表觀遺傳在腫瘤領(lǐng)域的研究進展

徐開盛 張忠民 董奇 糜睿 丁杰

(貴州貴陽貴州省人民醫(yī)院胃腸外科，550002)

表觀遺傳學(xué)(epigenetics)是與遺傳學(xué)(genetics)相對應(yīng)的概念。遺傳學(xué)是指基于DNA序列的改變所導(dǎo)致的基因表達水平變化；而表觀遺傳學(xué)則是指所有非基于DNA序列改變而導(dǎo)致的基因表達和細胞表型的改變，該改變具有可遺傳性。表觀遺傳就像電源開關(guān)一樣，掌控者各種基因的活性，保證特定細胞的特定階段開啟需要表達的基因，而關(guān)閉不需要表達的基因。表觀遺傳修飾包括DNA甲基化(DNA methylation)、組蛋白共價修飾(histone covalent modification)、染色質(zhì)重塑(chromatin remodeling)和非編碼PNA(non-coding RNAs，ncRNAs)，他們在調(diào)節(jié)基因的表達過程中發(fā)揮了廣泛的作用[1-2]。近年來這一領(lǐng)域正變得越來越有吸引力，因為基因活動的表觀遺傳調(diào)控正越來越多地被人們發(fā)現(xiàn)。我們就表觀遺傳在腫瘤領(lǐng)域的研究進展作一綜述。

1 DNA甲基化在腫瘤領(lǐng)域的研究進展

DNA甲基化是指將s-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine，SAM)的甲基轉(zhuǎn)移到胞嘧啶或腺嘌呤的生物學(xué)過程，該過程由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferases，DNMTs)的介導(dǎo)下完成[3]。DNA的甲基化在腫CpG發(fā)生發(fā)展過程中常常扮演了非常重要的角色。一般情況下，細胞內(nèi)基因啟動子區(qū)域的cpG島多以非甲基化的狀態(tài)存在，而散在分布的CpG二核苷酸多發(fā)生甲基化。腫瘤抑制基因CpG島的超甲基化往往會阻止抑癌基因抑制腫瘤形成的作用[4]。腫瘤甲基化的機制尚未完全闡明，研究認為這可能與DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT1和其它DNA結(jié)合蛋白相關(guān)。而且，DNMT1能夠與p53相互作用抑制p53敏感的基因、Survivin和Cdc25C的表達[5]。人類癌癥基因組的低甲基化于1983年首先被報道，基因組的低甲基化及其所致的基因組穩(wěn)定性改變已被認為是癌癥的標志。目前普遍認為基因組的整體低甲基化發(fā)生在腫瘤形成的早期，基因特異性的去甲基化則出現(xiàn)在稍晚的階段。與超甲基化導(dǎo)致基因沉c-Myc低甲基化通常伴隨著基因轉(zhuǎn)錄的激活。在癌細胞中，低甲基化往往與致c-Myc相關(guān)。c-MYc基因，一個扮演致癌基因的轉(zhuǎn)錄因子，常常被報道在腫瘤中低甲基化。c-MVc基因的低甲基化于1984年在體外培養(yǎng)的癌細胞中被發(fā)現(xiàn)，后來，在多種其它惡性腫瘤如肝細胞癌、白血病、胃癌等相繼報道存在c-Myc基因的低甲基化[6]。c-Myc基因的甲基化則與膀胱癌和結(jié)直腸癌的進展相關(guān)[7]。 MAGE-A1和MAGE-A3基因啟動子的低甲基化和再活化也在結(jié)腸癌癌細胞株和癌組織中被發(fā)現(xiàn)，而且，CDH3基因的低甲基化還與結(jié)直腸癌的形成密切相關(guān)[8]。

2 組蛋白修飾

組蛋白(histones)是真核細胞染色質(zhì)中的的主要蛋白組分，分為5種類型：Hl、H2A、H2B、H3、H4。真核細胞中，上述組蛋白的雙重拷貝形成八聚體，周圍纏繞147bp的DNA構(gòu)成核小體。組蛋白易于發(fā)生轉(zhuǎn)錄后修飾，包括賴氨酸的乙?；①嘢UMO甘酸的甲基化、絲氨酸和蘇氨酸的磷酸化，以及賴氨酸的泛素化、糖基化、泛素DNAuMO化等，所有的修飾都由組蛋白修飾酶復(fù)合物完成。組蛋白修飾通過改變組蛋白與DNA之間的動力學(xué)關(guān)系而影響染色質(zhì)構(gòu)象。組蛋白修飾可作為一種標志或語言，有人提出了“組蛋白密碼”的假說[3]。

