DNA甲基化在腫瘤發生作用中的研究進展

汪關雨劉富才*

（1 山西醫科大學，山西 太原 030001；2 山西省第三人民醫院胸外科，山西 太原 037008）

DNA甲基化在腫瘤發生作用中的研究進展

汪關雨1劉富才2*

（1 山西醫科大學，山西 太原 030001；2 山西省第三人民醫院胸外科，山西 太原 037008）

表遺傳學現象廣泛地存在于各種生物中，表遺傳現象形成的重要機制之一是DNA甲基化作用引起基因轉錄沉默。鑒于該重要機制，研究DNA甲基化水平的改變對腫瘤的發生、發展有重要的作用。經研究發現DNA甲基化改變可以引起細胞中C→T突變、抑癌基因的高甲基化、癌基因的低甲基化、錯配修復基因異常以及誘導染色體不穩定導致腫瘤的發生。因此，通過探索腫瘤發生時DNA甲基化的變化特征，可為腫瘤治療提供理論依據。

DNA甲基化；腫瘤；基因表達

表遺傳學現象廣泛地存在于各種生物中，表遺傳現象形成的重要機制之一是DNA甲基化作用引起基因轉錄沉默。鑒于該重要機制，研究DNA甲基化水平的改變對腫瘤的發生、發展有重要的作用。最近的研究表明人體腫瘤細胞的DNA甲基化水平顯著低于正常細胞，但是在某些CpG島則表現為增高。還有在腫瘤發生的各時期中存在DNA甲基化水平和模式的紊亂。因此學界把DNA甲基化與腫瘤的發病關系的研究當作熱點之一[1]。

1 DNA甲基化的相關理論

DNA甲基化的概念是S-腺苷甲硫氨酸上的甲基在DNA甲基轉移酶的催化下轉移至DNA分子中胞嘧啶環第5位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)的過程。其中大多數脊椎動物中，約65%～75%CpG位點中包含甲基化的胞嘧啶[2]，這個位點稱為甲基化的CpG位點。研究至今的結果顯示在已知所有管家基因和一些組織特異基因的5′端調控區均會出現CpG島[3]。研究結果還發現正常組織啟動子區域CpG島一般不發生甲基化。但是如果啟動子區域CpG島發生甲基化則會表現為激活或抑制不同的基因表達[4]。

2 DNA甲基化的調節過程

DNA甲基化水平受內外性兩種因素的調節，甲基化的水平高低受外源性因素如膳食中的葉酸、蛋氨酸、能量的供給等影響。葉酸是十分重要的甲基供體，如果限制葉酸的攝入將會導致淋巴細胞DNA的低甲基化[5]。白堅石等[6]研究結果表明，體內甲基化水平受甲基供體的攝入的影響，可以通過改善外源性影響因素維持體內DNA甲基化的平衡。但是，甲基結合蛋白與已經發生甲基化的DNA結合之后，由于甲基結合蛋白和去乙?；傅墓餐饔?，致使甲基化狀態下的DNA永久不能再與mRNA轉錄蛋白復合物結合，完全失去轉錄活性，細胞生長阻滯，表現為衰老[7]。

3 DNA甲基化與基因表達的關系

3.1 DNA甲基化與去甲基化

DNA甲基化是S-腺苷甲硫氨酸上的甲基在DNA甲基轉移酶的催化下轉移至DNA分子中胞嘧啶環第5位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)的過程。過程很短，需要DNA甲基轉移酶。在哺乳動物體內可能存在去甲基化的酶，這種酶或許是一種糖基化酶、核酸內切酶或是去甲基化酶，可以對特異基因去甲基化也可以對非特異的去甲基化，造成細胞基因不穩定的因素之一是DNA去甲基化。DNA去甲基化有兩種方式：①被動途徑：由于核因子NF 黏附甲基化的DNA，使黏附點附近的DNA不能被完全甲基化，從而阻斷DNM T1的作用； ②主動途徑：是由去甲基酶的作用，將甲基集團移去的過程。在DNA甲基化阻遏基因表達的過程中，甲基化CPG黏附蛋白起著重要作用。雖然甲基化DNA可直接作用于甲基化敏感轉錄因子E2F、CREB、NF2KB、Cmyb、Ets，使它們失去結合DNA的功能從而阻斷轉錄，但是，甲基化CpG黏附分子可作用于甲基化非敏感轉錄因子(SP1、CTF、YY1)，使它們失活，從而阻斷轉錄。人們已發現5種帶有恒定的甲基化DNA結合域(MBD)的甲基化CPG 黏附蛋白。其中MECP2、MBD1、MBD2、MBD3參與甲基化有關的轉錄阻遏；MBD1有糖基轉移酶活性，可將T從錯配堿基對中移去，MBD4基因的突變還與線粒體不穩定的腫瘤發生有關。在MBD2缺陷的小鼠細胞中，不含MECP1復合物，不能有效阻止甲基化基因的表達。這表明甲基化CPG 黏附蛋白在DNA甲基化方式的選擇，以及DNA甲基化與組蛋白去乙酰化、染色質重組相互聯系中的有重要作用。

