DNA甲基化與腫瘤的相關研究

曾子奕綜述，徐海帆審校

（南華大學附屬第一醫院腫瘤外科，湖南衡陽421000）

DNA甲基化與腫瘤的相關研究

曾子奕綜述，徐海帆審校

（南華大學附屬第一醫院腫瘤外科，湖南衡陽421000）

DNA甲基化； 基因，腫瘤抑制； 腫瘤/遺傳學； 腫瘤/治療； 綜述

腫瘤是影響人類健康生活的重大疾病之一，隨著人類平均壽命的增加，惡性腫瘤對人類的威脅日漸增加，隨著疾病譜的改變，惡性腫瘤已經成為目前死亡的常見原因之一。甲基化是蛋白質和核酸的一種重要的修飾，調節基因的表達和關閉，與癌癥、衰老等許多疾病密切相關。近30年來，科學家及醫學工作者對于DNA甲基化與腫瘤的關系作了大量的研究，揭示了基因組整體水平的低甲基化與局部的高甲基化是腫瘤發生的一個重要因素。

1 DNA甲基化的概念和意義

作為表觀遺傳學的重要組成，DNA甲基化是一種共價化學修飾，指在DNA甲基化轉化酶的催化下，將S-腺苷甲硫氨酸提供的甲基基團共價到CpG二核苷酸胞嘧啶的5碳單位上的過程。人類基因組中存在一些長度為300～3 000 bp富含CpG二核苷酸的區域，這些區域主要存在于基因的5′端，被稱作CpG島。正常情況下，CpG島的未甲基化狀態是基因轉錄的保證，其異常甲基化則會導致基因轉錄的抑制。作為哺乳動物基因組中1~ 2 kb的DNA片段，CpG島富含非甲基化的CpG雙倍體。CpG島主要位于基因啟動子和第一外顯子區域，約有60%以上的基因啟動子含有CpG島。通常可以調節基因的轉錄。在人類基因中，大部分的正常CpG島處于非甲基化狀態。但當這些CpG島一旦出現甲基化將會影響基因的正常轉錄，影響途徑大致如下。（1）DNA的甲基化可以使得某些特異的轉錄因子與其結合位點發生障礙，如Myc/Myn、E2F等轉錄因子。其結合位點都富含CpG島，CpG島的甲基化可以使其的結合受到抑制。（2）CpG島的異常甲基化后與組蛋白脫乙酰酶類發生作用，產生脫乙酰作用，使基因轉錄受到影響。（3）甲基化狀態的DNA與轉錄抑制蛋白結合，產生轉錄失活[1-3]。

2 原癌基因與抑癌基因的甲基化

據目前所知，人類腫瘤的發生與原癌基因的激活及抑癌基因的失活相關，正常情況下，基因組的原癌基因處于抑制狀態，而全基因組的低甲基化可使原本處于失活狀態下的基因狀態發生活化。DNA低甲基化是在人類腫瘤中識別的最初的表觀遺傳異常。其通常被忽略為一個不受歡迎的并發癥，幾乎所有的注意力都集中在腫瘤的沉默基因，如抑癌基因的啟動子高甲基化上。后來發現腫瘤中DNA的全局低甲基化與重復DNA元件非常相關，使腫瘤相關的DNA低甲基化繼續獲得非常多的關注。最新的高分辨率全基因組研究證實，DNA低甲基化與腫瘤中基因組高甲基化同時發生，只是通常在不同的序列上。腫瘤中個別CpG島的甲基化變化不僅對區域環境，而且對鄰近位點具有一個很高的依賴性。如前所述，在整個基因組持續低甲基化的過程中，局部區域的高度甲基化（特別是抑癌基因的啟動子）導致抑癌基因的繼續沉默，更進一步增加了腫瘤生成的風險。甲基化修飾目前被現代腫瘤學認為是導致原癌基因激活及抑癌基因失活的機制之一[4-5]。

3 DNA甲基化與腫瘤

表觀遺傳學研究表明，DNA的甲基化是遺傳外修飾的重要途徑，調節基因的表達與關閉，與腫瘤、衰老等疾病密切相關。DNA甲基化后基因序列并未發生改變，但是其表達卻受到抑制。這種改變通常發生在富含CG結構的二核苷酸上，這正是維持染色體結構、細胞記憶與衰老及胚胎發育的重要部位。因此，DNA甲基化的研究對臨床上腫瘤的風險評估、治療及預后有著重要意義。

