Articles Online (Volume 15, Issue 4)

Editorial

A Step Forward in Precision Medicine on “One Belt One Road”

Jun Yu

Page 219


Review Article

Exploitation of Gene Expression and Cancer Biomarkers in Paving the Path to Era of Personalized Medicine

Hala Fawzy Mohamed Kamel, Hiba Saeed A. Bagader Al-Amodi

Cancer therapy agents have been used extensively as cytotoxic drugs against tissue or organ of a specific type of cancer. With the better understanding of molecular mechanisms underlying carcinogenesis and cellular events during cancer progression and metastasis, it is now possible to use targeted therapy for these molecular events. Targeted therapy is able to identify cancer patients with dissimilar genetic defects at cellular level for the same cancer type and consequently requires individualized approach for treatment. Cancer therapy begins to shift steadily from the traditional approach of “one regimen for all patients” to a more individualized approach, through which each patient will be treated specifically according to their specific genetic defects. Personalized medicine accordingly requires identification of indicators or markers that guide in the decision making of such therapy to the chosen patients for more effective therapy. Cancer biomarkers are frequently used in clinical practice for diagnosis and prognosis, as well as identification of responsive patients and prediction of treatment response of cancer patient. The rapid breakthrough and development of microarray and sequencing technologies is probably the main tool for paving the way toward “individualized biomarker-driven cancer therapy” or “personalized medicine”. In this review, we aim to provide an updated knowledge and overview of the current landscape of cancer biomarkers and their role in personalized medicine, emphasizing the impact of genomics on the implementation of new potential targeted therapies and development of novel cancer biomarkers in improving the outcome of cancer therapy.
肿瘤治疗药物已被广泛用作针对特定类型癌症的组织或器官的细胞毒性药物,通过更好地了解癌症进展和转移期间的致癌作用和细胞事件的分子机制(如:突变和表达印记等),可能实现靶向治疗。通常靶向治疗能够识别同类型肿瘤患者在细胞水平上具有不同遗传缺陷,然后对他们进行个性化治疗。因此,癌症治疗开始从传统的“所有患者一个方案”转向更个性化治疗。个性化医疗要求利用指标或者标志物来指导对所选患者选择更有效的治疗。目前,癌症生物标志物已经常应用于临床实践,如预后生物标志物用于临床诊断和预后,预测性生物标志物用于识别敏感患者和预测癌症患者的治疗反应,以及基因表达特征用于定制常见癌症中的辅助治疗。而微阵列和测序技术的快速突破和发展也为“个性化生物标志物驱动的癌症治疗”或“个性化医疗”铺平了道路。在这篇综述中,我们主要概述了肿瘤标志物以及它在个性化治疗中的作用,通过列举了一些常见肿瘤(如乳腺癌,结直肠癌,前列腺癌,以及胰腺癌)的生物标志物以及靶向治疗在具有这些标志物肿瘤中的临床应用和反应,强调了基因组学对实施新潜在靶向疗法的影响,以及开发新型癌症生物标志物来改善癌症治疗结果的意义。

Page 220-235


Review Article

In vitro Metabolomic Approaches to Investigating the Potential Biological Effects of Phenolic Compounds: An Update

