客观日本

日本发现溃疡性大肠炎特定基因突变,有望查清发病和恶化机制

2020年01月09日 生物医药

日本庆应义塾大学医学部的佐藤俊朗教授等人组成的研究团队发现,溃疡性大肠炎的大肠组织中存在特定的基因突变累积。

随着年龄的增长,正常大肠上皮会发生越来越多的基因突变,成为大肠癌变的原因之一。另外,饮食质量和慢性炎症等肠道环境的各种变化也会导致大肠的癌变风险升高。不过,此前一直不清楚肠道环境的变化是否对大肠上皮基因突变累积有影响。

本次研究对患者的大肠上皮进行体外培养后解析了大肠上皮细胞的基因突变。与健康个体相比,长期溃疡性大肠炎患者的大肠上皮细胞中检测出了更多的基因突变。并且这些基因突变大多都不是大肠癌关联基因突变,而是与慢性炎症相关联的基因突变。

研究团队进而采用体外培养器官的类器官技术,查清了上述基因突变的作用。

在溃疡性大肠炎中,IL-17(白细胞介素17)的慢性炎症信号被激活。虽然活化刺激会损伤大肠上皮,但研究发现,溃疡性大肠炎的大肠上皮出现了健康个体没有的IL-17关联基因突变,以使细胞免受炎症损伤。也就是说,在溃疡性大肠炎患者的大肠中,适应炎症环境生存的基因突变上皮细胞会选择性增加,逐渐取代正常的大肠上皮细胞。

已经有报告显示,人类的大肠发生基因突变累积后会导致大肠癌(Fearon ER, et al. Cell 1990.)。本次研究发现,大肠还会积聚适应慢性炎症等肠道环境变化的基因突变。

大肠上皮细胞基因突变的累积会对溃疡性大肠炎的病状和癌变产生什么影响?今后的研究备受期待。

本次相关研究成果已于2019年12月18日在线发表在英国科学期刊《Nature》上。

1.研究背景

溃疡性大肠炎是大肠发生原因不明慢性炎症的炎症性肠病之一。日本目前约有17万多患者,而且人数一直在持续增加。据报告,患溃疡性大肠炎的时间越长,大肠癌的发生几率就越高。但至于为何风险会增加,此前一直不清楚明确的原因。

很多癌症都是随着年龄增长而累积的基因突变诱发的。因此,研究人员认为炎症也可能会影响基因突变的累积。想证明这个假说,就需要对溃疡性大肠炎大肠组织的基因进行解析。但由于技术受限,之前很难实现。

已知在大肠隐窝凹陷中会存在10-20个干细胞,只需几个月时间单个干细胞由来的后代细胞就会将整个隐窝的细胞全部置换掉(单个干细胞产生的所有细胞都称为“克隆”)。

大肠在狭窄的空间内就存在无数隐窝。因此以往的方法,只能使用有突变和未突变的干细胞克隆混合样本,无法调查单个干细胞是如何积累基因突变的(图 1)。

日本发现溃疡性大肠炎特定基因突变,有望查清发病和恶化机制

【图1】应用克隆技术对单个干细胞的基因突变进行解析:通过基于类器官培养的克隆技术,可以对单个干细胞克隆实现增殖,然后进行基因组解析。

近年来,研究人员开发出了通过类器官培养技术,体外增殖各隐窝单个干细胞克隆并逐一解析的方法(图1)。据报告显示,正常大肠上皮干细胞的基因突变积累与年龄成正比(Blokzijl F, et al. Nature2016),同时也显示基因突变累积存在个体差异。

本次研究团队认为,这种个体差异可能与肠道环境有关。因此着眼于右侧大肠(大肠靠近嘴的一端)未发生炎症,仅左侧大肠(大肠靠近肛门的一端)出现炎症的左侧结肠炎型溃疡性大肠炎,对其单个干细胞克隆进行了详细的基因解析,成功查清了肠道环境之一的慢性炎症对干细胞基因突变积累产生的影响。

