乳腺癌基因组学研究进展
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通路反映了体细胞突变的共同作用。在乳腺癌 中目前共总结了 19 个相关通路，主要包括 PI3K/AKT 信号通路、JUN/MAPK 通路、凋亡通路、细胞周期通 路、TP53 信号通路、Wnt 信号通路、黏着斑通路、JAK/ STAT 信号通路、ERBB 信号通路和 VEGF 信号通路 等 。 ［12］ 其中，PI3K/AKT 信号通路和 JUN/MAPK 通路 被认为是最重要的 2 个通路。突变在某些通路的富 集说明尽管肿瘤具有遗传学差异，但由于共同通路 的 突 变 而 在 表 型 上 具 有 相 似 性 ，对 治 疗 非 常 重 要 。 总之，突变基因和通路的发现增加了对乳腺癌及其
驱动事件的认知。此外，应该开展功能分析作为癌 症基因组结构分析的补充，以证实这些发现的生物 学意义。 2 突变签名
乳腺癌的发生和发展是多基因、多阶段的过程， 也是体细胞突变的积累过程，而不同的突变过程都 会在基因组内留下痕迹，即突变签名（mutational sig⁃ nature）［13］。识别癌症的体细胞突变签名有助于加深 对癌症生物学的认识。癌症基因组中的体细胞突变 可能来源于多个方面，如 DNA 修复机制的轻度失真、 内源性或外源性突变原的暴露、酶促 DNA 修饰或 DNA 修复缺陷等。不同的肿瘤具有各自特征性的突 变签名，有些突变签名反映了环境因素的作用，如吸 烟或导致皮肤癌的紫外线照射等［14］。有些突变签名 则反映了 DNA 维护异常，如某些大肠癌中发现的 DNA 错配修复异常等［15］。通过二代测序分析可以全 面揭示遗传与环境变化在癌症基因组内留下的 签名。
中国肿瘤临床 2014 年第 41 卷第 3 期 Chin J Clin Oncol 2014, Vol. 41, No. 3 www.cjco.cn
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乳腺癌基因组学研究进展*
张柏林① 宋丰举②
摘要 乳腺癌的发生是由体细胞突变引起。研究乳腺癌的体细胞突变谱有助于明确乳腺癌发生发展的生物学过程。应用 二代测序技术对乳腺癌基因组学的研究有了一系列新的认识。二代测序技术检测到新的乳腺癌相关基因，这些基因的突变频率 较低，不同患者的突变基因却涉及某些通路的失调。某些乳腺癌基因组中可识别特异性突变签名，但一般不反映环境暴露。尽 管所有肿瘤中瘤内异质性均存在亚克隆突变，均有一个优势克隆占全部乳腺癌细胞的 50%以上。乳腺癌基因组学旨在促进向个 体化医学转化，基于基因组信息的乳腺癌分子分型和个体化治疗将在不远的将来成为现实。
此外，二代测序技术还发现了 2 种新的突变签 名 ，即 雷 雨（kataegis）［16］和 染 色 体 破 碎（chromothrip⁃ sis）［17］。雷雨是指与结构变异共存的体细胞单核苷 酸变异集群。染色体破碎是指由单个的染色体破碎 重组事件导致的复杂的体细胞结构变异，特征是拷 贝数波动和染色体局部大量重排。研究者在乳腺癌 14 号染色体区域发现密集（多于 50 个突变）雷雨签
乳腺癌是全球女性发病和死亡占第 1 位的恶性 肿瘤［1］。一般认为，乳腺癌的发病是基因与环境共同 作用的结果。体细胞突变是乳腺癌发生的必然途 径。体细胞突变分为遗传性突变和获得性突变。前 者不是癌症发生所必需的，而后者则由环境暴露刺 激形成，在体内逐渐累积，最终引发癌症［2］。因此，研 究肿瘤体细胞突变谱对于明确癌症的成因和进展过 程有重要意义。二代测序技术的出现加速了癌症基 因组学研究的进程，乳腺癌的基因组学研究也随之 取得了突破性进展［3］。二代测序技术在肿瘤基因组
作者单位：①天津医科大学肿瘤医院放疗科，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市肿瘤防治重点实验室，乳腺癌防治教育部重点实验室（天津市 300060）； ②流行病室
���本��� 文课题受国家自然科学基金重大国际合作项目（编号：81320108022）资助 通信作者：宋丰举 songfengju@163.com
关键词 乳腺癌 基因组学 二代测序 个体化医学 体细胞突变 doi:10.3969/j.issn.1000-8179.20132011
Genomics of breast cancer
