高云1 陈嘉昌2 朱振宇1 彭焕玉2
1. 中山大学中山医学院，2. 中山大学达安基因诊断中心
[ 摘 要] 表皮生长因子受体（EGFR）属于酪氨酸激酶受体，它介导的信号转导途径调节细胞的生长、增殖和分化。在癌症中发现EGFR 酪氨酸激酶区常发生各种突变，这些突变和酪氨酸激酶抑制剂的疗效密切相关。因此，EGFR 突变的检测对癌症的个体化治疗具有重要的参考价值。目前常用的EGFR 突变检测方法有测序法、PCR-SSCP、突变体富集PCR、ARMS、微数字PCR、HRM、DHPLC。
[ 关键词] EGFR ；突变；检测
EGFR 已成为近年来肿瘤治疗研究和抗肿瘤药物筛选的热点, 有关EGFR 突变与肿瘤发生以及EGFR 突变在分子靶向治疗中的作用日益受到人们的关注。EGFR 突变是癌症患者是否对TKI 敏感的强预测因子, 因此EGFR 基因突变的检测能为肿瘤靶向治疗提供依据。现就EGFR 基因突变及其主要检测方法做一综述。
1 EGFR 突变
1.1 EGFR 的生物学特征
人类表皮生长因子受体家族（epidermal growth factor receptor family, EGFR 家族） 属于酪氨酸激酶受体家族，也被称作HER 家族或erbB 家族。EGFR 家族由四个成员组成，分别是erbB1（EGFR /HER1），erbB2 （neu/HER2），erbB3（HER3），erbB4（HER4）。
EGFR 基因位于第七号染色体短臂上（7p12），长约118 kb，由28 个外显子组成。其转录形成的mRNA 长约5.6 kb，编码的EGFR 是分子量为170 kD 的跨膜糖蛋白，编码蛋白由1186 个氨基酸组成，具有酪氨酸激酶（tyrosine kinase, TK）活性，是传递胞外信号到胞内的重要途经蛋白。
EGFR 家族成员的结构相似，都包括胞外区、跨膜区、胞内区三部分。胞外区是其与相应的配体结合所在部位，可分4 个区，其中区域Ⅲ为配体结合区。与其胞外区结合的配体分子有：表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF），转化生长因子α（transforming growth factor-α，TGF-α），B 细胞生长因子（B-cell growth factor, BCGF），肝素结合表皮生长因子样生长因子（heparin binding epidermalgrowth factor like growth factor, HBEGF），表皮调节素（epiregulin, EGR）等。EGFR 跨膜区将受体锚定在胞膜上。胞内区有典型的ATP 结合位点和酪氨酸激酶区，其酪氨酸激酶活性在调节细胞增殖及分化中起着至关重要的作用。在家族成员中HER2 缺乏配体结合区，HER3 缺乏胞内酪氨酸激酶活性，它们靠与其他家族成员形成异源二聚体发挥作用。
正常情况下，EGFR 的胞外配体结合区与配体结合，使受体二聚化，形成同源二聚体或与其他家族成员形成异源二聚体。受体二聚化后构象发生改变与ATP 分子结合，激活胞内的酪氨酸激酶活性，导致自身磷酸化，从而为多种下游分子提供停泊位点，启动下游信号转导通路。EGFR 的主要信号转导途径有：RAS-RAF-MEK-ERK-MAPK 通路，PI3K-PDK 通路，PLC-γ 通路，JAK-STAT 通路。通过这些途径，将胞外信号转化为胞内信号，从而有效应对外界的信号刺激，调节细胞的生长、增殖、分化，抑制细胞的凋亡。
1.2 EGFR 突变和癌症治疗
