甲状腺癌分子发病机制与机制研究综述
作者 Mingzhao Xing 来自约翰斯·霍普金斯大学医学院内分泌与代谢科细胞与分子甲状腺研究实验室，该综述发表于《Nature Reviews Cancer》2013年3月刊第13卷。
甲状腺癌是最常见的内分泌恶性肿瘤，近几十年来全球发病率迅速上升。在美国，2000年至2009年间甲状腺癌发病率的年均增长率为6.6%，居所有癌症之首。尽管甲状腺癌的死亡率相对较低，但疾病复发或持续存在的比例很高，这与其难以治愈性及患者发病率和死亡率的增加密切相关。甲状腺癌根据细胞来源可分为滤泡甲状腺细胞来源的肿瘤和滤泡旁C细胞来源的甲状腺髓样癌（medullary thyroid cancer, MTC），前者占甲状腺恶性肿瘤的大多数，包括乳头状甲状腺癌（papillary thyroid cancer, PTC）、滤泡状甲状腺癌（follicular thyroid cancer, FTC）、低分化甲状腺癌（poorly differentiated thyroid cancer, PDTC）和未分化甲状腺癌（anaplastic thyroid cancer, ATC）。其中PTC和FTC合称为分化型甲状腺癌（differentiated thyroid cancer, DTC）。MTC的分子机制主要涉及RET信号通路的异常激活，而滤泡甲状腺细胞来源肿瘤的分子发病机制则是该综述的核心关注点。
在甲状腺癌的常见遗传学改变方面，基因突变是最为突出的一类。BRAF的T1799A点突变导致BRAF-V600E突变蛋白的表达，使该丝氨酸/苏氨酸激酶持续激活，该突变在约45%的PTC中出现。一项全面的多中心研究表明，BRAF-V600E与PTC的不良临床病理结局密切相关，包括侵袭性病理特征、复发率增高、放射性碘亲和力丧失以及治疗失败。在PTC中还发现了少数罕见的BRAF突变类型，主要影响密码子600周围的核苷酸。转基因小鼠实验证实了BRAF-V600E能够诱导侵袭性PTC的发生。近年来发现部分人类PTC肿瘤在BRAF基因型上呈现瘤内异质性，少数细胞携带BRAF-V600E而多数细胞携带野生型BRAF，这引发了关于BRAF-V600E究竟是PTC始动因素还是继发事件的讨论。
RAS突变在甲状腺癌中的发生率仅次于BRAF突变。RAS蛋白在与GTP结合时处于活性状态，其内在GTPase水解GTP使RAS转化为非活性的GDP结合状态从而终止信号传导。RAS突变导致GTPase活性丧失，使RAS锁定在持续激活的GTP结合状态。RAS有三种亚型——HRAS、KRAS和NRAS，其中NRAS在甲状腺肿瘤中突变最为常见，主要涉及密码子12和61。虽然RAS是MAPK和PI3K-AKT两条通路的经典双激活因子，但在甲状腺肿瘤发生中RAS突变似乎优先激活PI3K-AKT通路。RAS突变在滤泡状甲状腺腺瘤（follicular thyroid adenoma, FTA）中的常见发生提示激活的RAS可能在早期滤泡甲状腺细胞肿瘤发生中发挥作用，但从FTA向甲状腺癌的转化显然还需要RAS突变之外的其他遗传学改变。转基因小鼠研究为这一观点提供了直接证据：条件性生理表达KRAS突变体不能转化甲状腺细胞，但KRAS突变体表达与PTEN缺失同时存在时则能诱导侵袭性FTC的快速发生。
肿瘤抑制基因PTEN的突变或缺失是激活PI3K-AKT通路的经典遗传学改变，也是Cowden综合征中滤泡甲状腺细胞肿瘤发生的遗传学基础。编码PI3K p110α催化亚基的PIK3CA突变在甲状腺癌中也很常见，尤其在FTC、PDTC和ATC中。AKT1突变在转移性甲状腺癌中检出率约为15%。其他在甲状腺肿瘤发生中发生突变的重要基因包括β-catenin（CTNNB1）、TP53、异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）、间变性淋巴瘤激酶（ALK）和表皮生长因子受体（EGFR）。这些突变在最具侵袭性的PDTC和ATC中优先出现，提示它们可能在甲状腺癌的进展和侵袭性中发挥作用。在Hürthle细胞甲状腺癌中，NDUFA13突变相当常见，而BRAF和RAS突变或RET-PTC在该类型中并不存在。
基因扩增和拷贝数增加是甲状腺肿瘤发生中另一类重要的遗传学机制，特别是对编码受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases, RTKs）的基因而言。PI3K-AKT通路成员的编码基因也常见拷贝数增加，包括PIK3CA、PIK3CB、PDPK1、AKT1和AKT2。这些基因的拷贝数增加在ATC中比在DTC中更为普遍，表明这些遗传学改变对甲状腺癌的进展和侵袭性具有重要意义。IQGAP1基因的扩增或拷贝数增加是近年来在甲状腺癌中发现的重要遗传学事件，该基因编码一种多功能支架蛋白。IQGAP1拷贝数增加与BRAF-V600E突变共存时，与复发性PTC的高发生率特别相关。