Bailin ZHANG1, Fengju SONG2 Correspondence to: Fengju SONG; E-mail: songfengju@163.com Departments of 1Radiotherapy, 2Epidemiology and Biostatistics, Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital; National Clinical Research Center for Cancer, the Key Laboratory of Breast Cancer Prevention and Therapy, Ministry of Education; the Key Laboratory of Cancer Prevention and Therapy, Tianjin; Tianjin 300060, China . This work was supported by the Major International Cooperation of the National Natural Science Foundation of China (No. 81320108022). Abstract Breast cancer is caused by somatic mutation. As such, somatic mutation in breast cancer should be described to elucidate the underlying mechanism. Next-generation sequencing has provided new insights into the genomics of breast cancer. New genes were identified and exhibited a relationship with breast cancer. Although these genes mutated at a low frequency, such genes in different cases could be categorized into specific pathways. Mutational signatures could be found in some cases, but such signatures were generally not related to environmental exposure. Studies on intra-tumoral heterogeneity have revealed the ubiquitous presence of sub-clones in breast cancer; however, a major clone is also observed, accounting for >50% of tumor cells. Current advancements show that breast cancer genomics has been integrated into personalized medicine. Furthermore, a genome-informed and personalized molecular sub-typing and treatment of breast cancer can be developed in the future. Keywords: breast cancer, genomics, next-generation sequencing, personalized medicine, somatic mutation
乳腺癌基因组的碱基突变率低于其他常见成人 恶性肿瘤，每 1 000 个碱基约有 1 个突变。黑色素瘤 和肺鳞状细胞癌的突变频率最高，为乳腺癌的 10 倍。高频率的突变可能反映了环境因素，如紫外线 照射和吸烟等在这 2 种癌中的作用。在目前确定的 全部 21 种肿瘤突变签名中，各种肿瘤基因组携带的 突变签名从 2 种到 6 种不等，乳腺癌中目前确定的突 变签名主要有 5 种 。 ［13］ 这些突变签名有的与年龄有 关，如最常见的签名 1B，发生在 60%的肿瘤样本中； 有的签名（如签名 3）与 BRCA1/2 突变有关，是典型的 乳腺癌特异性签名，只出现在乳腺癌、卵巢癌等少数 几种肿瘤中；另外有 2 个签名（签名 2 和签名 13）与 APOBEC 有关，其中签名 2 发生频率为 15%，主要特 征是 TpCpG 三核苷酸序列上的 C>T 和 C>G 突变，与 APOBEC 胞苷脱氨酶家族成员的过度活性有关，在碱 基切除修复和 DNA 复制机制的共同作用下，使胞嘧 啶转换成尿嘧啶。乳腺癌相关签名 8 仅发生在约 2% 的肿瘤样本中，其发生机制尚不清楚 。 ［13］ 在乳腺癌 特征性的突变签名中，并无与环境暴露明确相关的 签名，这与宏观流行病学发现基本一致。