Úrsula Catalán, Laura Barrubés, Rosa Maria Valls, Rosa Solà, Laura Rubió

Dietary phenolic compounds (PCs) have been receiving interest for their presumed roles in disease prevention. However, there is a lack of studies on the underlying molecular mechanisms. In this regard, in vitrometabolomic approaches are suitable for the investigation of the molecular changes in response to PC exposure. Up to date, the biological effects of PCs have only been examined for PCs from rosemary (Rosmarinus officinalis), olive oil, and resveratrol using cell-based metabolomic approach, although transcriptomic and/or proteomic studies have also been conducted in the same in vitro cell experiment in some cases. Our integral analysis of the reviewed studies suggest that PCs may be involved not only in basic cellular processes or macro- and micro-nutrient metabolism, but also in specific metabolic pathways that have been thoroughly investigated. These modulated pathways could have a clinical impact on neurodegenerative diseases, type 2 diabetes, cancer, and cardiovascular diseases. In conclusion, the in vitro metabolomic approaches provide additional information of the molecular mechanisms involved in disease risk reduction of dietary PCs. In order to elucidate the mechanisms of action of PCs, more metabolomic cell-based studies are needed and testing the physiological conjugated forms of PCs in these cell systems could be of special interest.
酚类化合物(Phenolic compounds, PCs)是一种具有羟基化芳环结构的化学物质,它们作为次生代谢物普遍存在于植物中,并且代表了饮食中提供的最能量化的植物化学物质。由于饮食中摄入的酚类化合物(PCs)在健康促进和疾病预防中的突出作用,受到越来越多的关注,但是目前鲜有研究证明其分子作用机理。目前,利用代谢组学、转录组学以及蛋白组学均发现了PCs作用的分子靶标,而在其研究方法中,体外代谢组学方法能够更好地研究在PCs暴露下细胞中分子变化。最新研究表明,虽然存在一些在相同的体外细胞实验中进行了转录组和/或蛋白质组学研究,但PCs的生物效应仅仅从迷迭香、橄榄油、白藜芦醇并使用基于细胞的代谢组学方法中得到了验证。因此,在这篇文章中,我们主要通过对已有的研究进行整合分析表明,PCs不仅可能参与基本细胞过程或常量和微量营养素代谢,而且参与某些已经被深入研究的代谢通路,这些调节通路可能对神经性衰退性疾病、II型糖尿病、癌症以及心血管疾病具有重要临床作用。总之,体外代谢组学方法对于研究膳食中的PCs降低疾病风险作用的分子机制提供了新思路。为了进一步研究PC的作用机制,需要进行更多的代谢组学细胞研究,并在这些细胞系统中测试PCs的生理共轭形式,这也将获得更多研究者的关注。

Page 236-245


Original Research

Paralog-divergent Features May Help Reduce Off-target Effects of Drugs: Hints from Glucagon Subfamily Analysis

