胃癌的表觀遺傳學研究進展＊

陳 薇，張 雷

胃癌是我國常見的惡性腫瘤之一，正威脅著人類健康，其發病率僅次于肺癌，病死率位居第二［1］。絕大多數胃癌起病隱匿，早期無明顯癥狀，或出現非特異性癥狀（如上腹不適、惡心、食欲缺乏等）而被忽略，往往錯過治療的最佳時期。 胃癌是多重因素相互作用所致，包括感染因素、年齡及性別因素、飲食習慣、精神因素等，其中幽門螺桿菌感染是罪魁禍首，已被國際癌癥研究機構（IARC）劃歸為Ⅰ類致癌物質［2］，但其致病的分子機制尚不明確。 近年來，在生命科學領域，關于表觀遺傳學的研究報道層出不窮，已成為熱門的研究方向之一。 隨著對腫瘤研究的深入，大量證據表明表觀遺傳在胃癌［3］、淋巴造血系統腫瘤［4，5］、乳腺癌［6］等多種腫瘤的發生發展中發揮著舉足輕重的作用。 因此，深入研究與表觀遺傳學有關的異常改變可能為胃癌的發病機制提供科學依據，進而為胃癌的預防、早期診斷及治療提供新的思路。 該文就表觀遺傳學在胃癌中的研究進展做一綜述。

1 表觀遺傳學的概念

與遺傳學相對應，表觀遺傳學是研究在基因核苷酸序列不變的情況下， 基因表達發生的變化，這一過程是可逆的，并且可以通過有絲分裂和減數分裂遺傳給下一代［7］。 它主要是通過DNA 甲基化（DNA methylation）、 組 蛋 白 修 飾 （histone modification）、 非 編 碼RNA （non-coding RNA，ncRNA）作用等來調控基因的表達進而影響細胞的生長分化以及腫瘤的發生。 就目前對表觀遺傳學的認識來看，它可通過以下幾方面來影響腫瘤的發生發展［8］：一是增強癌基因的表達或減弱抑癌基因的表達。 二是改變染色質結構的穩定性。 三是促進細胞分裂增殖或抑制細胞凋亡。 四是擾亂信號轉導通路。 五是促進細胞侵襲和轉移。

2 DNA 甲基化與胃癌

2.1 DNA 甲基化 目前， 研究得最清楚的表觀遺傳修飾當屬DNA 甲基化， 即以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體，在DNA 甲基轉移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的催化下，將甲基轉移至DNA 雙鏈中胞嘧啶（C）的第5 位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）。 現已知具有DNA 甲基轉移酶活性的有3 種：DNMT1、DNMT3A 和DNMT3B。 維持甲基化主要有DNMT1 參與， 形成甲基化主要由DNMT3A、DNMT3B 負責［9］。 另外，還有兩種非嚴格意義上的DNMT：DNMT3L 和DNMT2。 鑒于DNMT3L 缺乏關鍵的甲基轉移酶催化結構域， 不具有催化活性，它主要負責調節以上三種甲基轉移酶的活性［10］，DNMT2 通常被認為是RNA 甲基轉移酶［11］。 常見的DNA 甲基化位點在胞嘧啶和鳥嘌呤（CpG）二核苷酸中的胞嘧啶上［12］。 CpG 二核苷酸主要以兩種形式存在：一是以甲基化的狀態散布于DNA 雙鏈中；二是以非甲基化狀態存在于CpG 島（由于該區域富含CpG 二核苷酸而得名）， 即基因的啟動子和第一外顯子區域［13］。 許多研究提示，異常的DNA 甲基化是人類腫瘤中普遍存在的現象［14］。 全基因組的低甲基化常導致染色質的凝聚程度下降、 基因組不穩定、原癌基因激活等，而CpG 島的高甲基化易導致抑癌基因、DNA 修復基因等的表達下調， 這將促使腫瘤的發生發展。