另外,还利用类器官查清了溃疡性大肠炎的炎症环境中发生了怎样的基因突变,以及这些基因突变在炎症中发挥了哪些作用。

2.研究成果、意义以及未来展望

本研究利用类器官培养技术,对健康个体和溃疡性大肠炎患者的大肠组织进行体外培养,明确了其干细胞是如何发生基因突变的。

观察发现,溃疡性大肠炎患者因炎症影响,大肠上皮的基因突变频率较健康个体增加。不过,其中引起炎症的关联基因突变频率增加很小。

因此,研究团队着重调查哪些基因发生了突变累积的质变而非量变问题,发现溃疡性大肠炎患者干细胞中癌变关联基因突变相对较少,而引起炎症的IL-17(白细胞介素17)细胞因子介导的炎症信号通路上发生了各种基因突变。(图 2)

日本发现溃疡性大肠炎特定基因突变,有望查清发病和恶化机制

【图2】溃疡性大肠炎患者的大肠上皮干细胞中积累的抗炎性基因突变:此次发现的IL-17信号上的基因突变(红字)。IL-17A与受体结合后,其下游的ACT1和NFKBIZ被激活,最终经由iNOS激活p53,引起细胞死亡。

为调查该基因突变克隆的扩散,团队研究了更多患者的样本,探索在用活检钳采集的部分中所有大肠干细胞中这些基因突变发生的程度。

在接受调查的45名溃疡性大肠炎患者中,有60%(27人)确认发生上述基因突变;另外,并发大肠癌的患者中75%以上的在没有癌变的大肠上皮细胞发生了基因突变。此外还确认,发生这些基因突变的干细胞克隆增加。

活动性溃疡性大肠炎患者的大肠上皮细胞会在炎症的影响下发生慢性细胞损伤,已知IL-17在这些引发炎症的物质中扮演重要角色。研究团队比较了发生基因突变的细胞与正常细胞中受IL-17刺激时的细胞毒性。比较确认,正常的大肠上皮细胞会发生程序性细胞凋亡;但发生基因突变的则对细胞凋亡表现出抗性,即使有IL-17存在(在IL-17引起的炎症下)也可以存活。

这表明,在炎症情况下,正常细胞会损伤并脱落。而存在此次鉴定的基因突变的细胞则可以不受损伤继续存活,进而逐步扩大突变的克隆范围(图3)。由此成功验证了炎症使发生特定基因突变的大肠上皮细胞克隆增加的机制。

日本发现溃疡性大肠炎特定基因突变,有望查清发病和恶化机制

【图3】在炎症下突变克隆增加的机制:在IL-17引起的炎症下,所鉴定基因突变的干细胞克隆(蓝色)区域对炎症损伤产生抗性,在长期的炎症过程中其浸润范围不断扩大。

此次研究发现,很多溃疡性大肠炎患者的大肠上皮为适应炎症环境,会积聚对炎症有抗性的基因突变(抗炎性基因突变),而且其克隆浸润范围会逐渐扩大。这些基因突变在并发大肠癌的溃疡性大肠炎患者体内更为常见,因此有望作为溃疡性大肠炎患者中大肠癌高风险群体的生物标志物。

另一方面,癌变部位中并未发现这些抗炎性基因突变。因此癌变应该是从未产生突变的上皮发生的,抗炎性基因突变可能会抑制炎症细胞癌变(图 4)。

日本发现溃疡性大肠炎特定基因突变,有望查清发病和恶化机制

【图4】抗炎性基因突变与并发大肠癌的关系:患大肠癌的溃疡性大肠炎患者,基因突变的干细胞克隆割据面积扩大。同时大肠癌只在未突变的上皮部位发生。

有趣的是,以往小鼠实验显示,此次发现的基因突变扩散到大肠粘膜后,肠道环境会发生变化,导致肠炎恶化。这表明,在人类的溃疡性大肠炎中抗炎性基因突变除了抑制突变细胞癌变的同时,可能会导致肠炎恶化从而引起其周围未突变的细胞癌变。

这项研究成果有望为查清此前不清楚原因的溃疡性大肠炎存在慢性治疗困难和病情加重等现象提供重要线索。

论文信息
题目:Somatic inflammatory gene mutations in human ulcerative colitis epithelium
期刊:《Nature》

日文发布全文

文:JST客观日本编辑部翻译

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