3.2 基因改變與DNA甲基化

DNA甲基化會造成DNA的異染色質化，抑制該段DNA上的基因表達。結構基因含有很多CpG 結構，2CpG和2GPC中兩個胞嘧啶的5位碳原子通常被甲基化，且兩個甲基集團在DNA雙鏈大溝中呈特定三維結構?；蚪M中60%～90%的CpG都被甲基化，未甲基化的CpG成簇地組成CpG島，位于結構基因啟動子的核心序列和轉錄起始點。有實驗證明超甲基化阻遏轉錄的進行。DNA甲基化可引起基因組中相應區域染色質結構變化，使DNA失去核酶限制性內切酶的切割位點，以及DNA酶的敏感位點，使染色質高度螺旋化，凝縮成團，失去轉錄活性。5位C甲基化的胞嘧啶脫氨基生成胸腺嘧啶，由此可能導致基因置換突變，發生堿基錯配，如果在細胞分裂過程中不被糾正，就會誘發遺傳病或癌癥，而且，生物體甲基化的方式是穩定的，可遺傳的[8]。DNA甲基化加速5mC→T的突變，DNA甲基化導致基因突變的機制主要是甲基轉移酶（DMT）催化反應形成。DMT加速C(胞嘧啶)和5mC脫氨，阻斷U(尿嘧啶)的修復，同時使U→T改變，因此DMT引起CpG序列的C→T突變[9]。此外，DNA甲基轉移酶1(DNA methyltransferase1，DNMT1)的作用是促使5mC或C轉變為T，導致C→T突變增加。因此甲基化異常的DNA表現為因外源性致癌物的影響而發生突變，最終導致細胞癌變的發生[10]。

3.3 基因錯配修復與DNA甲基化

DNA錯配修復(Mismatch rePair，MMR)系統廣泛存在于生物體中，是進化上保守的生化通路，MMR系統由一系列特異性修復DNA堿基錯配的酶分子(錯配修復基因產物)組成。MMR系統的主要功能是修復DNA復制過程中產生的錯配，包括單堿基錯配和2個以上的錯配。從而保持遺傳物質的完整性和穩定性，避免遺傳物質發生突變。此外，MMR系統與DNA損傷應答有關，MMR缺失的細胞可以抵抗烷化劑、順鉑和紫外線輻射等誘導的細胞死亡；B細胞發育過程中由基因重排導致的抗體分化也與MMR系統蛋白有關；MMR系統還參與細胞凋亡，由于MMR系統功能障礙導致的DNA損傷會觸發一個DNA代謝過程來激活細胞周期關卡，也有人認為MMR蛋白可能直接參與凋亡信號轉導[11]。Ahujia等研究結果表明當MMR缺陷時，基因突變和基因啟動子區的高甲基化則是錯配修復基因表達缺陷中的主要原因[12]。3.4 基因表達受DNA甲基化的影響而表達異常是通過基因機制和表基因機制的作用。其中基因機制有基因點突變、染色體重排，產生結構異常的基因產物；染色體重組和基因放大引起過度表達等。表基因機制是指DNA5-胞嘧啶甲基化改變，引發基因表達異常，DNA順序和基因產物不變。轉錄因子與DNA結合表現為抑制轉錄則是通過甲基化的DNA與特異結合蛋白結合及DNA甲基化改變染色質結構等作用。目前研究結果已證實組蛋白去乙酰化與DNA甲基化呈正相關[13]。

4 DNA甲基化與腫瘤

4.1 DNA甲基化改變與腫瘤

腫瘤細胞與正常細胞中甲基化水平不同。腫瘤細胞中DNA甲基化表現為控制失常，導致基因中CpG位點甲基化明顯降低，同時出現染色體區域性CpG島高甲基化，表現為區域性高甲基化水平和普遍性低甲基化同時共存?？偨Y前人研究結果，在腫瘤的發生、發展中DNA甲基化起重要作用，對腫瘤形成的作用可能通過一種或多種機制介導[14]。

4.2 DNA甲基化與腫瘤

近年來諸多研究結果說明當腫瘤細胞中DNA甲基轉移酶的活性異常后，細胞總DNA甲基轉移酶活性增加，而正常甲基化位點中的甲基化大量丟失，與此同時出現更多區域的高甲基化[15]。究其機制，可能是下述的一種或多種。第一，腫瘤細胞中C→T突變，由5-mC的水解脫氨基作用引起C→T轉換。第二，在人類腫瘤中發生的低甲基化，不僅表現為整體基因組低甲基化，還表現出特殊癌基因也存在低甲基化。第三，Rb基因是腫瘤抑制基因的高甲基化中最先被發現的CpG島高甲基化。

5 DNA甲基化作用于腫瘤發生中的問題與展望

回顧對腫瘤表遺傳現象的研究已經歷時近20余年，期間也曾有許多令人振奮的結果出現，但至今甲基化的作用機制尚未完全闡明，仍有許多問題亟待解決。如不同腫瘤中出現的甲基化作用機制是否相同?甲基化作用的記憶是如何建立和維持的?不同腫瘤的發生不僅與多種基因的遺傳性改變有關，而且也與多基因的異常甲基化引起的表遺傳改變有很大的關系。腫瘤發生是多基因的遺傳和表遺傳共同起作用的結果。DNA甲基化研究已成為腫瘤分子生物學研究的一個熱點，可以預測，DNA甲基化研究將在人類生長與發育調控、腫瘤發病機制探討、基因表達調控、細胞免疫與防御，以及腫瘤預防與治療等方面研究中，發揮非常重要的作用。隨著表遺傳學的不斷發展，DNA甲基化和伴隨基因變化的研究，將會使腫瘤分子生物學的研究和發展發生新的飛躍。

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