2.2 DNA 甲基化與胃癌的關系 多種抑癌基因表達異常可誘導胃癌的發生。 抑癌基因RASSF1A 可通過降低細胞周期蛋白D1（Cyclin D1）的表達，增加抑癌基因p27 的表達來抑制腫瘤細胞增長。 Joo等發現［15］，RASSF1A 在胃癌組織中的表達顯著降低， 這通常是由RASSF1A 基因CpG 島的啟動子區域高甲基化所致。 凋亡相關蛋白激酶1（DAPK1）被認為是一種抑癌基因，該基因表達沉默與胃腸道腫瘤的風險密切相關。Yuan 等［16］進行Meta 分析發現，DAPK1 啟動子甲基化與胃癌淋巴結（N）期、分化不良呈正相關，可作為潛在的早期診斷標志物。p16 蛋白可直接負調節細胞分裂增殖，Meta 分析表明［17］，在487 例胃癌患者和271 名健康對照者中，胃癌組p16 基因甲基化率的范圍為28．3%～64．4%， 明顯高于健康對照組的0～13．3%，p16 基因啟動子高甲基化在胃癌的診斷中具有高特異性。 Qiu 等研究發現［18］，再生蛋白1A（REG1A）在胃癌組織中的含量顯著降低，而REG1A 過表達可抑制胃癌細胞的侵襲、存活，促進胃癌細胞凋亡。 該基因啟動子的高甲基化抑制了REG1A 在胃癌中的表達水平。 Wani 等發現［19］， 在胃癌病例中，DNA 錯配修復基因 （如hMLH1）啟動子區域CpG 島高甲基化的頻率明顯高于正常樣本（胃癌樣本為72．9%（51/70），正常樣本20%（14/70）（P=0．0001））。 目前，對基因低甲基化與胃癌的研究相對較少， 通過微陣列分析，Nishigaki等發現［20］，在胃癌中R-RAS 癌基因的激活主要是由該基因CpG 島特定位點的去甲基化導致。 因此，研究DNA 甲基化對于了解胃癌的發病機制及治療大有裨益。

3 組蛋白修飾與胃癌

3.1 組蛋白修飾 組蛋白（histones）是染色質中帶正電荷的堿性蛋白質，富含精氨酸（Arg，R）和賴氨酸（Lys，K），主要分成5 類：H1、H2A、H2B、H3、H4。組蛋白與帶負電荷的DNA 結合形成核小體即染色質的基本結構單位。 在組蛋白N-端有一個稱為組蛋白尾的重要結構域，在該區域特異的氨基酸殘基位點可以經相應的酶催化發生多種可逆的共價修飾，如乙酰化、甲基化、泛素化、磷酸化、Sumo 化、巴豆酰化、糖基化等［21］。 催化組蛋白修飾的酶主要有組蛋白乙酰轉移酶（histone acetyltransferase，HAT）和組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）、組蛋白甲基轉移酶（histone methyltransferase，HMT）和組蛋白去甲基化酶 （histone demethylase，HDM）等。 通常， 乙酰化修飾位點有核心組蛋白（H2A、H2B、H3、H4）的賴氨酸殘基，甲基化修飾位點有組蛋白H3、H4 的賴氨酸殘基和精氨酸殘基［22］。 組蛋白修飾不僅能影響染色質的結構，而且是調控基因表達的重要樞紐［23］。2000 年，Strahl 等提出了組蛋白密碼假說［24］，根據這個假說，一種或多種組蛋白修飾可以對DNA 表達的多個過程發揮精細的調控作用。 乙酰化是研究得最早最深入的修飾方式，研究人員認為，組蛋白乙酰化能中和該氨基酸殘基的正電荷而減弱它與DNA 的結合能力， 引起核小體解聚，使得轉錄因子和DNA 聚合酶結合到DNA 上更容易，進而活化基因的轉錄，而去乙酰化則恰好相反［25］。 正常的生理功能離不開組蛋白修飾的調控，癌癥的發生也與組蛋白異常修飾密切相關。 此外，催化組蛋白修飾的酶在腫瘤的發病過程中也扮演了重要的角色［26］。