Zhining Sa, Jingqi Zhou, Yangyun Zou, Zhixi Su, Xun Gu

Side effects from targeted drugs remain a serious concern. One reason is the nonselective binding of a drug to unintended proteins such as its paralogs, which are highly homologous in sequences and have similar structures and drug-binding pockets. To identify targetable differences between paralogs, we analyzed two types (type-I and type-II) of functional divergence between two paralogs in the known target protein receptor family G-protein coupled receptors (GPCRs) at the amino acid level. Paralogous protein receptors in glucagon-like subfamily, glucagon receptor (GCGR) and glucagon-like peptide-1 receptor (GLP-1R), exhibit divergence in ligands and are clinically validated drug targets for type 2 diabetes. Our data showed that type-II amino acids were significantly enriched in the binding sites of antagonist MK-0893 to GCGR, which had a radical shift in physicochemical properties between GCGR and GLP-1R. We also examined the role of type-I amino acids between GCGR and GLP-1R. The divergent features between GCGR and GLP-1R paralogs may be helpful in their discrimination, thus enabling the identification of binding sites to reduce undesirable side effects and increase the target specificity of drugs.
G蛋白偶联受体(GPCRs)家族是人类基因组中最大的膜蛋白家族之一,约含有800个蛋白受体成员。G蛋白偶联受体几乎遍布人体所有的器官和组织,作为信号转导器和关键调控因素,它参与了广泛的正常生理过程以及重要的病理学过程。G蛋白偶联受体在生物学和医学方面的重要性已被广泛认同,目前在临床上约有40%的药物作用于G蛋白偶联受体。 多数的药物靶蛋白含有同源基因,这里主要指旁系同源基因,它们来源于基因倍增,拥有共同的祖先序列,它们在进化上序列高度保守,拥有相似的蛋白质折叠和基础结构。因此,如果一个药物靶向到一个同源基因保守的氨基酸序列和骨架基团上,也很可能会错误地靶向到另一个相似的同源基因上,导致药物脱靶效应,带来副作用。因此,在药物设计时,我们希望提升药物的选择性和靶向特异性,从而减少副作用。对于同源基因造成的副作用,我们希望药物设计时考虑如何更好地识别同源基因之间的差异特征,从而对它们进行有效区分。 本文中,我们用进化学的方法研究了G蛋白偶联受体中靶蛋白的旁系同源基因组合之间发生的功能分化情况,并提出了理论假设,认为旁系同源基因之间发生的I型功能分化(Type-I functional divergence)和II型功能分化(Type-II functional divergence)的特点可能对药物能够正确地结合目标蛋白的位点起到一定的帮助作用。 从进化学的角度上来说,功能重要的位点通常在进化上表现为序列保守;相反,序列表现混乱的位点,意味着位点的功能相对不那么重要。药物对受体的靶点位置是作为结合位点,这意味着它是功能重要的位点,那么这些位点通常在序列上保守。