近期开展的乳腺癌二代测序技术报道了乳腺癌 相关体细胞突变谱。Shah 等［8］分别在 80 和 65 例三阴 乳腺癌（雌激素受体、孕激素受体和 Her-2 受体均不 表达）患者中进行 RNA 和 DNA 测序。Ellis 等［9］对 77 例雌激素受体阳性乳腺癌患者进行 DNA 测序（46 例 全基因组测序和 31 例外显子组测序）。另有研究分 别对 100 和 108 例各种类型乳腺癌进行 DNA 测序，前 者全部是全基因组测序，后者包括 17 例全基因组与 外显子组测序、5 例全基因组测序以及 86 例外显子组 测序［10-11］。该研究常见的体细胞突变基因（>10%）较 少，只有TP53、PTEN和PIK3CA等，而大量存在的是低频 散发突变，包括 TBX3、RUNX1、CBFB、AFF2、PIK3R1、 PTPN22、PTPRD、NF1、SF3B1 和 CCND3 等。这些突 变单个作用有限，一般可归纳为特定的通路。某些 突变具有互斥性特点，即两种突变一般不会同时发 生，如 TP53 和 PIK3CA，前者倾向于发生在 ER 阴性患 者，而后者多发生在 ER 阳性患者。一些突变可能与 抗癌治疗的反应和耐药有关，Ellis 等［9］认为 GATA3 突变可能与芳香酶抑制剂治疗抑制增殖作用有关。 但在一些类型的乳腺癌中无明显的驾驶员突变，说 明可能有不同的机制驱动这些肿瘤的发生，如 DNA 甲基化等。
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中国肿瘤临床 2014 年第 41 卷第 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 期 Chin J Clin Oncol 2014, Vol. 41, No. 3 www.cjco.cn
高频率（>5%）的 SNP 位点，在大量开展全基因组关联 研究（GWAS）之后，“常见疾病-常见变异”的理论受 到了极大的挑战。因 GWAS 发现的癌症相关 SNP 位 点只能解释 5%～10%的癌症病因，而大部分病因很 可能归于大量的罕见变异的作用［5-6］。因此，“常见疾 病-罕见变异”的假说产生。在罕见变异中寻找病因 是更大的挑战，检测低频变异需要更大的样本量，更 专业的技术平台和更庞大的数据分析工作。在大量 的低频体细胞突变中，只有小部分是对癌症发生有 直接作用的“驾驶员”突变，而大部分只是“乘客”突 变［7］。只有在大量突变中去伪存真，找到真正的驾驶 员突变才能确定病因，以这些可操作突变为依据指 导临床开发出有效的个体化治疗手段。
学研究中的应用可以归纳为 4 个方面：1）发现新的突 变基因和通路；2）识别特异性突变签名；3）探索肿瘤 的克隆进化；4）促进个体化医学发展［4］。本文就二代 测序技术在乳腺癌基因组学中的研究成果进行 综述。 1 突变基因与通路
在基因组变异与乳腺癌风险的关联程度中，乳 腺癌相关变异可分为常见低风险变异（5%～20%风 险）、低频中等风险变异（2～3 倍风险）和罕见高风险 变异（可达 10 倍风险）［5］。以往的关联研究多集中在
驱动事件的认知。此外，应该开展功能分析作为癌 症基因组结构分析的补充，以证实这些发现的生物 学意义。 2 突变签名
乳腺癌的发生和发展是多基因、多阶段的过程， 也是体细胞突变的积累过程，而不同的突变过程都 会在基因组内留下痕迹，即突变签名（mutational sig⁃ nature）［13］。识别癌症的体细胞突变签名有助于加深 对癌症生物学的认识。癌症基因组中的体细胞突变 可能来源于多个方面，如 DNA 修复机制的轻度失真、 内源性或外源性突变原的暴露、酶促 DNA 修饰或 DNA 修复缺陷等。不同的肿瘤具有各自特征性的突 变签名，有些突变签名反映了环境因素的作用，如吸 烟或导致皮肤癌的紫外线照射等［14］。有些突变签名 则反映了 DNA 维护异常，如某些大肠癌中发现的 DNA 错配修复异常等［15］。通过二代测序分析可以全 面揭示遗传与环境变化在癌症基因组内留下的 签名。
中国肿瘤临床 2014 年第 41 卷第 3 期 Chin J Clin Oncol 2014, Vol. 41, No. 3 www.cjco.cn
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乳腺癌基因组学研究进展*
张柏林① 宋丰举②
摘要 乳腺癌的发生是由体细胞突变引起。研究乳腺癌的体细胞突变谱有助于明确乳腺癌发生发展的生物学过程。应用 二代测序技术对乳腺癌基因组学的研究有了一系列新的认识。二代测序技术检测到新的乳腺癌相关基因，这些基因的突变频率 较低，不同患者的突变基因却涉及某些通路的失调。某些乳腺癌基因组中可识别特异性突变签名，但一般不反映环境暴露。尽 管所有肿瘤中瘤内异质性均存在亚克隆突变，均有一个优势克隆占全部乳腺癌细胞的 50%以上。乳腺癌基因组学旨在促进向个 体化医学转化，基于基因组信息的乳腺癌分子分型和个体化治疗将在不远的将来成为现实。