EGFR 的突变主要发生在胞内TK 区域的前四个外显子上（18~21），目前发现的TK 区域突变有30 多种（如图1）。他们能导致不依赖于配体的EGFR TK 激活，称为激活突变。激活突变有三种类型：缺失突变、替代突变、复制或插入突变，它们都发生在TK 区域的ATP 结合口袋上。缺失突变主要发生在外显子19 上，最常见的是del E746-A750，替代突变最常见的是发生在外显子21 上的L858R，复制或插入突变发生在外显子20 上。其中外显子19的缺失突变（del E746-A750）和外显子21 上的替代突变（L858R）又叫经典突变或热点突变，约占突变的90%。并不是所有的突变都是激活突变，如发生在外显子20 上的替代突变T790M 为耐药突变，研究还发现有L858Q、 D761Y 、T854A 等耐药突变。
图1 非小细胞肺癌中EGFR 突变
异常的EGFR 活化能够促进肿瘤细胞的增殖、迁移、分化、血管新生，并且能够抑制肿瘤细胞的凋亡。异常的EGFR 活化机制包括受体本身的扩增、受体配体的过表达、活化突变以及负性调节途径的缺乏。EGFR 诱导癌症至少通过3 种机制：EGFR 配体的过表达、EGFR 的扩增或EGFR 的突变活化。其中以EGFR 的突变活化为主要机制。各项研究也表明EGFR 在多种肿瘤细胞中存在突变或扩增的情况。已经检测到的突变数量最多的是非小细胞肺癌。
在癌症治疗中，传统的化疗和放疗由于缺乏特异性，取得疗效的同时也往往给患者带来较大的毒副作用。因此，选择特异的分子靶点进行治疗日益受到人们的重视。在取得明显疗效的同时，又可以避免对正常细胞的伤害。EGFR 是目前国内外研究者公认的一个肿瘤靶向治疗分子。目前靶向EGFR 的药物主要有两类：一类是作用与EGFR 胞外区的单克隆抗体，这类抗体能与EGFR 胞外配体结合部位结合，阻断了EGFR 其与配体的结合，从而阻断下游信号转导途径；一类是作用与胞内酪氨酸激酶活性区域的小分子酪氨酸激酶抑制剂（tyrosine kinase inhibitor,TKI），如gefitinib 和erlotinib。酪氨酸激酶抑制剂主要为小分子喹啉类化合物，能够与细胞内酪氨酸激酶结构域上ATP 位点竞争性结合，可逆性、选择性抑制EGFR 相关的酪氨酸激酶活性及细胞内磷酸化过程，进而抑制EGFR 下游的信号转导，从而阻断EGFR 诱导的体外肿瘤细胞的生长，加速细胞凋亡、拮抗血管生成、抑制肿瘤转移、阻断肿瘤生长。
近年来针对EGFR 为分子靶点的癌症治疗的地位越来越受到国内外的重视。其中以gefitinib 和erlotinib 为代表的EGFR-TKI 取得一定的疗效。许多研究发现EGFR 基因突变与TKI 的疗效密切相关。2004 年Paez 等和Lynch 等首先报道了酪氨酸激酶抑制剂对EGFR 发生激活突变的患者具有显著的疗效，且女性、非吸烟者、腺癌患者、亚洲人更容易发生EGFR 激活突变。有研究表明，EGFR 发生突变的患者中，大约有75% 对TKI 治疗有反应。普遍认为这两处热点突变增强了肿瘤细胞对小分子酪氨酸激酶抑制剂的敏感性并且被认为是 TKI 治疗的有效预测指标。
综上所述，EGFR 突变是患者是否对此TKI 敏感的强预测因子，TKI 药物的治疗应当依据EGFR 基因检测结果选择治疗对象，筛选最合适的患者进行有针对性的靶向治疗，以提高药物疗效，有效抵制癌症的进展。目前，还没有一种完全适用于临床的快速、简便、灵敏、准确、经济的EGFR 突变检测方法，如何在临床上快速简便筛选出EGFR 突变是大家所关心的问题。
2 EGFR 突变检测方法
2.1 测序法
目前，DNA 测序法是进行EGFR 突变检测的可靠方法，也是使用最多的方法。测序法需要对测序样品扩增、纯化、序列分析，过程比较繁琐、耗时长，且对取材和技术要求比较高，更重要的是由于测序方法本身的限制灵敏度不高，只能对含量大于30% 的突变基因进行检测，对环境和操作者有危害。虽然有专门的测序公司，可以避免操作的限制，缩短成果时间，但是费用昂贵。因此，此方法在临床应用中还存在一定的限制，不适于大量临床样品分析。
