癌癥與衰老的分子生物學關系的研究進展

王丹丹 康欣梅

癌癥與衰老的分子生物學關系的研究進展

王丹丹 康欣梅

癌癥是一種與衰老有關的疾病,在中老年人中癌癥發病率很高。衰老生物學與癌癥生物學存在著許多相似的特征,癌癥與衰老的分子學機制又有著相互重疊的方面。因此,有關衰老的細胞及分子生物學機制的研究對于癌癥的發生機制和抗腫瘤研究均具有重要價值。本文從DNA損傷修復、端粒(telomere)及端粒酶(telomerase)、RECQL4(屬于人類RECQ解旋酶家族)、表觀遺傳學和自噬五方面,就衰老與癌癥的細胞及分子生物學相關性的最新研究進展進行綜述。以期為開發新抗腫瘤藥物、治療衰老相關的疾病提供依據。

1 DNA損傷修復

DNA是生物遺傳信息的主要載體,其完整性和穩定性對于機體來說極其重要。由于DNA是一條很長的核苷酸鏈,在生物體的生命過程中DNA經常會受到損傷,而且大量的研究表明DNA的變異和損傷隨著年齡的增長而增加[1]。DNA損傷激活了細胞周期進程中的信號網絡,招募DNA損傷修復因子,也有助于有絲分裂期雙鏈斷裂(double-strand breaks,DSB)的修復[2]。如果修復不成功,則啟動細胞凋亡和衰老程序,從而阻止細胞復制,避免DNA 改變引起的細胞轉化[3]。因此維持基因組DNA的穩定對于細胞存活和腫瘤抑制至關重要。而在腫瘤中DNA損傷修復機制是過度激活狀態,2009年美國臨床腫瘤學會(American Society of Clinical Oncology, ASCO)報道一種全新的分子靶向藥物Iniparib (BSI-201),可選擇性抑制DNA修復相關的關鍵酶——多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1[poly(ADP-ribose)polymerase-1, PARP-1],對三陰性乳腺癌患者有效[4]。這一突破性成果強烈預示以DNA 損傷修復通路為靶標的分子治療可能成為腫瘤治療的新策略。

2 端粒和端粒酶

端粒、端粒酶與腫瘤一直以來都是科學家研究的熱點,2009年,Elizabeth HB、Carol WG 和Jack WS 3位科學家因其“染色體是如何被端粒和端粒酶保護”的研究而獲2009 年度諾貝爾生理學或醫學獎,更加引起研究者們的關注[5]。

近年研究發現,端粒作為真核細胞染色體末端的一種特殊結構,其主要功能是保證染色體的穩定性,阻止染色體發生降解和端-端融合。在大多數正常人體細胞中,端粒序列不能完全復制,細胞每分裂1次,端粒就有50～300個堿基對丟失。當端?？s短到一定長度時,就喪失了其保護染色體末端的功能,結果就是編碼區基因被破壞,染色體之間發生相互融合或者染色體被降解,最終導致細胞進入衰老過程或者死亡。當端粒的長度縮短到一個臨界值時,DNA損傷應答機制就會誘導依賴p53的G1/S細胞周期停止,稱作復制衰老。因此,端粒的功能不僅作為“帽子”保護染色體末端不受融合、降解和重組的損傷,也能作為估計細胞老化的生物鐘[6]。

腫瘤早期,端粒大幅度地縮短,而端粒的縮短又會反過來影響腫瘤的發生。而與正常細胞不同,在永生化細胞包括腫瘤細胞中,端粒長度是穩定的,而通常端粒長度是靠端粒酶的激活來維持的[7]。通過對不同類型腫瘤的研究顯示,端粒酶的活性在85%的人類癌細胞中會出現上調,但是在其他大部分正常體細胞中幾乎不能被檢測到。同時端粒酶不僅可維持端粒長度,還可驅動細胞周期[8]。因此端粒酶的激活可能是體細胞向腫瘤轉變的關鍵步驟,是細胞癌變的早期事件。而且這樣的研究結果已在乳腺癌、前列腺癌等腫瘤中得到證實。腫瘤細胞通過激活端粒酶使細胞不死,從而維持腫瘤的無序性增殖生長。已有證據顯示,除了目前常規的化療和放療外,靶向治療可以有效地治療癌癥,選擇有效安全的載體是腫瘤靶向治療成功的關鍵。最近有文章稱,端粒酶失活時,癌細胞將啟動端粒替代延長機制(alternative lengthening of telomeres,ALT)[9]，因此,開發針對端粒酶的抑制藥物可能成為腫瘤治療的新思路。

