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Nature Genetics | 破解癌症密码：基因暗物质中的"风险开关"正在被揭开

生物探索 · 公众号 · 生物 · 2025-02-18 16:35

正文

引言

你是否想过，藏在DNA暗处的神秘"开关"，可能正悄悄拨动着你一生的患癌风险？在基因组的浩瀚星图中，仅有2%的DNA负责编码蛋白质，余下98%的非编码区域长期被视为"基因暗物质"。然而，2月17日斯坦福大学团队在 《Nature Genetics》 的最新突破“ Functional analysis of cancer-associated germline risk variants ”，揭开了震撼真相：这些"暗物质"中潜藏着数百个癌症风险的精密调控开关，它们如同基因组的隐形指挥家，以我们从未想象的方式操控着癌症的发生发展。

研究人员对13种高发癌症的4,041个遗传变异展开"基因测谎"，在正常人体细胞中首次捕获380个功能性风险开关（daSNV）。这些开关不仅调控着DNA修复、细胞代谢等核心通路，更令人震惊的是，其中50%的靶基因竟同时驱动着已成型癌细胞的疯狂生长。一个结肠癌相关变异被精准"逮捕"——它通过增强Rho信号通路的"油门"基因RHPN2，使正常细胞的致癌潜能悄然升级。该研究如同在基因组中安装了高精度雷达，不仅绘制出癌症风险的调控图谱，更意外发现了预防与治疗的双重靶点：某些风险基因竟在癌细胞中扮演"生存必需品"，这为从源头阻断癌症提供了全新思路。当科学照进基因暗物质，我们终于看清：对抗癌症的终极武器，或许就藏在每个人与生俱来的生命密码之中。

基因组的"暗物质"：癌症风险的新战场

当研究人员完成人类基因组测序时，他们惊讶地发现只有2%的DNA负责编码蛋白质。剩下的98%被戏称为"基因暗物质"，其中蕴藏着数以万计的调控元件——这些DNA片段就像基因组的指挥家，决定着哪些基因在何时何地表达。

近年来，全基因组关联研究（GWAS）在非编码区发现了大量与癌症风险相关的单核苷酸变异（SNV）。但就像在茫茫大海中寻找珍珠，研究人员面临两大难题：

每个风险区域往往存在成百上千个连锁变异（linkage disequilibrium）

调控元件的作用具有细胞类型特异性

这项发表在《 Nature Genetics 》的研究带来了突破性解决方案—— 研究团队对13种常见癌症（占人类恶性肿瘤90%以上）的4,041个风险SNV进行了系统性功能分析，首次在正常人体细胞中绘制出癌症风险变异的"功能图谱"。

基因调控的"测谎仪"：MPRA技术大显身手

为了从海量候选变异中筛选真正的功能位点，研究人员使用了大规模并行报告分析（Massively Parallel Reporter Assay, MPRA）。这项技术就像基因调控的"测谎仪"，能够同时检测数千个DNA片段对基因表达的调控能力。

实验设计亮点：

在13种癌症起源的正常细胞（如乳腺上皮细胞、结肠细胞、黑色素细胞）中进行测试；

每个SNV区域保留140bp天然基因组序列，模拟真实调控环境；

引入293T细胞作为对照，揭示癌细胞系与正常细胞的差异；

经过严格筛选，380个差异活性SNV（daSNV）脱颖而出。这些"风险开关"中有29.2%与GWAS发现的lead SNP直接相关，且具有以下特征：

在对应组织类型中富集于开放染色质区域（OR=1.96, P=0.036）；

与等位特异性ATAC-seq信号显著相关（OR=12.36, P=0.0058）；

在GTEx数据库中显示组织特异性eQTL效应；

生命密码中的"多米诺骨牌"：癌症风险的级联效应

通过整合H3K27ac HiChIP染色质互作、eQTL数据和基因组邻近性分析，研究团队为每个daSNV找到了平均3.1个候选靶基因（ptGene），最终锁定1,169个关键基因。这些基因构成三大核心网络：

1. 线粒体翻译工厂（Mitochondrial Translation）

包含MRPL34、MRPL51等18个核编码线粒体基因；

在7种癌症中与患者生存率显著相关（PREcog分析Z>1.96）；

动物实验显示抑制线粒体翻译可阻止肿瘤生长；

2. DNA损伤修复卫士

BRCA相关基因CDKN2A、FANCA的调控变异；

卵巢癌中ANKLE1（DNA修复基因）的增强子变异；

与遗传性癌症综合征基因存在调控网络重叠；

3. Rho GTP酶信号枢纽

结肠癌风险位点rs10411210调控RHPN2表达；

该基因编码的Rhophilin蛋白可激活RhoA信号通路；

CRISPR编辑实验证实风险等位使RhoA活性提升42%；

"双面间谍"基因：从风险因素到治疗靶点

通过CRISPR筛选173个结肠癌相关ptGene，发现：

50.3%的基因（87个）影响肿瘤细胞生长；

CDC42敲除在不同细胞系呈现相反效应，揭示微环境依赖性；

RHPN2敲除显著抑制HCT116移植瘤生长（FDR<0.001）；

这提示某些癌症风险基因具有"双面性"：既在正常细胞中埋下风险种子，又在癌细胞中维持恶性特征。这种特性使其成为理想的预防和治疗的"双重靶点"。

从实验室到临床：一个风险变异的"现形记"

以结肠癌风险位点rs10411210为例，研究人员揭示了非编码变异致病的完整证据链：

基因组定位： 位于RHPN2基因内含子区

染色质互作： HiChIP显示与RHPN2启动子形成特异性互作

功能验证： MPRA显示风险等位（C）活性提高53%（P=2.18×10^-4）；荧光素酶报告基因验证调控效应（P=1.05×10^-5）

基因编辑： 将正常结肠细胞的T等位替换为C等位， RHPN2表达量提升60%（P=0.017）

信号传导： Rho刺激后，C等位细胞的RhoA活性增加39%（P=0.039）

这个"教科书级"案例证实，单个非编码变异足以通过调控关键信号通路影响癌症风险。

癌症预防的新纪元：从基因地图到精准干预

该研究建立的"功能变异数据库"（https://arvid.stanford.edu）为癌症风险评估提供了全新工具。数据库包含：

380个daSNV的细胞类型特异性活性；

1,169个ptGene的调控网络注释；

CRISPR筛选验证的52个治疗靶点；

基于这些发现，未来可能发展出：

更完善的多基因风险评分系统（Polygenic Risk Score）；

针对Rho信号通路的新型抑制剂；

靶向调控元件的基因编辑疗法；

每个人都是自己的"健康管家"

该研究揭示了一个深刻真相：癌症风险不仅取决于基因编码区的"拼写错误"，更受调控序列"音量旋钮"的精细调控。那些曾经被忽视的"基因暗物质"，正在改写我们对疾病预防的认知。

我们现在掌握的，不仅是风险变异的名单，更是理解它们如何奏响生命乐章的科学乐谱。这是通向精准预防医学的关键一步。

当基因检测可以预判数十年后的癌症风险，我们该如何看待这份"生命预告"？或许，真正的预防医学不在于预测命运，而在于理解每个基因变奏背后的生物学逻辑——这正是该研究带给我们的最大启示。

参考文献

Kellman, L.N., Neela, P.H., Srinivasan, S. et al. Functional analysis of cancer-associated germline risk variants. Nat Genet (2025). https://doi.org/10.1038/s41588-024-02070-5

责编 |探索君

排版|探索君

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