而I型功能分化和II型功能分化与保守的氨基酸位点密切相关。 I型功能分化,是指特定氨基酸位点的速率发生改变。典型的例子是,一个氨基酸位点在其中一个同源基因的直系同源基因家族中表现为序列高度保守,但在另一个同源基因中的对应位点上,在其直系同源基因的家族中,氨基酸序列却表现出混乱不保守。如果一个药物结合到其中一个同源基因的发生I型功能分化保守的位点,这个氨基酸位点参与到蛋白的重要功能。由于其旁系同源基因上对应位点的氨基酸序列表现为混乱不保守,其旁系同源蛋白上该位点表现出功能相对不重要,由此可以避免药物通过相似序列和相似结构的机制错误地结合到目标靶蛋白的同源蛋白受体上。 II型功能分化,指的是特定氨基酸位点的理化性质发生改变。典型的例子是,发生II型功能分化的氨基酸位点,在两个同源基因各自的直系同源家族中都表现为序列保守,但是它们的氨基酸性质却发生了改变。比如,该位点从疏水性变成了带负电。如果一个药物分子设计为带正电,它倾向于结合到其中一个带负电的同源基因上,而较低可能性会结合到另一个带正电荷或者不带电的同源基因上。 我们以分泌素(Secretin)亚家族中的胰高血糖素(Glucagon-like)亚组中的胰高血糖素受体(GCGR)和胰高血糖素样肽1受体(GLP-1R)为例进行具体分析。胰高血糖素受体(GCGR)和胰高血糖素样肽1受体(GLP-1R)是在临床上经验证的用于治疗2型糖尿病的靶蛋白受体。这两个受体拥有高度的同源性,且在序列和结构上具有保守性,但它们与不同的配体结合,并在调节血糖稳态方面起到了完全相反且都意义重大的作用。胰高血糖素(Glucagon)主要作用于肝脏的胰高血糖素受体(GCGR),从而增加血糖浓度;胰高血糖素样肽1(GLP1)在进食的时候通过胰腺β细胞发挥作用,作用于胰高血糖素样肽1受体(GLP-1R),用于增加胰岛素的合成和分泌。在治疗2型糖尿病的用药中主要用到了GCGR的拮抗剂和GLP-1R的激动剂。其中,GCGR拮抗剂药物可以阻碍GCGR对葡萄糖的释放作用,防止血糖增加。GLP-1R激动剂药物能够促进GLP-1R对胰岛素的增加效应,从而降低血糖。如果GCGR拮抗剂药物错误地靶向到了与其高度同源的GLP-1R受体上,GCGR没有被药物结合则无法阻碍它对葡萄糖的释放作用,GLP-1R由于被错误结合而失去促进胰岛素增加的作用,由此药物会失去它们的药效,并导致副作用。 GCGR的拮抗剂MK-0893作为一种治疗2型糖尿病的药物,可以显著地降低空腹和餐后的血糖浓度。我们发现,胰高血糖素受体(GCGR)和胰高血糖素样肽1受体(GLP-1R)之间发生II型功能分化的氨基酸显著富集在拮抗剂药物MK-0893作用于胰高血糖素受体上的结合位点。而大部分结合位点在两个同源蛋白上表现出序列上的高度保守性,并且这些位点的氨基酸性质在两个同源蛋白上完全相同,唯一表现出差异的是Phe345和Lys405这两个II型功能分化位点。尤其当氨基酸位点的氨基酸理化性质是发生受体与配体结合的相互作用的重要因素时,这种同源基因上对应氨基酸位点的理化性质改变会导致受体对配体结合的特征发生改变,由此我们可以看出同源基因之间的II型功能分化位点会影响药物对靶蛋白的选择特异性。 另外,我们也对GCGR和GLP-1R之间发生I型功能分化的氨基酸进行探究,发现了一个I型功能分化相关的氨基酸位点Glu294。Glu294参与了信号传递机制和受体激活作用,是一个功能重要的氨基酸位点。Glu294体现了典型的I型功能分化的特点:这个氨基酸在GLP-1R上表现为高度保守,但它的同源基因GCGR上的对应位点表现为序列混乱。由此也可以通过GCGR和GLP-1R之间I型功能分化的位点实现药物靶向的特异性。 由GCGR和GLP-1R这对同源基因之间功能分化的案例得到启示,我们将同源基因功能分化特点的研究拓展到整个G蛋白偶联受体家族。我们对整个G蛋白偶联受体家族中与药物靶蛋白相关的同源基因组合进行了大规模的、系统性的I型功能分化和II型功能分化研究,这些分析具有统计学意义。我们在G蛋白偶联受体家族找到了共83个药物靶蛋白,与这些靶蛋白相关的共组成了465对同源基因组合,其中共有267对同源基因之间发生了功能分化。我们通过DIVERGE3.0软件预测出旁系同源蛋白之间发生的I型功能分化和II型功能分化的系数θI或θII、标准差以及z值和p值等相关参数,我们筛选出参与I型或者II型功能分化的重要氨基酸位点。我们认为,在药物设计中,当设计保守的氨基酸位点作为药物的靶点时,不妨可以考虑这些I型或II型功能分化位点,也许能够对实现药物的选择特异性提供一定价值的参考信息。

