。這項消息立刻引起學界瘋狂地搶進17號染色體基因的分析工

作。1994年塩湖城Myriad Genetics公司的科學家拔得頭籌,發現了BRCA 1

基因。15個月後由英國Institute of Cancer ResearchRichard WoosterMichael Stratton所領軍的國際團隊發現了另一個乳癌基因BRCA 2。不過美中不足的是,只有5%的乳癌患者帶有BRCA基因的突變。據估計,帶有BRCA基因突變者,終其一生罹患乳癌的機率約為80%,罹患卵巢癌的機率則約20-65%。不過這些人發病的機率到底多高,仍有相當的爭議。

為了釐清BRCA基因與乳癌的關係,Mary-Claire King女士於美國大紐約區進行了一項大規模的研究(New York Breast Cancer Study)。她對大紐約區於19969月至200012月被診斷為侵襲性乳癌的1,008Ashkenazi Jews婦女,檢測其BRCA基因之突變。由於在Ashkenazi Jews人口中BRCA基因之突變點主要有三處,population frequency合計高達2.5%。除此之外的突變點極為罕見,因此只需對此三處進行檢測,大大地加速了BRCA基因的分析工作。在1,008位受測者中,104位(10.3%)帶有BRCA基因之突變;42位(4.2%)為BRCA 1. 185delAG25位(2.5%)為BRCA 1. 5382insC37位(3.7%)為BRCA 2. 6174delT。值得注意的是,這104位帶有BRCA基因突變的乳癌患者,正好一半(52位)全無罹患乳癌的家族史(包括母親、姊妹、祖母、阿姨),亦即來自所謂low-incidence familyKing進一步對這104位患者仍存活的女性血親進行追踪及基因檢測。對已過世者亦盡力探索其病歷或死亡診斷,至於基因檢測則透過其子女或病理標本之分析來進行。據此,她進行了Kaplan-Meier分析,推算出帶有BRCA基因突變之女性親屬罹患乳癌之機率在40歲為20%,至60歲累積到55%80歲時則累積到80%以上。基因突變點的不同並不影響乳癌的發病機率。不過在65歲以前BRCA2突變者發生乳癌的機率比BRCA1突變者稍低,但在卵巢癌方面,BRCA 1突變者發病的機率明顯高於BRCA 2突變者。

更有趣的是,出生於1940年以後的BRCA基因突變者發生乳癌的機率明顯比出生於1940年以前者為高(1940年為此一cohort出生年之中位值)。進一步對967proband進行生活型態之問卷調查,King發現首次懷孕時愈年輕,則乳癌發生率愈低,而曾經懷孕,青春期有運動(physical exercise)以及初經及21歲時體重適中(未肥胖)均可延緩乳癌發生,亦即可能對乳癌有保護(protective)效應。

King對此研究做出以下的結論:

1.      經由單一罹患乳癌之親屬所確認的BRCA 1BRCA 2基因突變者,其乳癌及卵巢癌之罹病率相當於有多數患者之家族(multiply affected families)。因此她們也許會受益於一些預防措施,如嚴謹的檢查,化學藥物預防,甚至對卵巢或乳房的預防性手術。

2.      非遺傳因素(non genetic factors)對高危險族群之發病情況仍有其影響力。

綜合以上的發現,Plon等提議可以考慮對所有乳癌患者提供BRCA基因之檢測。由於King之研究顯示104位帶有BRCA基因突變的乳癌患者中,52位(50%)之女性親屬全無乳癌病史。這顯示我們無法藉家族史來預測某一乳癌患者是否帶有BRCA基因之突變而必須依靠直接檢測。對於藉此而發現的BRCA基因突變女性親屬,預防性的卵巢切除術可能有所助益。目前的研究顯示帶有BRCA基因突變者接受卵巢切除可以使卵巢癌減少95%,乳癌減少50%。由於King之研究係針對已有一位親屬發病之BRCA基因突變者,至於一般人口中之BRCA基因突變者是否也有相同的罹病機率,則仍待探討。因此Plon亦建議可以考慮對一般人口進行BRCA基因突變及其發病機率之調查。

 

