功能丧失性突变

功能丧失性突变（Loss-of-function mutation， LOF mutation）是指一类导致基因产物（通常是蛋白质）的正常生物学功能减弱或完全丧失的基因突变。这类突变是肿瘤抑制基因和DNA修复基因失活的主要方式，也是许多隐性遗传病的分子基础。在癌症中，LOF突变通过移除对细胞生长、增殖和基因组稳定性的关键限制，从而驱动肿瘤的发生与发展。

1. 核心机制与类型

LOF突变通过多种分子机制破坏基因功能：

• 1.1 转录或翻译水平失活

  • 无义突变：将编码氨基酸的密码子变为终止密码子，导致蛋白质翻译提前终止，产生截短蛋白。

  • 移码突变：DNA序列中插入或缺失非3的倍数个碱基，导致下游阅读框完全改变，通常很快遇到终止密码子。

  • 剪接位点突变：影响前体mRNA的正确剪接，导致外显子跳跃或内含子保留，产生异常或无功能的mRNA。

  • 启动子/增强子区突变：破坏转录调控元件，导致基因转录水平显著下降或消失。

• 1.2 蛋白质功能结构域破坏

  • 错义突变：关键功能域（如激酶催化中心、DNA结合域、蛋白相互作用界面）的氨基酸替换，可直接破坏蛋白质的酶活性、结合能力或稳定性。

  • 缺失突变：丢失一个或多个外显子或整个基因，完全破坏蛋白质结构。

• 1.3 显性负效应

  • 虽然通常与GOF相关，但某些LOF突变（尤其影响多亚基复合物）产生的突变蛋白可与野生型蛋白结合，形成无功能的复合物，从而抑制剩余的正常等位基因产物的功能，这称为显性负效应，也属于一种功能性丧失。

2. 遗传模式与“二次打击”假说

• 隐性模式：对于大多数肿瘤抑制基因，单个等位基因的LOF突变（第一次打击）通常不足以引发肿瘤，细胞表现为正常或仅有轻微异常（单倍体不足 除外）。只有当另一个等位基因也因突变、缺失或表观遗传沉默而失活（第二次打击）时，该基因的功能才完全丧失，细胞获得生长优势。

• 显性模式：在某些情况下，一个等位基因的LOF突变即可导致疾病，主要见于：

  • 单倍体不足：基因产物的剂量至关重要，一个正常等位基因产生的50%的蛋白量不足以维持正常生理功能。

  • 显性负效应：如上所述。

3. 在癌症中的核心作用

LOF突变是导致肿瘤抑制基因和基因组守护者失活的核心机制：

• 细胞周期失控：RB1、CDKN2A 等基因失活，导致G1/S检查点失效。

• 凋亡逃逸：TP53 失活，使细胞在DNA损伤等压力下无法启动凋亡程序。

• DNA修复缺陷：*BRCA1/2*（同源重组修复）、*MLH1/MSH2*（错配修复）等基因失活，导致基因组不稳定性升高和突变积累。

• 信号通路去抑制：PTEN 失活导致PI3K/AKT/mTOR信号通路过度激活；APC 失活导致Wnt/β-catenin通路持续激活。

• 表观遗传调控失调：TET2、ARID1A、SETD2 等表观遗传修饰基因的LOF突变，导致全基因组或局部的表观遗传景观紊乱。

4. 在遗传病中的作用

LOF突变是数千种孟德尔遗传病的主要病因，例如：

• 囊性纤维化：CFTR 基因的LOF突变。

• 杜氏肌营养不良：DMD 基因的截短突变。

• 苯丙酮尿症：PAH 基因的LOF突变。

5. 治疗意义与挑战

• 合成致死策略：针对LOF突变最成功的治疗范式。当肿瘤细胞因特定基因（如*BRCA1/2*）LOF而存在DNA修复缺陷时，对另一种备用修复通路（如通过PARP抑制剂阻断）变得极度敏感，而正常细胞因两条通路均完整得以存活。

• 免疫治疗：由LOF突变（尤其是MMR基因）导致的高肿瘤突变负荷和大量新生抗原，可使肿瘤对免疫检查点抑制剂高度敏感。

• 基因治疗与激活：理论上可通过基因编辑（如CRISPR）修复突变，或通过药物激活残余的、受损的蛋白功能或替代通路，但技术难度大。

• 挑战：与直接抑制GOF突变蛋白相比，恢复一个已丧失的功能通常更为困难。

6. 与功能获得性突变的对比

参考文献

1. Knudson, A. G. (1971). Mutation and cancer: statistical study of retinoblastoma. Proceedings of the National Academy of Sciences, 68(4), 820-823. （提出“二次打击”假说的开创性论文，为理解肿瘤抑制基因LOF突变的遗传模式奠定基础）

2. Vogelstein, B., & Kinzler, K. W. (2004). Cancer genes and the pathways they control. Nature Medicine, 10(8), 789-799. （系统阐述了癌症基因（包括LOF和GOF突变）及其控制的核心通路）

3. Lord, C. J., & Ashworth, A. (2017). PARP inhibitors: Synthetic lethality in the clinic. Science, 355(6330)， 1152-1158. （全面综述了基于LOF突变的合成致死策略在临床中的应用，以PARP抑制剂为例）

4. Tokheim, C. J., et al. (2016). Evaluating the evaluation of cancer driver genes. Nature Communications, 7, 11128. （文中涉及区分驱动基因中LOF与GOF突变的方法学挑战）

5. Hanahan, D., & Weinberg, R. A. (2011). Hallmarks of cancer: the next generation. Cell, 144(5)， 646-674. （将“避免免疫摧毁”和“基因组不稳定”等与LOF突变密切相关的特征列为癌症标志）