2.1組蛋白乙?；腿ヒ阴?化組蛋白的乙?；揎棿蠖喟l(fā)生在組蛋白的H3K9、H3K4、H3K8、H3K23和H4K5、H4K8、 H4K12、 H4K16、 H4K20等位點。組蛋白H4K16乙?；恼w丟失、組蛋白H4K20的三甲基修飾的丟失和DNA的低甲基化已經(jīng)在多種原發(fā)腫瘤的DNA重復(fù)序列中被發(fā)現(xiàn)[9]。H4K16的乙酰化能夠影響組蛋白和染色質(zhì)功能上的相互作用，可能是調(diào)整染色質(zhì)折疊的潛在機制[10]。H4K16乙?；膩G失可能導(dǎo)致更為松散的染色質(zhì)構(gòu)象。據(jù)報道，H4K16乙?；膩G失能影響多種癌細胞對化療的敏感性[11]。H4K16乙酰化水平的降低與腫瘤的進展有關(guān)。乙?；腍4K16能被SIRT1催化脫乙酰基，SIRT1在多種癌細胞中表達上調(diào)，并且可能成為判斷預(yù)后的分子標記。而且，編碼SIRT1負向調(diào)節(jié)因子的基因一一乳腺癌缺失基因子1(deleted in breast cancer l)，也與多種惡性腫瘤如乳腺癌、胃癌、肺癌的預(yù)后有關(guān)[12]。

2.2組蛋白磷酸化 組蛋白磷酸化能通過對組蛋白內(nèi)氨基酸殘基的磷酸化修飾而影響信號通路中相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。組蛋白H3N段的第10位4絲氨酸殘基(H3Serl0)的磷酸化近年來引起了足夠的重視，因為H35erl0的磷酸化能促進大量與信號通路活化H3S的基因轉(zhuǎn)錄，對于有絲分裂和減數(shù)分裂中染色質(zhì)濃集和細胞周期進展非常關(guān)鍵[13]。由于H3serl0位置上與與H3尾部其它可以被修飾的氨基酸接近，使得它有可能與H3K9、 H3K14的甲基化、乙酰化修飾相互作用。此外，H3Ser28和H3Thrll(組蛋白H3的第28、11位蘇氨酸)也被發(fā)現(xiàn)能發(fā)生磷酸化[14]。