II.癌症易感基因檢測之難題­­—BRCA基因及HNPCC基因為例

BRCA基因突變與乳癌之關係為所有癌症易感基因(cancer susceptibility gene)中較為清楚的一環,檢測技術也已具備,但在臨床實務上卻仍有不少棘手的問題必須面對。

1.      基因檢測的接受率不高

即使在HBOChereditary breast & ovarian cancer) HNPCC (hereditary non- polyposis colorectal cancer) 之高危險者也只有50%願意接受檢測,在歐洲約38%,在美國約82%。值得注意的是受測者很少是因醫生的建議而接受基因檢測,顯示多數醫生對遺傳性癌症之認識仍嫌不足。

2.      社會心理因素之障礙

迄今,美國、歐洲和澳洲的研究均顯示BRCA基因檢測並沒有不良的心理後遺症。對高危險家族成員接受基因檢測而呈陰性結果者可能有心理上的好處。令人驚奇的是對檢測呈陽性者似乎負面的心理效果不如預期之大。也許是這些人本來就有最壞的打算。研究也顯示在諮商時壓力甚大,而後拒絕檢測者,後來發生憂鬱症的危險性最大。無論如何,基因檢測可能引發微妙的影響,而且有一部份人可能無法承受基因檢測的心理壓力,因此必需特別小心。

3.      基因檢測後之行為並無改變

基因檢測之目的在使帶有突變者能採取一些正向的行為,以減低癌症之發生機率,然而實際上並非如此。研究顯示,基因檢測陽性者真正接受癌症篩檢或相關處置的比率不到50%。帶有BRCA基因突變者接受癌症篩檢的不多,反而HNPCC突變者有四分之三接受篩檢。無症狀的BRCA基因突變者接受卵巢切除的不多,倒是乳癌患者帶有BRCA基因突變而接受另側乳房切除的較多。

4.      倫理及社會之影響

a.      隱私權及遺傳歧視(privacy and genetic discrimination

基因檢測可能因第三者(保險公司或雇主)獲悉結果而影響其隱私權,甚至遭受歧視。15%有遺傳病風險的美國人在求職時曾被詢及遺傳疾病,13%其本人或家屬因此被解僱。已知帶有遺傳疾病者之中,22%曾被拒絕投保,即使他們並無症狀。在澳洲,保險公司要求投保者必須明示自己已知之遺傳疾病。此一問題在沒有公辦保險的美國尤為嚴重。

美國1996年的Health Insurance Porta- bility and Accounta- bility ACT 法案 (HIPAA) 雖然禁止針對群體保險之個人因疾病而拒絕投保或提高保費,卻不包含對個別投保者的保護,也未禁止保險公司收集要保者的遺傳檢測資料或要求基因檢測。

在禁止歧視方面,在美國並無聯邦法律加以禁止,只有各州自行立法(目前僅41州),英國政府則禁止保險公司依遺傳檢測結果提高壽險,長期照護及收入保險之保險費,此項禁令將於2006年再加檢討。

b.      種族歧視(Discrimi- nation based on race or ethnic ancestry

無可避免地,某些族群帶有某種癌症易感基因的機率會較其他族群為高。如白人婦女帶有BRCA1BRCA 2基因突變的機率較非洲裔婦女為高,而美國及歐洲之猶太人帶有BRCA 1, BRCA 2APCfounder mutation的機率較高。

鐮狀貧血(Sickle cell anemia)之強制篩檢使非洲裔美國人被貼上標籤,事實上,其他社群也有類似的鐮狀貧血發生率。相同地,基因檢測的推行也使猶太人蒙上帶有某些癌症易感基因的陰影。

c.      諮詢服務資源之不足

隨著各種癌症易感基因的發現,諮詢的需求大幅增加,理論上此類諮詢需有檢測前與檢測後諮詢(pre-test and post- test counseling)。然而以美國為例,目前只有1,800位合格的遺傳諮詢員,而且受過訓練的遺傳醫師(medical geneti- cist)更嚴重不足。而一般的醫生對遺傳學的認識相當缺乏。研究顯示,一般醫生只有30%,而腫瘤科醫生只有50%有自信從事遺傳諮詢。

隨著基因體醫學的日趨複雜,顯然需要更多的醫生接受良好的遺傳學訓練,然而,時間因素及管理式醫療形態在在都使良好的癌症遺傳諮詢益形困難。

雖然各種癌症易感基因的檢測可能使我們達到個人化醫療(personalized medicine)的境界,針對個人的:

1. Cancer susceptibility genes 

2. Genetic variant that augment the effect of risk factor exposure 

3. Cancer-risk behavior

擬定出生活型態及醫療照護的計劃,以預防癌症,但以上所提的種種障礙卻也必需面對。到底癌症易感基因檢測是福是禍,到底社會有無能力提供這種服務(時間、金錢、人力、社會正義)以及所可能引發的心理倫理、社會、隱私、歧視等問題也是在實際執行之前必需列入考量的面向。

 

III.BRCA基因功能及其突變後之致病機轉

BRCA基因的發現使研究者大為興奮,以為會為所有乳癌患者帶來福音。然而除5-10%的案例之外,90-95%的乳癌患者其BRCA基因並無突變。本來大家期望BRCA基因能像RB基因之對Retinoblastoma一樣,也能對一般的sporadic病例提供突破性的資訊,不過卻是事與願違。

到底BRCA基因在癌症形成的過程扮演什麼角色呢?2002年波士頓Dana-Faber Cancer InstituteAlan D’Andrea意外地發現在一些找不到典型基因突變的Fanconi Anemia病童,竟然發現有BRCA 2的突變,而且都是同合子(homozygote)的狀態;也就是從父母雙方各遺傳到一個突變的BRCA2基因。Fanconi anemia (FA)的病患有明顯的chromosome instability,極易產生各種癌症但卻罕有乳癌和卵巢癌。令人驚奇的是,一個BRCA 2基因產生突變會造成Breast and Ovarian Cancer Syndrome。但是兩個基因都突變卻會造成類似Fanconi anemia的疾病(Fanconi anemia-like disease)。

事實上,缺少BRCA2基因(BRCA 2 deficient)的細胞會呈現Fanconi anemia特有的染色體斷裂現象(sister chromatid breakage, Y-shaped tri-radial chromosome, Star-shaped quadri-radial chromosome)。這也是最初導致研究者會注意到BRCA 2基因與FA有相關性的一個重要線索。所以,我們可以推測BRCA基因與FA基因(FA-A, FA-C, FA-G)的功能是在維持染色體的穩定,避免染色體發生結構變化(structural aberration)。由此,我們推測BRCA基因和FA基因,以及其他維繫染色體穩定性的基因如RAD51, ATM, ATR, MSH2, MSH6, BLM, MRE11-RAD50-NSB1 complex…可能構成一個維持染色體穩定度的網路(Network),也就是說,染色體的穩定狀態並非由某一個單一的路徑(a single linear pathway)來維持。以下就嘗試來解析這個網路:

 

1.      BRCA1FA蛋白質之關聯

實驗顯示,DNA受損細胞之細胞核含有BRCA 1, BRCA 2以及RAD51 recombinase,此外還有與Fanconi anemia相關的FANCD 2。研究更顯示FANCA, FANCC, FANCF, FANCGFANCL蛋白質在FANCE存在下形成細胞核內的多分子複合物(multimolecular complex)。此一複合物有助於FANCD 2之堆積在DNA受損之細胞核內,與BRCA 1, BRCA 2RAD51互動。實驗上,FANCD2可與BRCA 1一起以免疫法沈澱分離。因此,BRCA 1, BRCA 2RAD51與各種FA蛋白質合作以對DNA受損進行生物反應。事實上,缺少前述任一蛋白質之哺乳類細胞確實較無法應付genotoxins(如mitomycin, ionizing radiation)而發生各種染色體異常如Chromatid break tri- and quadri-radial染色體。我們可以推測BRCA 1, BRCA 2, RAD51及各種FA蛋白質在應付內源性及外源性DNA損害上扮演著重要的角色。不過還是看不出任何直接的linear pathway