此外，二代测序技术还发现了 2 种新的突变签 名 ，即 雷 雨（kataegis）［16］和 染 色 体 破 碎（chromothrip⁃ sis）［17］。雷雨是指与结构变异共存的体细胞单核苷 酸变异集群。染色体破碎是指由单个的染色体破碎 重组事件导致的复杂的体细胞结构变异，特征是拷 贝数波动和染色体局部大量重排。研究者在乳腺癌 14 号染色体区域发现密集（多于 50 个突变）雷雨签
乳腺癌是全球女性发病和死亡占第 1 位的恶性 肿瘤［1］。一般认为，乳腺癌的发病是基因与环境共同 作用的结果。体细胞突变是乳腺癌发生的必然途 径。体细胞突变分为遗传性突变和获得性突变。前 者不是癌症发生所必需的，而后者则由环境暴露刺 激形成，在体内逐渐累积，最终引发癌症［2］。因此，研 究肿瘤体细胞突变谱对于明确癌症的成因和进展过 程有重要意义。二代测序技术的出现加速了癌症基 因组学研究的进程，乳腺癌的基因组学研究也随之 取得了突破性进展［3］。二代测序技术在肿瘤基因组
作者单位：①天津医科大学肿瘤医院放疗科，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市肿瘤防治重点实验室，乳腺癌防治教育部重点实验室（天津市 300060）； ②流行病室
���本��� 文课题受国家自然科学基金重大国际合作项目（编号：81320108022）资助 通信作者：宋丰举 songfengju@163.com
关键词 乳腺癌 基因组学 二代测序 个体化医学 体细胞突变 doi:10.3969/j.issn.1000-8179.20132011
Genomics of breast cancer
Bailin ZHANG1, Fengju SONG2 Correspondence to: Fengju SONG; E-mail: songfengju@163.com Departments of 1Radiotherapy, 2Epidemiology and Biostatistics, Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital; National Clinical Research Center for Cancer, the Key Laboratory of Breast Cancer Prevention and Therapy, Ministry of Education; the Key Laboratory of Cancer Prevention and Therapy, Tianjin; Tianjin 300060, China . This work was supported by the Major International Cooperation of the National Natural Science Foundation of China (No. 81320108022). Abstract Breast cancer is caused by somatic mutation. As such, somatic mutation in breast cancer should be described to elucidate the underlying mechanism. Next-generation sequencing has provided new insights into the genomics of breast cancer. New genes were identified and exhibited a relationship with breast cancer. Although these genes mutated at a low frequency, such genes in different cases could be categorized into specific pathways. Mutational signatures could be found in some cases, but such signatures were generally not related to environmental exposure. Studies on intra-tumoral heterogeneity have revealed the ubiquitous presence of sub-clones in breast cancer; however, a major clone is also observed, accounting for >50% of tumor cells. Current advancements show that breast cancer genomics has been integrated into personalized medicine. Furthermore, a genome-informed and personalized molecular sub-typing and treatment of breast cancer can be developed in the future. Keywords: breast cancer, genomics, next-generation sequencing, personalized medicine, somatic mutation