全基因組的低甲基化及特定區域的高甲基化被認為是腫瘤細胞中DNA甲基化的主要形式。這一理論已經被Zelic等[6]、Li等[7]、Mo等[8]通過meta分析等多種方法驗證。大多數腫瘤基因表現出的低甲基化主要體現在高度及中度重復序列之中。其可以誘使染色體出現不穩定，并且出現相應的CpG島的高甲基化，使其相關的DNA損傷修復基因、細胞周期調控及細胞凋亡基因沉默，進而誘發腫瘤。另一方面，低甲基化的原癌基因表達增強也是誘發腫瘤的一大機制。Sizemore等[9]通過研究基質金屬蛋白酶-7（MMP-7）的啟動子低甲基化及MMP-7在乳腺基底樣細胞癌和三陰性乳腺癌中的過度表達，通過免疫組化等方式驗證了MMP-7的過度表達和MMP-7基因的低甲基化與乳腺惡性腫瘤及相關亞型的預后相關。另外，一些抑癌基因啟動子的高甲基化與腫瘤的發生、預后也密切相關。de Araújo等[10]研究發現40%遺傳性黑色素瘤的發病與細胞周期依賴性激酶抑制基因CDKN2A突變相關，而DNA高度甲基化改變是CDKN2A基因突變的一個重要因素。Strand等[11]在研究前列腺癌與DNA甲基化的關系中發現，DNA甲基化可以作為前列腺癌的預后評估因素，其影響因素可能與配對的同源盒轉錄因子2（PITX2）等常見的甲基化位點相關。Fumagalli等[12]通過流行病學方法進行O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶（MGMT）的甲基化研究，實驗樣本來自84例經臨床病理學確診并已接受烷化劑治療的三陰性乳腺癌患者，其中58.3%的患者出現了MGMT的高度甲基化，表明MGMT的高甲基化與三陰性乳腺癌發生相關。Langevin等[13]檢測了88例確診的口腔鱗狀細胞癌患者樣本，通過焦磷酸測序法確定了GABRR1抗體是作為口腔鱗狀細胞癌的7個甲基化標記物之一，并推測其可作為以后口腔鱗狀細胞癌高危人群非侵入性篩查的一個標志。Lyn-Cook等[14]利用DNA微陣列技術確定了進行啟動子甲基化在人類肺腫瘤細胞中的致瘤作用。

4 DNA甲基化在臨床的應用

檢測基因的異常甲基化可用于腫瘤的風險評估及早期診斷，其理論基礎是腫瘤細胞與正常細胞之間的甲基化差異。Nie等[15]在對非小細胞肺癌（NSCLC）的自由細胞腫瘤循環DNA的研究發現，NSCLC患者血漿或血清中的DNA含量明顯高于正常對照組和良性疾病患者。Sunami等[16]發現，腫瘤患者血液中游離DNA含量升高，并具備惡性細胞特質，認為血液中的游離DNA來源于原發腫瘤。因此，分析DNA甲基化程度不僅僅只局限于腫瘤實體標本，也可以拓展到患者的外周血檢測中。Gupta等[17]通過對66例乳腺癌患者外周血中乳腺癌1號基因（BRCA1）的分析研究，發現基因啟動子的甲基化可能作為乳腺癌易感性的一個標志。這些發現對于腫瘤的風險評估及早期診斷極具價值。新近研究發現，糖類抗原CA199在某些腫瘤患者血中升高可能與控制糖基化的β3GALT5基因的高度甲基化相關[18]。另外，測定DNA甲基化也可以作為對腫瘤患者的預后評估。Karlsson等[19]通過全基因組DNA甲基化研究揭示了其與肺癌患者的預后相關。在伊朗南部進行的一項散發性乳腺癌風險研究提示，DNMT3B的高甲基化與乳腺癌發病風險呈正相關[20]。此外，DNA甲基化研究也可以作為評估化療療效的指標，Ignatov等[21]通過BRCA1啟動子甲基化在三陰性乳腺癌及非三陰性乳腺癌的對照研究，發現BRCA1啟動子甲基化是其共同致癌因素，并且能夠更好地評估蒽環類化療藥物的治療效果。異常的甲基化也可以影響患者的生存期，在胃癌中，甲基化CpG位點計數Dact1啟動子具有臨床評估胃癌預后的重要性[22]。

隨著對DNA甲基化研究的深入，科學家發現甲基化發生在腫瘤的早期，且這個過程是可逆的。抑制DNA的甲基化可以作為治療腫瘤的新途徑。應用甲基化轉移酶抑制劑可以阻斷DNA的甲基化過程，并且使基因（主要是抑癌基因）重新去甲基化并激活，從而達到抑制腫瘤的目的。2004年美國食品藥品安全局批準胞嘧啶類似物5-氮雜胞苷用于治療骨髓增生異常綜合征，隨后第2種5-氮雜2-脫氧胞苷（5-zaz-Dc）問世[23]，從而掀起了甲基化轉移酶抑制劑應用的新高潮。這類藥物在體內外均能通過抑制DNA甲基轉移酶使抑癌基因恢復正常的去甲基狀態，重新激活那些由于DNA過度甲基化而失活的基因，從而恢復細胞的正常終末分化、衰老及凋亡。目前研究的一個熱點在5-zaz-Dc提高腫瘤細胞對于原有基礎化療藥物的化療敏感性，其機制可能與5-zaz-Dc能夠與甲基化轉移酶（DNMT）共價結合，抑制DNMT的生物活性并改變抑癌基因的甲基化狀態相關[24]。Chen等[25]通過研究5-zaz-Dc對于TIP30基因表達的影響發現，TIP30基因作為一種抑癌基因，其表達與其甲基化狀態有關，TIP30基因的表達能夠提高結腸癌細胞對于5-氟尿嘧啶的化療敏感性。

5 結 語

DNA的異常甲基化與腫瘤的發生發展密切相關，無論是原癌基因的全基因組低甲基化導致其激活，還是抑癌基因的局部高甲基化使其失活，都可以促進腫瘤的發生。目前對DNA甲基化的研究可以為腫瘤的風險評估、早期診斷及治療提供一條新的途徑。相信在不久的將來，隨著DNA甲基化研究的深入，將會為人類攻克腫瘤提供新的思路和新的啟發。

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：A

：1009-5519（2015）07-1007-03

2014-12-01）

曾子奕（1986-），男，湖南長沙人，在讀碩士研究生，主要從事乳腺癌預防與診療工作；E-mail：75097147@qq.com。