2.      BRCA基因與DNA recombination之關連-RAD51之角色

前述證據已顯示BRCA 1, BRCA 2RAD51之關聯性。因此,我們進一步從RAD51之作用來探討BRCA基因之功能。RAD51是屬於演化上高度保留的ATPase家族的一員。它存在於原核生物,真核生物及古細菌。我們已知此一家族最原始成員-bacterial Rec A扮演著DNA recombination的中心角色。RAD51會包覆單鏈DNAsingle stranded DNA)形成螺旋狀的核蛋白絲(helical nucleoprotein fila- ment),此核蛋白絲再嵌入雙鍵DNA之對應序列與之配對,進行homologous recombination所需的strand- exchange reaction。目前in vitroin vivo的證據均強烈支持RAD51核蛋白絲是homologous recombination過程絕對必要的中介角色。Homologous recombination不僅是修復雙鍵DNA斷裂(double strand breaks, DSB)所必需,更是有絲分裂時sister chromatid exchange (SCE) 所需。而且在減數分裂時的crossing over也少不了它。在實驗上,確實證明了BRCA 1BRCA 2基因之缺陷會影響DSB修復,SCE以及減數分裂。結論是,BRCA 1, BRCA 2透過RAD51確實會影響homologous recombination,進而影響DSB repair, SCEmeiosis。不過FA proteinhomologous recombination的關連性目前仍不清楚。

3.      BRCA 2RAD51之控制

BRCA 2經由其BRC repeatsRAD51直接結合。BRC repeats30-40residue motif反覆8次構成,是哺乳類演化高度保留的一個結構。藉此,BRCA 2可以控制RAD51的聚合狀態(oligomerization)。此聚合狀態是RAD51形成核蛋白絲來參與homologous recombination的關鍵步驟。

BRCA 2亦可控制RAD51之定位與組成:(1)RAD51藉由其BRC repeat停留在細胞核內並且處於不活化的狀態,藉此防止不適當的聚合(oligomerization);(2)DNA受損會活化BRCA2-RAD51 complex促進RAD51DNA受損處聚合成核蛋白絲以進行homologous recombination(3)homologous recombination完成,BRCA 2令打斷且移除既成的RAD51核蛋白絲,以停止DNA修復機制。

BRCA 2蛋白質共有3,418個氨基酸,在2,4783,185位置有一段約800個氨基酸會與DSS1蛋白質結合。此一結合會開啟BRCA 2基因上3OB domains oligonucleotide-oligosac- charide binding domains以及一個塔狀的接合結構(OB2)。OBOB2能使BRCA 2移至DNA repairhomologous recombination所產生的ss DNA-ds DNA接合點,並進而促成RAD51的組合。

4.      BRCA 1DNA受損之反應

目前可以推測BRCA 1homologous recombination過程中的角色扮演是在BRCA 2RAD51的上游。細胞在SG2 phase若發生DNA損傷時,會活化數個protein serine / threonine kinaseATM, ATR, CHK2BRCA 1進行磷酸化,接著BRCA 1經由調控CHK 1PLK 1kinase控制後續的check point activation以達成checkpoint arrest。另外BRCA 1亦可藉由與mismatch-repair enzymeMSH2, MSH6DNA helicaseBLM以及MRE11-RAD50-NBS1 complex的相互作用影響homologous recom- bination。總之,BRCA 1基因在DNA repair的過程似乎對checkpoint activation以及homologous recom- bination均有影響。另外,也有人指出BRCA 1chromatin remodeling, X-chromosome silencing, transcri- ptional activation, RNA polymerase activities也有影響。

DNA損傷發生時,BRCA 1FANCD 2會聚集在細胞核的同一處所,FANCD 2需要ubiquitination(在Lys561處加上一個ubiqutin moiety)才能移動到適當位置與BRCA 1作用。目前已知,此一FANCD 2ubiquitination需要其他的FA蛋白質,尤其是FANCLBRCA 1BARD 1會形成heterodimer。平常處於不活化狀態,但遇有DNA損傷時,透過damage sensor以及protein kinase的作用,BRCA 1-BARD 1就會經由phosphorylationubiquiti- nation而活化,移動到核內的適當位置執行各種修復功能。此一反應需要BRCA 1FANCA互動,但在FANCD 2ubiquitinationBRCA 1-BARD 1並非必要。

