《細胞》子刊：科學家發現長期吸煙引起的肺細胞DNA表觀遺傳學變化或是肺癌發生的第一步｜科學大發現

毋庸置疑，吸煙是導致肺癌的罪魁禍首。研究發現，肺癌死亡總數中的70%是由吸煙引起的[1]！但是吸煙究竟是如何引起肺癌的，科學家一直都沒有給出解釋。

近日，約翰霍普金斯大學研究人員給出了答案：香煙煙霧會導致細胞發生異常的DNA甲基化，進而使抑癌基因表達量下降，這會引起促進細胞生長的KRAS基因表達量升高，如果這個煙民的KRAS基因恰巧發生了致癌突變（1/3的吸煙肺癌患者攜帶這個突變），那麼啟動肺癌的第一步就這樣開始了！

這項研究由約翰霍普金斯大學腫瘤學教授，Stephen Baylin，帶領團隊完成。最新的研究成果刊登在9月11日的著名學術雜誌《Cancer Cell》上[2]。

Stephen Baylin教授

2012年，華盛頓大學研究人員對吸煙的和不吸煙的非小細胞肺癌患者的全基因組測序分析發現，吸煙患者的總的基因突變率要高於不吸煙患者的10倍以上，其中，將近50%的吸煙患者發生了KRAS基因突變，而不吸煙的患者，沒有檢測到KRAS基因突變[3]。KRAS基因與細胞生長和分化調控有關，當它發生突變時，會導致細胞的惡性增殖、分化和調控紊亂，KRAS基因突變與肺癌、結直腸癌、胰腺癌等癌症的發病及預後有關[4]。

另外，科學家們對吸煙和不吸煙人群的研究發現，不論是癌症患者還是健康的人，與不吸煙的人相比，「煙民」的DNA甲基化表現出不同的變化[5，6]。甲基化是表觀遺傳學修飾的一種方式，就是在基因的DNA序列的起始區域添加上一個小小的化學基團（甲基），這樣通常會讓甲基化的基因沉默，基因不再活躍地表達。

吸煙的肺癌患者基因突變率（右）明顯高於非吸煙肺癌患者（左），圖片來源：參考資料4

那麼，表觀遺傳學變化和基因突變在肺癌的發生中究竟扮演了怎樣的作用呢？這些變化的發生時間及其先後順序又是怎樣的？為了解答上述問題，Baylin教授團隊決定要一探究竟。

研究人員首先將不攜帶致癌突變的人支氣管上皮細胞進行改造，讓這些細胞能夠不斷地分裂，同時保證它們不會致癌。接下來，他們將改造的細胞暴露在5μg/ml或10μg/ml的煙草煙霧凝集物中，這個量相當於人每天抽1到2包香煙的量，對這些細胞連續培養15個月（相當於人吸煙30年），並在不同的時間段內，對細胞的變化進行觀察檢測。

研究人員發現，在10天到3個月的時間裡，細胞中與甲基化修飾有關的2種蛋白，EZH2和DNMT1的量增加了2-4倍。EZH2已經被證明會在異常的甲基化發生前出現，而DNMT1是維持DNA正常甲基化的關鍵酶，當它的量上升時，會關閉掉抑癌基因，細胞出現不可控的生長，而這正是癌症的標誌之一！

在第10個月到15個月期間，包括抑癌基因BMP3、SFRP2、GATA4在內的數百個基因的表達下調了，而KRAS基因的表達卻增加了5倍以上！

研究人員對這些基因的深入分析發現，原來，在煙草煙霧凝集物暴露的15個月內，上述抑癌基因和KRAS基因本身並沒有發生突變，只是因為與甲基化相關的EZH2和DNMT1增加，導致了抑癌基因的異常甲基化，進而讓KRAS基因表達上調。

也就是說，煙草煙霧暴露，導致細胞的甲基化改變，導致致癌基因KRAS表達量增加，增加了細胞發生癌變的風險。

那麼問題又來了，究竟要暴露在香煙煙霧中多久，才會導致肺癌的發生呢？於是，研究人員把暴露於煙草煙霧凝集物6個月的細胞（相當於人吸煙12年）和15個月的細胞（相當於人吸煙30年），分別引入致癌的KRAS基因突變，再把這些攜帶KRAS基因突變的細胞移植到小鼠體內，觀察這些細胞是否會導致癌症發生。

結果發現，只有暴露在煙草煙霧凝集物15個月的細胞（相當於人吸煙30年），在致癌突變的作用下，才能讓小鼠長出腫瘤來，即發生致癌轉化。而暴露在煙草煙霧凝集物6個月的細胞（相當於人吸煙12年），由於它的異常甲基化還不徹底，抑癌基因還可以發揮作用，所以即使是致癌的KRAS基因突變存在，細胞也不能發生致癌轉化。

煙草煙霧凝集物導致人支氣管上皮細胞的甲基化修飾改變，讓細胞對致癌KRAS基因突變敏感，導致細胞致癌轉化

Baylin教授表示，這些結果表明，慢性香煙煙霧暴露引起的早期表觀遺傳學變化，會隨著時間的增加而增加，並且讓人支氣管上皮細胞對致癌的基因突變越來越敏感。

這項實驗室研究的結果和美國「癌症基因組圖集」（TCGA）的數據分析結果不謀而合：與沒有戒煙的人相比，戒煙10年以上的人的異常甲基化水平明顯降低！

也就是說，煙民們最好是戒掉煙癮以降低癌症風險，而且是越早戒煙、肺癌的風險就越低！

正如這項研究的第一作者，Michelle Vaz博士所說：「不像基因突變那樣難以扭轉，在適當的時間戒煙，就有可能降低因表觀遺傳學改變導致的癌症風險！」[7]

研究人員表示，雖然還不知道長期吸煙的人是否也會發生如此的變化，但是，這是證明表觀遺傳學改變是吸煙導致肺癌發生的初步證據。另外，由於這次使用的煙草煙霧凝聚物是傳統香煙中的成分，研究人員還不能確定電子煙或其他形式的煙草是否也會給吸煙者造成同樣的影響[7]。

寫到最後，不禁想到：煙民們早點戒煙吧，省下來的錢給身邊的女士買支口紅也是極好的！又或者買個iPhone X，也是可以的！

參考資料：

[1]http://www.wpro.who.int/china/mediacentre/factsheets/tobacco/zh/

[2]http://www.cell.com/cancer-cell/fulltext/S1535-6108(17)30349-5

[3] Govindan R, Ding L, Griffith M, et al. Genomic landscape of non-small cell lung cancer in smokers and never-smokers[J]. Cell, 2012, 150(6): 1121-1134.

[4] 謝玲, 陳劼, 孫怡,等. 中國結直腸癌、肺癌和胃癌患者KRAS基因突變情況分析[J]. 臨床與實驗病理學雜誌, 2016, 32(02):210-213.

[5] Belinsky S A. Gene-promoter hypermethylation as a biomarker in lung cancer[J]. Nature reviews. Cancer, 2004, 4(9): 707.

[6] Gao X, Zhang Y, Breitling L P, et al. Tobacco smoking and methylation of genes related to lung cancer development[J]. Oncotarget, 2016, 7(37): 59017.

[7]http://www.hopkinsmedicine.org/news/media/releases/epigenetic_changes_from_cigarette_smoke_may_be_first_step_in_lung_cancer_development

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