癌症基因大挑戰

癌症基因大挑戰
知識通訊評論第91期

研究癌症的科學家，已將兩萬五千個腫瘤的基因組定序，其結果將要淹沒電腦資料庫，不過要由這些瀚海資料中找出其相關意義，還有著極大的困難和挑戰。

2006年在35個直腸癌病例的一份研究中，首度發現了 IDH1 基因突變，當時似乎沒什麼後續影響。該基因當時只出現在其中一個腫瘤樣本中，後來再分析的三百多個腫瘤，也沒發現額外的突變狀況。突變只改變了 IDH1 基因裡，一個負責編碼異檸檬酸脫氫脢的因子。

異檸檬酸脫氫脢只是一種在新陳代謝過程中，負責下層清潔工作的酵素，而在每個樣本裡一萬三千個定序的基因中，還有很多其他的突變狀況可供研究。參與這項研究的美國約翰霍普金斯大學綜合癌症中心研究員維庫萊斯庫 (Victor Velculescu) 說，沒有人預料到 IDH1 的角色，在癌症裡會那麼重要。

癌症研究多虧強大的基因定序工作

隨著腫瘤 DNA 定序工作的擴展， IDH1 的突變又浮上檯面：一種稱為「多形性膠質母細胞瘤」的腦癌，有百分之十二的樣本出現 IDH1 突變，急性骨髓性白血病的樣本裡則有百分之八。結構研究顯示，突變改變了異檸檬酸脫氫脢的活性，導致致癌代謝物在細胞中累積。至少有一家藥廠已經在開發能夠阻止此一作用的新藥。

事隔五年，如果去問浸淫該領域的人，癌症基因組計畫有何價值，許多人也許就會提起 IDH1 突變這個案例；多虧強大的基因組定序工作，這根毫不起眼的細針，才能從癌症相關突變的大海中撈起來。過去兩年來，世界各地的實驗室攜手合作，對數以千計的腫瘤，連同同一個人的健康細胞，一起做 DNA 的定序工作。大約有七十五個癌症基因組，已經定序到某種程度，並且發表出來；研究者預估到今年年底，還會有數百個癌症基因組定序完成。

這當然會讓癌症相關突變的大海更加浩瀚無垠。把任意腫瘤的基因定序結果，與一般細胞的互相比較，就會揭露幾十個單一因子的改變或點突變，連帶還有重複、刪除、交換或反轉的定序結果。約翰霍普金斯大學癌症遺傳學與療法研究中心的癌症研究員渥格斯坦 (Bert Vogelstein) 表示，難的是要琢磨如何運用這些資訊幫助人們，而不是只把這一大堆突變資訊編目建檔了事。

無論在臨床上看起來有多麼相似，大多數腫瘤在基因上似乎總有不同之處。困難之處在於要把彼此像是司機與乘客關係，造成癌症成長及加速的突變，與癌症滋長、阻撓 DNA 修復機制的過程中，所生成的意外副產品，分得清清楚楚。研究者可以尋找那些一次又一次反覆出現的突變，或是認明在不同的點產生突變的關鍵路徑，但這些研究帶來更多的問題，答案卻少得多。美國休士頓貝勒醫學院小兒腫瘤學家帕森斯 (Will Parsons) 就說，要是把表列頂端幾個顯而易見的突變拿掉，你要怎麼解釋其他剩下來的突變，又要如何判定哪些突變值得進行後續功能分析？這才是困難之處。

追捕「司機」

找尋「司機」突變

由於癌症這種疾病跟基因突變的關係如此密切，許多人認為可以透過「人類基因組計畫」之類的合作計畫模式，找出用基因組做為基礎的解釋。成立於二○○八年的國際癌症基因聯盟協定 (ICGC) ，正在協調各方努力，要將五十種癌症中每種五百個腫瘤定序。這些計畫總計要花費十億美元，目前已有十一國簽署加入，範圍涵蓋二十多種癌症的定序。國際癌症基因聯盟協定包含兩項大型舊計畫：英國衛爾康信託桑格研究院的「癌症基因組計畫」，以及美國國家衛生院的「癌症基因組圖集」 (TCGA) 。