5.      BRCA / FA network

當細胞缺少FA proteins, BRCA 1, BRCA 2, ATM, MRE11-RAD50-NBS1 complex 時對DNA cross linking agentsmitomycin C, diepoxybutanecisplatin極為敏感。由於intrainterstrand DNA cross links能相當有效地阻礙DNA replication fork的前進來進行修復,而此一修復工作需要BRCA 1, BRCA 2以及 FA protein。因此,我們可以在缺少BRCA 1, BRCA 2, FA protein的細胞觀察到染色體的不穩定性-亦即呈現chromatid break, triquadri-radial chromosomeBRCA / FA network的功能應是在克服DNA受損時產生的DNA replication block,使修復工作能順利進行。由於replication block在自然情況下也非罕見,因此BRCA / FA network在維持genome stability方面更形重要。

細胞克服DNA replication block的過程在bacteriayeast已有詳細研究。此一功能亦保留於脊椎動物。基本上,克服replication block的機轉有二:一為經由homologous recombinationstrand switching mechanisms以跳過replication- blocking lesion;此一途徑為error-free process。另一則為error-prone process。此一方法需仰賴DNA polymerase z。它能進行translesion synthesis以跳越障礙但極易引起mutation。目前已知BRCA 2RAD51之修復功能是經由error-freehomologous recom- bination,但需要BRCA 1, FANCD 2以及種種FA protein的參與。我們可以將BRCA / FA network以(圖一)表示:

replication-blocking DNA lesioncrosslink發生時會被偵測到而活化protein kinaseATMATR,引起一連串的phosphorylation導致cell-cycle checkpoint arrest。另外透過BRCA 1-BARD 1 complex的活化以及FANCD 2ubiquitination(此步驟需要其他FA protein的存在)起動DNA repair

FA protein可能扮演決定DNA repair是要採用error-freehomologous recombination或是error-pronetranslesion syn- thesis的關鍵角色。BRCA 2, RAD51以及FANCD 2則在error-freehomologous recombination扮演直接的角色。

 

 

 


1.      BRCA蛋白質,FA蛋白質及相關分子的重要生物功能是在克服SG2週期干擾DNA複製的障礙。因此這些分子有所不足時細胞易發生染色體的不穩定(chromosomal instability)或是對DNA-crosslinking agent極端敏感。

2.      BRCA蛋白質,FA蛋白質以及相關分子在此一過程並非以linear pathway的方式來發揮功能,而係以網路(network)的方式來達成任務。

3.      此一網路中的各個成員分子若有異常則會引起相類似卻有所區別的臨床表現。

 

目前臺灣每年乳癌患者每年新增4,000位,因乳癌去世者則每年有一千位。已經構成對國人健康的重大威脅,但卻未受到與肝癌、肺癌同樣的重視,到底台灣婦女乳癌患者有多少比例帶有BRCA基因的突變?到底臺灣人BRCA基因突變者發生乳癌及卵巢癌的機率(life-time risk)是多少?這些問題均無答案,很明顯地臺灣人BRCA基因的資訊需要臺灣人自己去建立,不可能由歐美人代勞。

為了面對乳癌這個棘手的問題,筆者最進採取了下面的步驟:

1.      推動全國婦產科醫生參與乳癌篩檢

(1)教導婦產科醫生認識乳房醫學

(2)教導婦產科醫生正確實施乳房體檢

(3)教導婦產科醫生施行超音波乳房檢查

2.      建立BRCA基因臨床檢測技術

在臺大醫院以DHPLC ( denaturing high perfor- mance liquid chromatography ) 及直接定序提供BRCA基因之臨床檢測服務。

3.      於臺灣大學分子醫學研究所成立遺傳諮詢碩士班,以訓練癌症遺傳諮詢之稱職人力

誰無母親,誰無姊妹,誰無女兒,期望國人趕緊共同來面對這危害婦女同胞至鉅的乳癌。

 

 

取材文獻:

1.      Couzin J: The twists and turns in BRCA’s path. Science 302: 593, 24 Oct, 2003.

2.      King MC et al: Breast and ovarian cancer risks due to inherited mutation in BRCA 1 and BRCA 2. Science 302: 643, 24 Oct, 2003.

3.      Plon SE et al: A risky business-assessing breast cancer risk. Science 302: 574, 24 Oct, 2003.

4.      Shields AE et al: Genetic testing for cancer susceptibility: the promise and the pitfalls. Nature Reviews Cancer 4: 235, March, 2004.

5.  Venkitaraman AR: Tracing the network connecting BRCA and Fanconi anemia proteins. Nature Review Cancer: 4: 266, March, 2004.