2.2 聚合酶链式反应－ 单链构象多态性分析（PCR-SSCP）
PCR-SSCP 是一种比较经典的基因突变检测的方法，该方法可以对未知的突变进行检测。单链构象多态性（SSCP）是指单链DNA 由于有链内碱基配对而具有一定的空间构象，当碱基发生改变时，单链DNA 的会形成不同的构象。PCR-SSCP 的原理为：在非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳时，单链DNA 迁移率除与DNA 长度有关外，更主要取决于DNA 单链所形成的空间构象，相同长度的单链DNA 因其顺序不同或单个碱基差异，所形成的构象就会不同。PCR 产物经变性后进行单链DNA 凝胶电泳，有碱基插入、缺失或替代突变的单链就会出现不同的电泳条带。
与测序法相比，PCR-SSCP 灵敏性更高，操作简单，无需特殊仪器，还可以对未知的突变进行检测，但也有其局限性：电泳时间较长，操作步骤比较繁琐，只能进行定性分析，且需要平行的标准对照，受实验条件影响较大，容易出现假阴性，用PCR-SSCP 法检测小于200 bp 的PCR 产物时，突变检出率可达70%~95%，片段大于400 bp 时，检出率仅为50% 左右。
2.3 突变体富集PCR（mutant-enriched PCR）
突变体富集PCR 是一种用限制性内切酶选择性消化野生型EGFR 基因的两步法PCR，在第一次PCR 后选择性消化野生型的EGFR 基因，从而使突变的EGFR 基因得到富集，然后用再进行第二次PCR，最后电泳检测PCR 产物，根据PCR 产物的性质（大小或有无）来判断EGFR 基因是否发生突变（如图2）。
图 2 突变体富集PCR 检测EGFR 外显子19 和21 突变的原理
与测序法相比，由于突变体富集PCR 有两次PCR 扩增，检测EGFR 激活突变（外显子19 缺失和外显子21 L858R）灵敏性更高，特异性强更强，能从103~104 个野生型拷贝中检测到一个突变基因，但该方法也存在明显的不足：需要两次PCR，而且需要酶切、操作复杂、耗时长、且容易污染。
2.4 探针扩增阻滞突变系统（amplification refractory mutation system，ARMS）
ARMS 又名等位基因特异PCR（allele specificPCR , AS-PCR）。原理为：利用Taq DNA 聚合酶缺少 3' → 5' 外切酶活性，PCR 引物的3' 端末位碱基必须与其模板DNA 互补才能有效扩增的原理，针对不同的已知突变, 设计适当的引物以检测出突变基因。该法在设计引物时，在引物3' 端设计一错配碱基，一个与野生DNA 互补，一个与突变DNA 互补，使之仅能与突变型或野生型互补而只扩增突变型或野生型基因。扩增产生的PCR 产物可以通过凝胶电泳或是实时荧光定量PCR（real-time PCR）测定进行分析。与电泳检测相比较，荧光定量PCR 完全脱离了凝胶电泳技术，避免了有毒操作，自动化程度更高，操作简单，特异性和灵敏性高，重复性好，并且能对突变基因进行定量分析。荧光定量PCR（real-time PCR）是几年来发展起来的一项新技术，该技术在常规PCR 基础上加入荧光标记探针或相应的荧光染料来实现定量功能。原理为：随着PCR 反应的进行，PCR 产物不断累积，荧光信号强度也等比例增加。每经过一个循环，荧光定量PCR 仪收集一次荧光信号，这样我们就可以借助于荧光信号强度来监测PCR 产物的变化。real-time PCR 常用的探针有SYBR Green I、Taqman 探针、分子信标（molecular beacons）。