Page 246-254


Letter

CYP2A6 Polymorphisms Associate with Outcomes of S-1 Plus Oxaliplatin Chemotherapy in Chinese Gastric Cancer Patients

Lin Yang, Shanshan Zou, Chang Shu, Yan Song, Yong-Kun Sun, Wen Zhang, Aiping Zhou, Xinghua Yuan, Yi Yang, Songnian Hu

Gastric carcinoma is a heterogeneous malignant disease involving genetic factors. To identify predictive markers for gastric cancer treatment in Chinese patients, we evaluated the association between polymorphisms of the gene encoding cytochrome P450 2A6 (CYP2A6) and outcomes of S-1 plus oxaliplatin (SOX) chemotherapy treatment. Clinical data on 60 consecutive gastric cancer patients receiving SOX regimen were collected prospectively. We sequenced all exons of CYP2A6 and a total of 22 different polymorphisms were detected in the present study. Comprehensive analyses of these genetic polymorphisms were performed to determine their association with both safety and efficacy of SOX regimen. Our results showed that polymorphisms of CYP2A6 were associated with the safety and efficacy of SOX treatment. Among them, missense mutations CYP2A6 rs60823196 and rs138978736 could be possible risk factors (P < 0.05) for severe diarrhea induced by SOX, whereas CYP2A6 rs138978736 could be a conceivable predictor for overall survival of patients treated with SOX adjuvant chemotherapy. Further large-scale randomized prospective studies are warranted to confirm these findings.
胃癌是严重危害人类健康的常见恶性肿瘤之一,中国胃癌的每年新发病例和死亡病例占全球每年新发病例和死亡病例的35%−40%。 一方面,术后辅助化疗可以清除手术难以发现的微转移灶,减少肿瘤局部复发及远处转移风险,是术后胃癌患者的推荐治疗方案;另一方面,一线化疗对提高晚期胃癌患者的生活质量,延长其生存期具有重要意义。 本研究纳入的60例样本均采用SOX化疗方案。60例样本包括30例一线化疗胃癌患者和30例辅助化疗胃癌患者。SOX化疗即S-1和奥沙利铂的联合化疗方案。S-1 是由替加氟(FT)、吉美嘧啶(CDHP)及奥替拉西钾(OXO)组成的新一代氟尿嘧啶类口服抗肿瘤药物。S-1具有药物作用目标明确、不良反应较低、安全性能好、用药方便等优点。奥沙利铂是第3代铂类抗癌药物,比顺铂抑制DNA作用更强,但不良反应较轻。REAL-2大型Ⅲ期临床研究已经证明了以奥沙利铂为基础的方案不劣于顺铂为基础的方案。总之,SOX化疗方案的有效性和安全性得到了多方研究的支持。前期研究也确定了SOX化疗方案的最佳用药剂量。 S-1主要抗肿瘤成分为替加氟,替加氟进入人体后,主要通过肝脏微粒体的细胞色素P-450 酶系的CYP2A6 代谢,生成一种不稳定的中间物,5-羟基替加氟。后者进一步转化为氟尿嘧啶(5-Fu),从而发生抗肿瘤活性。CYP2A6具有高度的遗传多态性,目前已经发现了30 余种等位基因。铂类药物作用的主要靶点为DNA,与肿瘤细胞内DNA 结合,形成Pt-DNA 加合物,导致DNA 结构改变,DNA 复制、转录障碍,造成肿瘤细胞死亡。结合两种药物的代谢情况,确定对CYP2A6基因进行研究。 本研究通过探究SOX方案疗效和安全性与CYP2A6基因之间的关系,找到两个影响化疗腹泻程度的关键分子标志物CYP2A6 rs60823196和rs138978736,并找到了一个与SOX辅助化疗患者总生存期相关的关键分子标志物CYP2A6 rs138978736。 胃癌是预后较差、异质性很强、药物敏感性较差、对个体化要求较强的肿瘤,结合分子标志物的分型,有望使不同体质、不同生物学类型、不同预后的术后患者得到合理的化疗。以上研究能为胃癌患者从SOX化疗中获益提供一定的数据支持和科学依据。

Page 255-262


Meeting Report

Future Strategies on Glioma Research: From Big Data to the Clinic

Hang Cao, Feiyifan Wang, Xue-Jun Li

脑胶质瘤的临床治疗,在过去数十年中已经经历了几次较大的变革,如分子病理对临床分型的指导、替莫唑胺的发明和运用。然而,胶质瘤的临床预后整体来说仍不理想。那么未来的胶质瘤研究策略应该落脚在哪里?2017年3月17日于北京召开的第一届中国脑胶质瘤学术大会暨中国医师协会脑胶质瘤专业委员会第一届年会,集结超过1000名与会人员及胶质瘤研究顶尖人物,对这一问题进行讨论。其中,年会青年论坛学者,聚焦于于精准医疗的大数据研究手段进行心得展示,提示其可能是最终解决胶质瘤问题的实际方案之一。笔者在此报道年会青年论坛7位讲者心得,内容涵盖生物信息学分析、影像组学、基因组学、流行病学、新型胶质瘤分子标记ATRX/DAXX、环状RNA研究,着眼于大数据获得、分析、多组学对接、临床实践等多个环节,代表了该领域目前较高的研究水平。提示多中心参与的、基于大数据的、计算机分析的胶质瘤研究,是实现大数据到临床实践的最佳研究策略之一。

Page 263-265