作者:鄭翰欽/有勁生物科技

 

體細胞突變(Somatic mutation)和生殖細胞系突變(Germline mutation)最大的不同,在於其變異不會從親代遺傳給下一代 (詳見圖一1)。有關這類突變的研究多著墨在癌症領域。與正常細胞相比,癌細胞在自我修復與分裂增殖這些方面是如脫韁野馬般失去控制的;正因這樣,在其快速進行分裂增生的當下,一旦有突變發生,就會來不急修復,而將突變直接傳給下一批細胞,癌細胞的突變於是愈積愈多(詳見圖二2)。非但如此,假如這些突變剛好發生在和調控有關的基因上,還會讓癌細胞變得更加不受控制,脫序狀況越演越烈。因此,了解體細胞突變的型態和狀況對於癌症治療來說是很重要的。

 

 

圖一、體細胞突變與生殖細胞系突變的比較

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體細胞突變(右);生殖細胞系突變(左)。(圖片來源:BioNinja Website. Somatic vs Germline Mutations.)

 

 

圖二、體細胞突變累積示意圖

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從骨髓釋出的未成熟T細胞會進入胸腺(Thymus)接受免疫鑑識教育訓練 (如圖二上所示),之後才分化為成熟的T細胞。在胸腺的這段期間,T細胞「新兵部隊」會在接受鑑識刺激後進行基因重組,再各自分化長出能夠辨識不同抗原(antigen)的受體(receptor);一種T細胞只會帶有一種抗原受體。換句話說,體內會出現許多種T細胞,各自對不同特定抗原具有識別上的專一性。免疫鑑識教育訓練結束後,這些已經分化過的「各有所長」的T細胞就會進入血液循環中,等待外界抗原的出現。當某種「外來物(例如病菌)」入侵人體時,其細胞表面所帶有的各種抗原,只要其中有能夠和某種T細胞上的抗原受體「對上眼」結合的,就會刺激誘發這類T細胞的快速增殖(如圖二下的clone Ⅰ及clone Ⅱ)。T細胞增殖過程中萬一有基因突變發生(如圖二下右方clone Ⅱ所示),狀況若來得及修復,對身體就不至於產生什麼影響。若來不及修復,變異就會被攜帶傳承給後代T細胞 (如圖二下1st mutations土黃色區塊所示)。突變若持續產生且遲遲未能修復,變異就會不斷累積並傳遞給後代細胞 (如圖二下2nd mutations粉紅色區塊所示)。 (圖片來源:Savola, P. et al. Nature Communications. 2017 Jun 21; 8:15869.)

 

 

那麼,體細胞突變的研究對癌症治療來說,究竟有何助益呢?

 

一、用來評估分子免疫療法的可能性

  我們的免疫系統會依據細胞表面呈現的抗原來辨識該細胞是自己的/正常的、還是外來的/異常的。癌細胞因為突變的關係,其表面抗原和正常細胞所呈現的不太一樣。突變程度愈大,其表面抗原與正常細胞的差異也就愈大,照理應該是更容易被區別出來的;可是癌細胞卻偏偏具有欺騙免疫T細胞識別的能力,會讓免疫系統無法正常發揮作用。而所謂的「分子免疫療法」,就是想辦法抑制癌細胞欺騙免疫T細胞的能力,好讓免疫系統能夠成功鑑識出癌細胞抗原,讓具高度變異的癌細胞可以被消滅掉 (詳見圖三3)。然而,對體細胞突變程度不夠大的癌細胞來說,由於其表面抗原與正常細胞抗原的差異不大,能誘發的免疫反應相較下就沒那麼強,以致分子免疫療法用在這類型癌症的治療上,效果反而不是很好。體細胞的突變程度是故可以被用來評估癌症分子免疫療法的成功機會。

 

 

圖三、分子免疫療法

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受過免疫鑑識教育訓練的T細胞會一一檢查體細胞表面的抗原,一旦發現抗原並非源自此個體本身,免疫系統就會將體細胞殺死。為了避免T細胞誤殺一般正常細胞,我們的身體發展出一套「免疫檢查點(Immune checkpoint)」的煞車機制。正常細胞會秀出PD-L1這個基因的表現抗原,T細胞只要偵測到細胞出示的這個「通行卡」,就會停止獵殺。然而,癌細胞雖然和正常細胞有著表面抗原的差異,卻會利用大量表現PD-L1這個通行卡,而得以魚目混珠,偽裝成正常細胞逃過T細胞的獵殺(圖三上)。分子免疫療法則是利用Anti PD-1來模仿PD-L1抗原,把T細胞上的「通行卡刷卡機」—PD-1受體通通卡位佔住,讓癌細胞再無機會可乘,如此一來,T細胞便可好好執行獵殺癌細胞的任務了(圖三下)。(圖片來源:Francis Collins. NIH Director′s Blog. (2015 June 9). A Surprising Match: Cancer Immunotherapy and Mismatch Repair.)

 

 

二、協助癌症診斷和治療的進行

網路上有一些收集體細胞突變基因位點的資料庫,例如COSMIC4、HGMD5、PharmGKB6。利用這些資料庫去比對患者體細胞的突變基因位點,便可判斷突變是否和哪些癌症有關;甚至還可找到針對此突變的用藥等等資訊,幫助患者得到更「精準」的個人化治療。

 

  然而,要怎麼去分辨哪些突變是體細胞突變,哪些是生殖細胞系的突變,實務上有兩種方式:其一是取得同患者的正常組織以及腫瘤組織,然後利使用諸如Mutect2的軟體去比較這兩個組織上的變異;這樣子從兩者之間找出來的差異即為體細胞突變。倘若欠缺患者的正常組織,就得要透過註解(annotation)的方式,去確認哪些是體細胞的突變。

 

  目前癌症基因有很多研究領域方興未艾,例如:體細胞有哪些突變是真正讓癌細胞變成不受控制的驅動突變(driver mutation)?這些奧秘要揭開,還有待科學家們的持續努力。

 

 

參考文獻

1. BioNinja Website. Somatic vs Germline Mutations. Retrieved from

http://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/33-meiosis/somatic-vs-germline-mutatio.html

2. Savola, P. et al. Somatic mutations in clonally expanded cytotoxic T lymphocytes in patients with newly diagnosed rheumatoid arthritis. Nature Communications. 2017 Jun 21; 8:15869.

https://doi.org/10.1038/ncomms15869

3. Francis Collins. NIH Director′s Blog. (2015 June 9). A Surprising Match: Cancer Immunotherapy and Mismatch Repair. Retrieved from

https://directorsblog.nih.gov/2015/06/09/a-surprising-match-cancer-immunotherapy-and-mismatch-repair/

4. Forbes, S.A. et. al. COSMIC: somatic cancer genetics at high-resolution. Nucleic Acids Research. 2017 Jan 4; 45(Database issue):D777-D783.

http://doi.org/10.1093/nar/gkw1121

5. Stenson, P.D. et. al. Human gene mutation database (HGMD®): 2003 update. Human Mutation. 2003 Apr 24; 21(6):577-581.

https://doi.org/10.1002/humu.10212

6. Hewett, M. et. al. PharmGKB: the pharmacogenetics knowledge base. Nucleic Acids Research. 2002 Jan 1; 30(1):163-165.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11752281

 

 

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