蝎形探针扩增阻滞突变系统（Scorpions ARMS）是将ARMS 和 Scorpions 实时PCR 技术相结合的一种新技术。该技术所用探针为Scorpion 探针，Scorpion 探针是一种新型的探针，由一条发夹结构的探针和一条引物构成，探针的5' 端和3' 端分别标有报告荧光和淬灭荧光，3' 端通过PCR blocker（一个非扩增的单体, 防止探针退火后的延伸）与引物的5' 端相连。在自由状态，报告荧光和淬灭荧光很接近，不产生荧光。变性阶段茎环结构打开，退火时引物与模板结合并延伸，环区与新合成的目的基因的互补区域结合，此时Scorpion 探针与PCR 产物在同一条DNA 链上，是分子内的结合。由于发夹结构打开，报告荧光和淬灭荧光分离，因此可检测到报告荧光发出的荧光信号（如图3）。由于Scorpion 探针中序列特异性引物和探针在同一分子上，因此信号的产生特别快。
图3 Scorpion 探针工作机制
Kimura 等用Scorpions ARMS 和测序法分别检测了血清中EGFR 的两个热点突变情况，指出Scorpions ARMS 的检出率明显高于测序法（48% vs38%）。
2.5 微数字PCR（microfluidics digital PCR）
微数字PCR 被称作是一种改变生物医学面貌的新技术，在基因芯片技术基础上发展出来。数字PCR 的原理为：将样品作大倍数稀释和细分，直至每个细分试样中所含有的待测分子数不会超过1 个，再将每个细分试样同时在相同条件下PCR 后通过基因芯片逐个计数。数字PCR 是一种绝对定量的方法。微数字PCR 是集成流路（integrated fluidic circuits，IFC）芯片为基础的数字PCR 技术。该技术很容易实现单个分子的检测，测量准确度达99% 以上。IFC芯片进样和加试剂都在芯片上通过计算机控制，利用专门设计的流路和阀门在密闭环境下自动完成，最后计数由计算机完成。
Tony 等用微数字PCR 检测了EGFR 的两个热点突变。以EGFR 外显子19 缺失突变的检测为例，设计wild-type specific probe 和靠近突变位点的reference probe 两个探针。如果细分试样中的DNA分子为突变基因，则只能检测到reference probe 的蓝色的荧光信号。如果为野生型的基因则能同时检测到红色和蓝色荧光信号（如图4）。
图4 数字PCR 检测外显子19 缺失突变
微数字PCR 灵敏度和准确度更高，大大减少了人工操作。由于芯片在PCR 之前密封，有效避免了交叉污染，操作时间短，可在2 个小时内（仅需20 分钟的人工操作时间）完成12 个样品的同步检测，无需采用标准进行校准。
虽然微数字PCR 具有无可比拟的优越性，但目前基因芯片技术发展还不成熟，应用于临床EGFR 突变检测还需要更多的努力。
2.6 高分辨率溶解曲线分析技术（high resolution melting analysis，HRM）
HRM 利用不同长度或不同碱基组成的DNA 序列溶解曲线不同的原理，在PCR 后直接运行高分辨溶解就可完成对样品突变分析（如图5）。通过大样本的HRM 分析证实HRM 是一种灵敏度为100% 的EGFR 基因突变筛选技术，可用于体细胞突变的检测和测序前突变的筛选。该方法无需序列特异性探针，也不受突变碱基位点与类型的局限，应用Roche LlightCyclerTM 480 等荧光定量PCR 仪器分析，即可完成对样品基因型的判断，操作简单，无需PCR 后续操作，选择性好。但该方法也有其局限性：只能分析纯度单一的小片段DNA，且要求有足够的PCR 模板，模板含量不少于1 ng 时能得到稳定可靠的结果。