2.3組蛋白甲基化和去甲基化 組蛋白(histones，H)的甲基化一般發(fā)生在賴氨酸(lysine，K)殘基和精氨酸(arginine，R)殘基上，組蛋白H3的K4、 K9、 K27、 K36、K79和H4的K20均可被甲基化，精氨酸甲基化修飾可以發(fā)生在H3的R2、 R8、 R17、 R26和H4的R3。根據(jù)甲基化基團數(shù)量的不同，賴氨酸的甲基化修飾可分為3種修飾形式：一甲基化(me)、二甲基化(me2)、三甲基化(me3)修飾[15]。組蛋白的甲基化需要特異性酶的催化，該過程一般在組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(histone methyltransferase，HMT)的協(xié)助下完成，因甲基化修飾靶點的差異，組蛋白賴氨酸(lysine，K)殘基的甲基化可以對轉(zhuǎn)錄起激活或抑制作用，其中組蛋白H3K9、 H3K27的甲基化通常導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄的抑制，而組蛋白H3K4、 H3K79、 H3K36的甲基化則通常出現(xiàn)在活性染色質(zhì)，促進靶基因的轉(zhuǎn)錄激活[16]。這項表觀遺傳標記參與了許多機體的病理、生理過程，如基因組印跡、異染色質(zhì)形成、x染色體失活和轉(zhuǎn)錄調(diào)控，該表觀遺傳標記的紊亂可能導(dǎo)致癌變的發(fā)生[17]。(1)組蛋白H3K4的甲基化修飾：組蛋白H3K4的甲基化常常調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄激活[18]。經(jīng)過研究證實的可以催化組蛋白H3K4甲基化的甲基轉(zhuǎn)移酶主要是SETl-家族蛋白，包括SETIA、 SETIB、MLLl-4[19]。這些酶參與多種已知的生物功能的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，包括直接參與一些人類疾病。H3K4甲基化參與了多種生物學(xué)功能如基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控，與組蛋白去乙?；赶嗷プ饔脧亩淖兘M蛋白甲基化修飾狀態(tài)等[20]。SMYD3，另一個H3K4的甲基轉(zhuǎn)移酶，在結(jié)直腸癌、肝細胞癌等腫瘤細胞中高表達，而且與其預(yù)后有關(guān)[21]。LSD1，一個能夠特異性去除組蛋白 H3K4的二甲基和一甲基修飾的去甲基化酶，在膀胱癌、肺癌、結(jié)直腸癌和神經(jīng)母細胞瘤等腫瘤中明顯上調(diào)，而且往往伴隨著更差的預(yù)后[22]。(2)組蛋白H3K9的甲基化修飾：H3K9的三甲基化修飾(H3K9me3)是異染色質(zhì)形成的關(guān)鍵表觀遺傳標記，而且與基因的轉(zhuǎn)錄抑制密切相關(guān)。同時，H3K9的乙酰化修飾(H3 K9ac)被認為是活性染色質(zhì)的標志，它能夠阻止該氨基酸殘基的甲基化，因此在轉(zhuǎn)錄起始位點的周圍表達豐度較高。在前列腺癌和卵巢癌中，H3K9ac的下調(diào)往往與腫瘤進展相關(guān)。實際上，H3K9ac的表達水平還與腫瘤的組織病理分級和臨床預(yù)后相關(guān)[23]。 H3K9ac表達的下調(diào)往往伴隨著不良的預(yù)后已經(jīng)獲得認同[24]。組蛋白H3K9me3水平的升高需要H3K9ac水平的降低，與H3K9的乙酰化一樣，其甲基化也與腫瘤關(guān)系密切。H3K9甲基化水平的升高，將導(dǎo)致異常的基因沉默，這一點已經(jīng)在多種腫瘤中被證實，高水平的H3K9me3與胃癌患者的不良預(yù)后相關(guān)[25]。(3)組蛋白H3K27的甲基化修飾：H3K27的甲基化修飾主要與轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)。據(jù)報道，EZH2可催化H3K27發(fā)生甲基化，而Polycomb是可以與甲基化的H3K27結(jié)合的效應(yīng)分子[26]。H3K27me3能夠通過促進更緊湊的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)形成而負向調(diào)節(jié)靶基因轉(zhuǎn)錄。H3K27me3通常與基因沉默相關(guān)，尤其是在抑制不需要的分化進程的時候。在人類的多種癌細胞中，H3K27me3可以作為判斷預(yù)后的標志，但是，不同研究的結(jié)果相互矛盾，因此其用于判斷預(yù)后的價值讓入迷惑。

3 染色質(zhì)重構(gòu)

染色質(zhì)重構(gòu)有關(guān)的酶在基因表達、DNA復(fù)制和修復(fù)、細胞分裂等重要生物過程中發(fā)揮重要作用。SWI/SNF是第一個被發(fā)現(xiàn)的ATP依賴的染色質(zhì)重構(gòu)復(fù)合物，從酵母到人類都十分保守，具有影響基因表達及復(fù)制等DNA功能，與多種癌癥的發(fā)生相關(guān)。SWI/SNF的多個亞基的突變被發(fā)現(xiàn)與惡性腫瘤的轉(zhuǎn)化和進展有關(guān)。第一個被發(fā)現(xiàn)的是Inil，Inil在幼兒早期的類橫紋肌肉癌中發(fā)生突變，預(yù)后很差。而且這種突變主要發(fā)生在中樞系統(tǒng)和腎臟。在裸鼠模型中，Inil雜合子突變能夠發(fā)展成類似人類的類橫紋肌肉瘤。SWI/SNF其它亞基的突變或表達水平的變化也與惡性腫瘤相關(guān)。例如57%的卵巢透明細胞癌中發(fā)現(xiàn)了BAF250A亞基的突變，該突變在膀胱移行細胞癌中也比較常見[27]。其它研究中還發(fā)現(xiàn)BAF200A基因突變與丙型肝炎相關(guān)的肝癌有關(guān)，BAF180A亞基則與腎透明細胞癌的發(fā)生相關(guān)。