基因易位导致的致癌性重排在甲状腺癌中以RET-PTC最具代表性。RET-PTC有十多种类型，由伴侣基因的类型决定，最常见的类型为RET-PTC1和RET-PTC3。RET是一种编码RTK的原癌基因，RET-PTC是RET的3′酪氨酸激酶部分与伴侣基因5′部分之间遗传重组的结果。重排导致RET的配体非依赖性二聚化和持续性酪氨酸激酶活性。RET-PTC可以出现在良性FTA和滤泡变异型PTC中，但更常见于经典型PTC。RET-PTC是一种经典癌蛋白，能够激活MAPK和PI3K-AKT两条通路。PAX8-PPARG融合基因是甲状腺癌中另一个重要的重组癌基因，在高达60%的FTC和滤泡变异型PTC中出现。该融合蛋白对野生型肿瘤抑制因子PPARγ发挥显性负效应。
异常基因甲基化是人类癌症的表观遗传学标志，在甲状腺癌中同样常见。BRAF-V600E突变与多个肿瘤抑制基因的高甲基化相关，包括TIMP3、SLC5A8、DAPK1和RARB。DNA甲基化微阵列研究揭示了BRAF-V600E信号驱动的全基因组范围内的广泛高甲基化，同时也发现了大量由BRAF-V600E驱动的低甲基化并因此过度表达的基因。PTEN启动子甲基化在FTC和ATC中也很常见，与PTEN表达的丧失一致，并与PI3K-AKT通路的遗传学改变相关联，形成了一个自我放大的环路模型。
在信号通路方面，MAPK通路的异常激活在PTC的发生中具有核心地位。MAPK介导的甲状腺肿瘤发生涉及广泛的继发性分子改变，包括多种促肿瘤蛋白的上调，如趋化因子、VEGFA、MET、NF-κB、基质金属蛋白酶、vimentin、HIF1α和TGFβ1等。BRAF-V600E还被发现能够以不依赖MEK-ERK信号的方式，通过促进IκB降解而激活NF-κB通路。BRAF-V600E还能够直接与MST1的羧基末端相互作用并抑制其激酶活性，从而抑制RASSF1-MST1-FOXO3促凋亡通路。因此，BRAF-V600E独特地同时耦联了三条重要通路——MEK-MAPK、RASSF1-MST1-FOXO3和NF-κB通路，代表了甲状腺肿瘤发生中一种独特而强大的致癌机制。
PI3K-AKT通路在甲状腺肿瘤发生中也具有根本性作用，尤其是在FTC及其侵袭和转移中。AKT1和AKT2在甲状腺癌中表达和激活显著，而AKT3未见明显参与。甲状腺癌细胞对PI3K-AKT通路抑制剂的敏感性依赖于该通路中遗传学改变的存在，表明携带此类改变的癌细胞已经对该通路的过度激活产生了依赖性。Wnt-β-catenin通路参与了甲状腺癌的发生发展，CTNNB1激活突变在PDTC和ATC中尤为常见，PI3K-AKT通路的激活也通过GSK3β的磷酸化失活而上调Wnt-β-catenin信号。HIF1α通路在甲状腺癌中表达上调，尤其在ATC等侵袭性类型中，受到PI3K-AKT和MAPK两条通路的共同调控。TSH-TSHR信号通路在甲状腺癌发生中具有双重作用，TSHR信号的缺失能够阻止转基因小鼠模型中甲状腺癌的发生，但低血清TSH水平又与甲状腺癌风险增加的遗传变异相关。
甲状腺癌的进展是遗传学改变逐步积累的过程。PI3K-AKT通路成员的突变在FTA到FTC再到ATC的过程中频率逐渐增加，PTEN启动子甲基化也呈现从低级别到高级别肿瘤的递增趋势。MAPK和PI3K-AKT两条通路的同时激活在高侵袭性甲状腺癌中更为常见。一项针对48例ATC样本的研究发现，81%的样本携带能够同时激活两条通路的遗传学改变。转基因小鼠实验也证实，仅激活一条通路不足以诱导侵袭性甲状腺癌，而两条通路的同时激活则能导致侵袭性肿瘤的发生。
在碘处理机制的损伤方面，BRAF-V600E突变在复发性放射性碘难治性PTC中的出现率高达78%-95%，多项研究表明BRAF-V600E与甲状腺碘处理基因（NIS、TSHR、TPO、TG和Pendrin）的表达降低或缺失相关。诱导BRAF-V600E表达可导致几乎所有甲状腺激素合成通路基因的表达受损，停止表达或抑制MAPK通路后可恢复。TGFβ自分泌环是BRAF-V600E沉默NIS的另一机制。PI3K-AKT通路的激活同样能够下调碘处理机制，抑制该通路可诱导NIS表达和碘摄取。
在转化应用方面，BRAF-V600E突变检测在细针穿刺活检（FNAB）样本中的诊断应用已进入临床。BRAF突变、RAS突变、RET-PTC和PAX8-PPARG等遗传标志物的组合使用提高了对细胞学检查不确定的甲状腺结节的诊断准确性。在预后方面，大型多中心研究证实BRAF-V600E突变与PTC患者死亡率显著相关，即使在常规低风险患者中也是如此。多种靶向MAPK和PI3K-AKT通路组分的小分子激酶抑制剂已在临床试验中显示出前景，包括axitinib、sorafenib、motesanib和pazopanib。MEK抑制剂和BRAF-V600E特异性抑制剂（如vemurafenib）在临床前研究中显示出对BRAF-V600E突变甲状腺癌细胞的选择性抑制作用。由于侵袭性甲状腺癌涉及多条信号通路的激活，同时靶向多条通路可能是更有效的治疗策略。临床前研究表明，联合使用MEK或BRAF-V600E抑制剂与PI3K、AKT或mTOR抑制剂具有协同效应。
该综述的学术价值在于系统整合了甲状腺癌分子发病机制领域的重要进展，构建了以MAPK和PI3K-AKT通路为核心的甲状腺肿瘤发生与进展的分子模型，阐明了遗传学和表观遗传学改变的积累与协同在甲状腺癌从分化型向未分化型演进中的驱动作用，并为基于分子标志物的诊断、预后评估和靶向治疗策略提供了系统的理论框架。