图5 突变型、野生型、杂合型基因的高分辨率溶解曲线
2.7 高效液相色谱法（denaturing high-performance liquid chromatograph，DHPLC）
DHPLC 又称为温度调控高效液相色谱（temperature-modulated high-performance liquid chromatography, Tm-HPLC），DHPLC 能以3 种方式操作：①在不变性温度条件下, 可分离分子量不同的双链DNA 分子或分析具有长度多态性的片段, 类似RFLP 分析。②在充分变性温度条件下, 单链DNA或RNA 分子能被区分, 适用于寡核苷酸探针合成纯度分析和质量控制。③在部分变性的温度条件下,可进行基因突变检测、SNPs。
DHPLC 技术的原理是基于发生错配的杂合双链DNA 与完全匹配的纯合双链DNA 解链特征的差异将它们分离开来。由于杂合双链DNA 错配位点处氢键被破坏而形成“鼓泡”，在部分加热变性的条件下, 更易于解链形成Y 形结构, 与固定相的结合能力降低，所以杂合双链将先于纯合双链被洗脱出来，通过洗脱峰的不同就可判断是否有突变存在（如图6）。DHPLC 可检测出含有单个碱基的置换、插入或缺失的异源双链片段。缺失或插入突变非变性方法和部分变性方法都能较好地检测出来, 但利用非变性方法的检测结果中，野生型和突变型的区别更容易判断。
图6 同源双链DNA 和异源双链DNA 的洗脱曲线
Cohen 等用不同稀释浓度的携带突变基因的细胞株DNA 分析了DHPLC 方法检测外显子19 和21 突变的灵敏度，研究表明在外显子19 突变基因含量不小于1.6% 和外显子21 突变基因含量不小于6.25% 时，DHPLC 检测是可行的。
与DNA 测序法相比，DHPLC 简单、快速（三分钟就可完成一个样本的检测），不仅可用于已知突变的检测, 还可以用于未知突变的扫描。DHPLC 也有其不足：不能检测出同源突变，只能检测有无突变，且不能检测出突变类型；结果判读容易出错，且当有多个片段需要检测时，由于有多个解链温度，需要多步检测，增加了工作量等。
3 结语
目前，DNA 测序法仍是进行基因突变检测的最直观和最准确的方法之一，它不仅能检测突变， 而且能确定突变的位置，被认为是突变检测的金标准，但是测序法操作复杂，费用昂贵，灵敏度不高，因此难以在临床上广泛开展。PCR-SSCP 和DHPLC 与测序法相比虽然操作容易，但只能提供个体样本有无突变的信息，无法得出具体的突变类型，且需要电泳检测限制了其在临床上的应用。
目前癌症检测主要依赖于病理和细胞学检查，需要通过有创性组织活检，且不易重复获取，因此寻找肿瘤组织替代材料用于基因诊断是当前迫切需要解决的问题。研究表明胸腔积液、唾液、粪便和血浆中会有少量突变的肿瘤细胞DNA 混杂在大量野生型基因组DNA 中，所以一种灵敏性高，特异性强，简便易行，结果判定简单的突变检测方法将会在临床EGFR 突变检查中有很大的应用前景。突变体富集PCR、HRM、real-time PCR、微数字PCR 的灵敏度和特异性较高，可用于检测血清中微量游离的EGFR 突变基因。这几种方法中，突变体富集PCR需要电泳检测；HRM 虽然自动化程度提高，但只能分析纯度单一的小片段DNA，且要求模板含量不少于1 ng；而real-time PCR、微数字PCR 相对于突变体富集PCR、PCR-SSCP、DHPLC，自动化程度大大提高，花费时间更短，操作更简单。随着Scorpion 探针、IFC 芯片等新技术的不断出现和成熟，real-time PCR、微数字PCR 在临床基因诊断中将会呈现无可比拟的优越性。
编辑：范伟伟