「癌症基因組計畫」已經做出一百多組部分基因組，還有大約十五組完成度各不相同的全基因組，並打算在未來五到七年間，再處理兩三千個基因組。在去年，「癌症基因組圖集」將一個為期三年，研究三種癌症的先期計畫告一段落，開始推動一項全面性的計畫，打算在未來五年內，給二十多種癌症每種五百腫瘤，進行定序工作。

雖然「癌症基因組計畫」與「癌症基因組圖集」兩個團體彼此有合作，但由於在取得基因組資料的隱私權規範上有所歧異，兩者尚未完全整合在一起。目前雙方成員在為每一種癌症一部份的腫瘤樣本（大約是一百個左右）進行定序，之後再為前景可期的癌症種類，剩下的四百個腫瘤定序。美國勞倫斯柏克萊國家實驗室癌症研究員葛雷 (Joe Gray) 表示，這樣的研究方式很有用，早年他覺得定序幾百個腫瘤也許就夠了，但是即使做到了上千個，可能還得不到所要的統計數據。

「即使做到了上千個腫瘤定序，可能是得不到所要的統計數據。」 

大數目樣本所能提供的，就是更多像 IDH1 這種的「司機」突變。研究者認為這些突變能提供最明確的道路，來發展出新的癌症療法。許多科學家都在既定的腫瘤類型裡，尋找會反覆出現的突變狀況。「癌症基因組計畫」主導者之一的史崔頓 (Michael Stratton) 表示，倘若某個特定基因存有非常、非常多的異常反應，最可能的解釋，經常就是那些突變是癌症選上的，因此它們就是致癌因素。

這種研究法對某些癌症很管用，舉例來說，很明顯地 IDH1 突變是驅策多形性膠質母細胞瘤發生的主因，這種情況的發生頻率是百分之十二。對於突變總數比較少的那些癌症而言，像這樣的探究應該成果很豐碩。急性骨髓性白血病細胞的完整基因組定序工作，僅僅在蛋白質編碼基因裡找到十個突變，其中有八個先前並未與癌症連結在一起。

其他類型癌症的挑戰就比較高了。在只看直腸癌資料的時候， 一開始IDH1 突變是被漏掉了，直到探究拓展到其他類型的癌症，其重要性才揭露出來。此外，有些顯示為「司機」的突變，並不像預料中那麼常出現。渥格斯坦說現在已經非常清楚，在這麼多腫瘤已經定序的所有基因裡，有產生突變的「司機」頻率其實非常低，在癌症裡不到百分之一。

為了找出這些發生頻率很低的「司機」，研究者大量採樣，每種癌症定序五百份樣本，應該就能揭露在腫瘤裡出現頻率低於百分之三的突變狀況。史崔頓表示，雖然這些突變或許不是造成大多數腫瘤的原因，它們也許仍能夠在生物學上提供寶貴的一課，研究者需要了解這些事情，才能明瞭癌症基因組的全貌。

另一種普遍的研究法，是尋找聚集在一條路徑的突變，這路徑是由一組基因共同來執行特定的作用，不論突變是否是侵襲不同的點。舉例來說，渥格斯坦跟他的同事在分析二十四個胰臟癌的過程中，確認了有十二個訊號路徑有更動過。儘管如此，渥格斯坦還是提出警告，這種研究法並不容易採行，因為許多路徑彼此交疊，邊界不甚清楚。而且由於有很多路徑，是用不同的動物或細胞類型的資料來定義的，跟在特定人類組織裡發現的路徑，並不總是能夠契合。渥格斯坦說，一旦把癌症細胞的組成方式，與一般細胞不同的事實攤上檯面，就只會引發更大的難題。

要找多少才夠？

多少才夠？

研究者繼續定序整個的腫瘤基因組，要將「司機」與「乘客」分離開來，就會更加困難。到目前為止，只有一部份既有的癌症基因組定序完成。為了維持成本低廉，大多數的定序工作，僅止於百分之一點五直接為蛋白質編碼的基因組，因此也最容易解讀的表現子組。

要認定由非蛋白質編碼基因組深處，所找到的突變基因的重要性，是更有挑戰性，尤其是科學家還不知道這些區域大部分，通常有哪些功能（如果有任何功能的話）的狀況下。但是絕大多數的突變都發生在這些地方，比方說給某種肺癌細胞進行完整的基因組定序，發現有兩萬兩千九百一十個點突變，其中只有一百三十四個是發生在蛋白質編碼區域。