3 RECQL4

RECQL4屬于人類RECQ解旋酶家族,人類RECQ解旋酶基因家族包括5個成員:RECQL1,RECQL5,WRN,BLM和RECQ4。除了前2個突變至今未發現與疾病發生有關外,后三者的突變均導致了相關的疾病,依次為Werner綜合征,Bloom綜合征,RTS、BGS、RAPA綜合征[10]。因此,一直以來RECQL4在解旋酶基因家族中備受關注。目前已經證實,除外BGS,RTS、RAPA患者均有強烈的腫瘤傾向,主要是骨肉瘤和淋巴瘤[11],RECQL4引起腫瘤發生的相關分子事件已成為近年來的研究熱點。比如,Siddharth小組新近發現RECQL4與p53相互結合,并促進了線粒體聚合酶γ的活性,對線粒體DNA的復制和損傷修復起作用[12]。Ferrarelli等[13]報道了RECQL4還與TRF2相互結合,一起參與端粒D環區域的損傷修復。另外,RECQL4缺陷還被發現與血液系統惡性腫瘤相關[14]。不僅RECQL4的突變會導致腫瘤發生,該基因的過量表達也會引發腫瘤如乳腺癌、骨肉瘤和前列腺癌等[15]。最新研究表明,RECQL4在乳腺癌細胞中大量表達,并與生存素結合在一起,抑制癌細胞的凋亡[16]。最近,一些發現證明RECQL4在與衰老有關的DNA損傷修復、端粒維護及線粒體功能障礙這3個方面扮演了重要的角色[11]。因此,RECQL4可能在癌癥和衰老中起著橋梁的作用。

4 表觀遺傳學

老化是一個多方面的過程,隨著醫學的進步,表觀遺傳機制在衰老過程中逐漸被人們所認識到。表觀遺傳學是指基于非基因序列改變所致的基因表達水平變化。表觀遺傳改變發生在多個層面,主要有3個方面，即DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼小分子核糖核酸(mi-RNAs)。它們相互作用,影響基因表達。目前越來越多的研究證實癌癥與衰老均帶有異常的表觀遺傳學修飾,現將其主要方面的變化和癌癥與衰老的關系進行探討。

4.1 DNA甲基化 DNA甲基化是指在DNA甲基化轉移酶(DNA methyltransferases, DNMTs)的作用下,甲基基團以共價鍵結合到DNA分子上,大多出現于基因組CpG島二核苷酸的胞嘧啶5′碳位上[17],并可傳遞到子代[18]。多項有關衰老的研究發現,很多基因的 CpGs位點發生不同程度的甲基化改變。Hannum 等[19]在不同年齡層次的血液樣本中,檢測發現了71個隨著年齡增長發生改變的甲基化位點。同時,另一項大型隊列研究也發現在血液樣本及其他正常組織中,全基因組中有749 個 CpG 位點發生了年齡相關性的甲基化水平變化[20]。提示DNA特異位點的甲基化水平可能是一個反映衰老的可靠生物學標記。同時DNA甲基化在腫瘤的發生、發展過程中扮演重要角色。Li等[21]研究發現,腫瘤細胞與正常細胞相比在表觀遺傳的調控方面存在很大的差別,腫瘤細胞往往呈現出原癌基因全基因組DNA甲基化水平的降低、特定基因(尤其是抑癌基因)啟動子序列區域的DNA甲基化水平升高的現象,進而導致抑癌基因的表達沉默。并且這些表現均與衰老細胞的表觀遺傳學改變存在多種相似之處。此外,在衰老過程中出現的H4K20甲基化水平升高會使腫瘤抑制基因RB的表達受到抑制,使得老年患者更易發生腫瘤。因此,對于DNA甲基化的深入研究,不僅可以進一步揭示衰老的發生機制,而且可以為腫瘤的發生和防治提供新的策略。

4.2 組蛋白修飾 組蛋白的表觀遺傳修飾主要包括組蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等。甲基化與去甲基化、乙酰化與去乙?；悄壳把芯肯鄬η宄臋C制。組蛋白的甲基化是通過組蛋白甲基化轉移酶介導的將3個甲基與組蛋白的賴氨酸殘基結合的過程。這一過程根據結合位點的不同對基因的表達會產生不同的影響。H3K4、H3K36、H3K79的位點發生三甲基化,將會促進基因轉錄的活化,而H3K9、H3K27和 H4K20 發生甲基化,將會導致基因轉錄的抑制[22]。恒河猴模型的研究證實,腦中的甲基化轉移酶SETD7和DPY30上調,引起H3K4me2的水平上升,導致衰老相關基因水平上調,促進了衰老的發生[23]。研究顯示,部分組蛋白甲基化轉移酶、去甲基化酶與腫瘤的發生相關。對乳腺癌細胞的研究顯示,催化單甲基化或雙甲基化的H3K4去甲基化的LSD1在乳腺癌中的表達缺失,而LSD1表達可抑制癌細胞的轉移和侵襲。最新研究發現,H3K27去甲基化酶JMJD3在T淋巴細胞白血病的發生和發展中是必需的,而另一個去甲基化酶UTX作為腫瘤抑制基因在急性T淋巴細胞白血病中常常失活,作用同一位點的組蛋白修飾酶在腫瘤發生、發展中的作用也是有差異的[24]。相似的,組蛋白的乙酰化主要是通過乙酰轉移酶(histoneacetyltransferase, HAT)完成,通常發生在轉錄位點的啟動子上,以促進基因轉錄的活化;相反,去乙酰化是通過去乙?；?histone deacetylase, HDACs)完成,以抑制下游基因的轉錄,兩者處于一個動態平衡狀態。由于在腫瘤組織中發現HDACs的異常表達,因此可選用HDACs抑制劑對腫瘤進行治療[25]。研究發現,在衰老的人間充質干細胞中HDAC1、HDAC2的表達水平下降[26],而在衰老的成纖維細胞中HDAC1水平上升,并同時伴有H3K56去乙?；F象;從而認為,H3K56去乙酰化對于復制性衰老和癌基因誘導的衰老都有重要作用[27]。上述證據顯示,組蛋白修飾在腫瘤和衰老中的發生、發展中起著非常重要的作用。