乳腺癌基因组的碱基突变率低于其他常见成人 恶性肿瘤，每 1 000 个碱基约有 1 个突变。黑色素瘤 和肺鳞状细胞癌的突变频率最高，为乳腺癌的 10 倍。高频率的突变可能反映了环境因素，如紫外线 照射和吸烟等在这 2 种癌中的作用。在目前确定的 全部 21 种肿瘤突变签名中，各种肿瘤基因组携带的 突变签名从 2 种到 6 种不等，乳腺癌中目前确定的突 变签名主要有 5 种 。 ［13］ 这些突变签名有的与年龄有 关，如最常见的签名 1B，发生在 60%的肿瘤样本中； 有的签名（如签名 3）与 BRCA1/2 突变有关，是典型的 乳腺癌特异性签名，只出现在乳腺癌、卵巢癌等少数 几种肿瘤中；另外有 2 个签名（签名 2 和签名 13）与 APOBEC 有关，其中签名 2 发生频率为 15%，主要特 征是 TpCpG 三核苷酸序列上的 C>T 和 C>G 突变，与 APOBEC 胞苷脱氨酶家族成员的过度活性有关，在碱 基切除修复和 DNA 复制机制的共同作用下，使胞嘧 啶转换成尿嘧啶。乳腺癌相关签名 8 仅发生在约 2% 的肿瘤样本中，其发生机制尚不清楚 。 ［13］ 在乳腺癌 特征性的突变签名中，并无与环境暴露明确相关的 签名，这与宏观流行病学发现基本一致。
近期开展的乳腺癌二代测序技术报道了乳腺癌 相关体细胞突变谱。Shah 等［8］分别在 80 和 65 例三阴 乳腺癌（雌激素受体、孕激素受体和 Her-2 受体均不 表达）患者中进行 RNA 和 DNA 测序。Ellis 等［9］对 77 例雌激素受体阳性乳腺癌患者进行 DNA 测序（46 例 全基因组测序和 31 例外显子组测序）。另有研究分 别对 100 和 108 例各种类型乳腺癌进行 DNA 测序，前 者全部是全基因组测序，后者包括 17 例全基因组与 外显子组测序、5 例全基因组测序以及 86 例外显子组 测序［10-11］。该研究常见的体细胞突变基因（>10%）较 少，只有TP53、PTEN和PIK3CA等，而大量存在的是低频 散发突变，包括 TBX3、RUNX1、CBFB、AFF2、PIK3R1、 PTPN22、PTPRD、NF1、SF3B1 和 CCND3 等。这些突 变单个作用有限，一般可归纳为特定的通路。某些 突变具有互斥性特点，即两种突变一般不会同时发 生，如 TP53 和 PIK3CA，前者倾向于发生在 ER 阴性患 者，而后者多发生在 ER 阳性患者。一些突变可能与 抗癌治疗的反应和耐药有关，Ellis 等［9］认为 GATA3 突变可能与芳香酶抑制剂治疗抑制增殖作用有关。 但在一些类型的乳腺癌中无明显的驾驶员突变，说 明可能有不同的机制驱动这些肿瘤的发生，如 DNA 甲基化等。
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中国肿瘤临床 2014 年第 41 卷第 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 期 Chin J Clin Oncol 2014, Vol. 41, No. 3 www.cjco.cn
高频率（>5%）的 SNP 位点，在大量开展全基因组关联 研究（GWAS）之后，“常见疾病-常见变异”的理论受 到了极大的挑战。因 GWAS 发现的癌症相关 SNP 位 点只能解释 5%～10%的癌症病因，而大部分病因很 可能归于大量的罕见变异的作用［5-6］。因此，“常见疾 病-罕见变异”的假说产生。在罕见变异中寻找病因 是更大的挑战，检测低频变异需要更大的样本量，更 专业的技术平台和更庞大的数据分析工作。在大量 的低频体细胞突变中，只有小部分是对癌症发生有 直接作用的“驾驶员”突变，而大部分只是“乘客”突 变［7］。只有在大量突变中去伪存真，找到真正的驾驶 员突变才能确定病因，以这些可操作突变为依据指 导临床开发出有效的个体化治疗手段。
学研究中的应用可以归纳为 4 个方面：1）发现新的突 变基因和通路；2）识别特异性突变签名；3）探索肿瘤 的克隆进化；4）促进个体化医学发展［4］。本文就二代 测序技术在乳腺癌基因组学中的研究成果进行 综述。 1 突变基因与通路
在基因组变异与乳腺癌风险的关联程度中，乳 腺癌相关变异可分为常见低风险变异（5%～20%风 险）、低频中等风险变异（2～3 倍风险）和罕见高风险 变异（可达 10 倍风险）［5］。以往的关联研究多集中在