儘管如此，史崔頓還是認為值得花錢費功夫，把它們找出來。他說那些突變有可能全都不屬於致癌類型，但也可能有些是，除非進行系統化的研究，否則永遠也不會知道。

邁尼克

不是大家的看法都是如此。一些研究者認為，目前癌症基因組計畫的成本大於其益處。美國衛爾康乃爾醫學院癌症研究員邁尼克 (Ari Melnick) 表示，隨著新一代定序儀上市，定序成本在未來幾年內就會大幅下降，何不等到那時再做？美國哈佛醫學院遺傳學家艾勒奇 (Stephen Elledge) 則認為，還有很多唾手可得的果實可供摘取，像是評估突變會影響多少在基因組裡發現的基因套數，成本就比較低廉，也能給生物作用提供比較直覺性的洞見。他說你刪除掉某個東西，就能夠很有效地關閉一條路徑，而強化某個東西，就又能夠增加這條路徑的流量，但是要在基因裡製造點突變，藉此啟動基因，就有些說不準。

美國華盛頓大學定序專家瑪迪絲 (Elaine Mardis) 表示，利用快速、相對而言比較便宜的陣列科技，可以偵測到基因套數的改變，不過定序法可以提供這些區域解析度比較高的快照圖。定序作業可讓研究者能夠更精確地，對應插入與複製區段的邊界，並且捕捉到陣列可能會沒有偵測到的細微複製或刪除區段。瑪迪絲及其同事威爾森 (Richard Wilson) 等人利用定序工作，在一個已擴散到身體其他部位的乳癌案例中，偵測交疊的刪除區段。刪除區段包含一般認為會抑制癌症擴散或代謝作用的 CTNNA1 基因。

同時，癌症基因組學研究也開始從大型的中央化計畫散佈出去。舉例來說，由美國聖猶達兒童研究醫院，以及華盛頓大學的研究員領軍，為期三年，斥資六千五百萬美元的小兒癌症基因組計畫，目標就是要給六百個腫瘤定序。小型計畫似乎也要如雨後春筍般開始冒出，加拿大卑詩大學癌症研究員阿帕瑞休 (Sam Aparicio) 就表示，任何對癌症基因組學有那麼一點興趣的癌症中心，現在都購入定序儀來使用。

癌症基因組倡議者並不想等定序成本降下來，部分原因是真正的研究工作，要等到定序作業完成後才能開始。就像維庫萊斯庫所說的，最後還是要靠良好的老式生物學以及實驗分析，來真正確定這些突變有什麼作用。有鑑於此，美國國家癌症研究中心在去年九月，成立為期兩年的計畫，以發展出處理能力高的方法，藉此測試「癌症基因組圖集」先期計畫裡確認的那些突變，是怎麼影響細胞功能的。

在波士頓的黛娜法柏癌症研究中心，以及在紐約的冷泉港實驗室，則把目標放在讓研究者能夠把其他像是 IDH1 之類的突變情況，以系統化的方式，從癌症基因組的大海中撈出來，並賦予它們意義。位於波士頓的研究團隊將會有系統地，強化或減弱培養細胞裡相關基因的表徵，冷泉港的研究中心則會利用移植到老鼠體內的腫瘤，研究與癌症相關的突變。

「最後還是要靠良好的老式生物學以及實驗分析，來真正確定這些突變有什麼作用。」
——維庫萊斯庫

此外，大規模的研究計畫也同時在癌症定序聯盟的協定裡進行，藉以評估刪除老鼠基因組裡每個基因所產生的效應，好讓研究者能夠了解，癌症中突變基因的正常功能為何。

維庫萊斯庫

研究者已經了解到，定序工作當然很不錯，但還是不夠。在美國哈佛醫學院參與「癌症基因組圖集」計畫的研究員陳凌就說，有些人說統計數據應該能夠讓我們找出所有有用的「司機」，但她可不這麼認為，到最後還是需要這些功能性的研究，好把那些可能與癌症相關的候選者優先列出來。