4.3 mi-RNAs miRNA是由21～23個核苷酸組成的單鏈非編碼RNA,可與目的信使RNA的3'-UTR端結合,導致基因轉錄終止,進而影響它的表達[28]。miRNA是細胞和機體衰老的重要調節因子。血清的miRNA已經可以作為衰老相關的生物學和生理學診斷和預后標記物[29]。已有研究發現唾液外泌體的miRNA也可作為潛在衰老標志物[30]。Noren等[31]研究發現老年人外周血中單個核細胞的miRNA-107表達水平明顯低于青年人,且其表達或功能異?？蓪е掳┌Y和阿爾茨海默病(AD)等衰老相關疾病的發生。然而,有的研究中發現miRNA-107卻是致癌因子,在乳腺癌和胃癌中高表達,并與癌癥患者的遠端轉移相關,可作為轉移復發和預后不良的標志[32]。乳腺癌中miRNA-107通過負調控抑癌因子miRNA let-7，上調其靶基因HMGA2和Ras,促進癌細胞增殖[33]。說明,miRNA在癌癥與衰老中的作用機制還不清楚,需要我們進一步對其進行深入研究。

5 自噬

自噬是降解損傷及喪失功能的細胞器或蛋白,維持細胞更新和穩態的關鍵細胞機制。在化療或放療過程中,一些癌細胞通過自體吞噬維持休眠狀態來保護自己不受抗癌治療的傷害,進而產生耐藥。而衰老往往伴隨著自噬活性下降,包括衰老相關疾病癌癥也存在自噬功能異常,因此自噬活性高低決定了自噬在衰老及腫瘤發生發展中的作用[34]。適度有效的自噬能夠及時清除致病原,維持細胞的活性,保持機體穩態。而受損的自噬導致細胞生存能力的降低,不能及時清除細胞內錯誤折疊蛋白而加重細胞內質網應激反應及加重炎癥進程,進而抑制細胞衰老,引發腫瘤。過度活化的自噬,導致自噬相關的細胞死亡,誘導大量實質細胞非正常死亡,破壞組織結構,導致器官功能喪失,促進細胞過度衰老,促進腫瘤進程。因此充分了解細胞自噬活性對于衰老及癌癥是至關重要的,同時誘導適度自噬以延緩衰老或治療癌癥具有潛在的臨床意義及藥物開發意義。自噬在腫瘤中的分子機制非常復雜,涉及大量上游信號傳導途徑,如PI3K-AKT-mTOR、LKB1-AMPK-mTOR、p53、Beclin1和Bcl-2等調控細胞自噬的信號通路[35]。同時已有研究證明，組蛋白乙酰化能調控細胞自噬發生。由于自噬是一個動態的多步驟過程,因此要從多個環節對自噬進行干預。隨著以自噬為靶點的抗腫瘤治療研究的進展,發現不同腫瘤類型及腫瘤發展的不同階段,自噬發揮的作用不同,自噬在腫瘤治療中有促存活或者促死亡的雙重作用[36]。因此以自噬為靶點的腫瘤治療需根據情況來選擇自噬誘導劑或抑制劑。

6 展望

隨著全世界老齡人口比例的加大,人口的老齡化已經成為許多國家都要面對的社會問題[37]。衰老是多因素共同作用的復雜生物學過程,衰老研究的一個重要目的就是要理解這些因素是如何相互作用,從而最終導致生物體的衰老。確定癌癥和衰老的具體機制,從而制定相關的預防和治療策略將使很大一部分人群受益。如何通過調節細胞衰老的進程,治療與衰老相關的癌癥,且在治療中避免嚴重不良反應,將是一個重要挑戰。

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