4 非編碼RNA

非編碼RNA(non-coding RNA，nc-RNA)是一種并不翻譯成蛋白的功能性的RNA分子。非編碼RNA包括大量功能上重要的RNA例如tRNA，rRNA，snoRNA(核仁小RNA)，miRNAs，siRNAs，snRNAs，exRNAs，and piRNAs和IncRNAs。在人體內(nèi)，95%以上的RNA都是非編碼RNA，僅有不到5%的RNA屬于編碼RNA。nc-RNA參與了個體的生長發(fā)育的調(diào)控、細胞增殖、分化、凋亡等生命活動，nc-RNA與包括腫瘤在內(nèi)的多種疾病有著廣泛的聯(lián)系。

4.1非編碼RNA與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展 目前已經(jīng)在多種惡性腫瘤中發(fā)現(xiàn)了miRNA豐度的異常變化，最近發(fā)現(xiàn)不少惡性腫瘤中的miRNA呈現(xiàn)低表達，譬如頭頸鱗狀細胞癌中l(wèi)et-7d和miR-205的表達水平下調(diào)[28]，前列腺癌中miR-373、miR-520c明顯低表達，肝癌組織中miR-101表達下調(diào)[29]。而另一些惡性腫瘤中miRNA則呈現(xiàn)高表達：胃癌組織中miR-27a的表達明顯增高，子宮內(nèi)膜癌中miR-205、miR-449和miR-429表達明顯上調(diào)[30]。除此之外，某些異常表達的miRNA還與腫瘤的進展有關(guān)：miR-182的異常表達能促進黑色素瘤轉(zhuǎn)移；miR-27a與胃癌淋巴轉(zhuǎn)移相關(guān)；let-7d和miR-205的表達豐度與頭頸鱗狀細胞癌的預(yù)后呈負相關(guān)[31]。

4.2非編碼RNA與腫瘤的診斷和治療 腫瘤組織中異常表達的miRNA將來可能成為腫瘤診斷的分子生物標記。miRNA在決定細胞的分化方向中起作用，應(yīng)用miRNA信號可以用來區(qū)分在病理學(xué)上尚難定義的分化類型。學(xué)者[32]的研究發(fā)現(xiàn)彌漫性大B細胞淋巴瘤(diffuse large B celllymphoma，DLBCL)中miR-155的表達豐度比正常B細胞高出幾十倍，由于DLBCL的I臨床預(yù)后非常差，miR-155的定量分析因此具有診斷意義。Xiao等則發(fā)現(xiàn)：miR-106a的表達水平與胃癌患者的TNM分期、分化程度、腫瘤大小、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、遠處轉(zhuǎn)移等密切相關(guān)，miR-106a可能成為胃癌診斷的新型分子標記[33]。

非編碼RNA在腫瘤的治療領(lǐng)域也作出了許多重要探索。miRNA具有抑癌基因或致癌基因的功能。當具有抑癌基因功能的miRNA不表達或低表達時，可以導(dǎo)入外源性的miRNA；而當具有致癌基因功能的miRNA高表達時，則可利用miRNA inhibitor抑制miRNA的表達，從而達到腫瘤治療的目的。HDAC2在肝癌的發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用，有學(xué)者[34]利用miR-370模擬物能在體外激活轉(zhuǎn)錄因子Fox03a的表達，明顯抑制肝癌細胞的生長。更令人振奮的是，RNA干擾(RNAi)技術(shù)甚至已經(jīng)應(yīng)用于I期臨床實驗，著名的Nature雜志刊文稱：服用含有siRNA的微球顆粒傳輸系統(tǒng)能在人體內(nèi)靶向抑制某特殊基因的表達(黑色素瘤的活檢證實)，而且這種抑制作用是完全基于RNAi機制的[35]。因此我們不妨設(shè)想在不久的將來，只要明確了某腫瘤的特定致癌基因，就能通過RNAi技術(shù)進行該腫瘤的分子靶向治療。

5 總結(jié)

過去的二十多年，大量研究工作已經(jīng)證明表觀遺傳修飾在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變能夠影響基因的表達已被認同。但是本文中描述的表觀遺傳修飾和它們在腫瘤發(fā)生、增殖、侵襲轉(zhuǎn)移中的作用僅僅是“冰山一角”。腫瘤領(lǐng)域更大規(guī)模、更高水平的表觀遺傳學(xué)研究將有助于我們更深刻地了解腫瘤發(fā)生發(fā)展的機制，使我們有機會通過表觀遺傳修飾途徑干預(yù)原癌基因或抑癌基因的表達，影響腫瘤的轉(zhuǎn)歸。