3.2 組蛋白修飾與胃癌的關系 Song 發現［27］，異常激活的Wnt/β-catenin 和PI3K/Akt 信號通路可通過組蛋白H3 第27 位賴氨酸殘基（H3K27）乙酰化修飾來調節上皮細胞-間充質轉化（epi-tomesenchymal transition，EMT），促進胃癌細胞遷移。Altieri 等發現［28］，Gastrokine 1（GKN1）蛋白維持著胃黏膜的正常生理功能，而該蛋白在胃癌組織中表達下調， 其機制與H3K9me3 和甲基轉移酶Suv39H1 在胃癌中的高表達密切相關。 Zhang 等研究發現［29］，染色質重塑蛋白（MORC）通過招募組蛋白去乙酰化酶1（HDAC1）來抑制P21WAF1/CIP1基因轉錄， 使得S 期及G2/M 期的細胞數量顯著增加，最終促進胃癌細胞增殖。有報道稱［30］，E3 泛素連接酶（ubiquitin-ligase enzymes） 在致癌過程中起著重要的作用，它可以催化許多蛋白質底物的泛素化。 部分E3 泛素連接酶在細胞周期和凋亡中的作用已得到驗證，如MDM2 可介導抑癌基因p53 的泛素化及降解，進而促進細胞增殖；MKRN1 可負調控主要腫瘤抑制因子（包括p14ARF和p53 等）。 其他E3 泛素連接酶， 如Cbl/Cbl-b/c-Cbl，Cullin1 和Hakai 可能也在胃癌的發病過程中發揮重要的作用。 這些E3泛素連接酶在胃癌細胞中高表達，抑制它們的活性可導致細胞增長停滯或凋亡。

組蛋白的修飾作用并非獨立，而是相互協同或相互拮抗的。 Lo 等提出［31］，組蛋白H3 第10 位絲氨酸殘基（H3S10）磷酸化能促使組蛋白H3 第14 位賴氨酸殘基（H3K14）乙酰化。Rea 等提出［32］，組蛋白H3 第9 位賴氨酸殘基（H3K9）甲基化會抑制H3S10磷酸化。 多項研究顯示，異常的組蛋白修飾可作為胃癌診斷和治療的靶點。

4 非編碼RNA 與胃癌

4.1 非編碼RNA 非編碼RNA（noncoding RNA，ncRNA）是指不翻譯蛋白質的功能性RNA 分子，也就是在RNA 水平行使其生物學功能。 可分為看家非編碼RNA（house keeping non-coding RNA）以及調控非編碼RNA（regulatory non-coding RNA）。 調控非編碼RNA 按其大小又分為兩類： 長鏈非編碼RNA （long ncRNA，lncRNA） 和短鏈非編碼RNA（small ncRNA，sncRNA）， 后 者 包 括micro RNA（miRNA）、small interfering RNA（siRNA）等［33］。 借助高通量基因組分析可知，在所有RNA 中，編碼蛋白的RNA 數量不足1．5%， 剩余的是非編碼RNA［34］。 lncRNA 主要是通過順式作用來調節基因表達，使該基因沉默［35］。 sncRNA 可通過異染色質化等來抑制DNA 轉錄，也可通過降解mRNA 來阻止RNA翻譯 。

4.2 非編碼RNA 與胃癌的關系 Obermannova 等研究表明［36］，miR-10b、miR-21、miR-143 和miR-145 的表達與胃癌的臨床病理特征顯著相關。 Zhao等研究表明［37］，lncRNA SNHG5/miR-32/KLF4 軸 在胃癌細胞遷移中發揮了重要作用，這可能有助于胃癌 的 診 斷 和 治 療。 Zhang 等 證 實［38］，lncRNA LINC00628 可通過抑制細胞的增殖、集落形成來發揮抑制胃癌的作用。 此外，mRNA 芯片結果表明，LINC00628 還可通過遠程調控細胞周期相關基因來 發 揮 胃 癌 抑 制 功 能。 Liu 等 發 現［39］，lncRNA XLOC_010235 通過與轉錄因子Snail1 結合來調節上皮細胞-間充質轉化，促進胃癌轉移。 miRNA-21是胃癌發生、發展的重要參與者，近年來，有學者試圖通過研究miRNA-21 與TGF-β、Wnt 等信號通路的關系來探索胃癌的發病機制［40，41］。

各種表觀遺傳修飾在胃癌的發病過程中并非獨立發揮作用。 Hu 等發現［42］，胃癌組織中lncRNASNHG1 的表達明顯增高，lncRNA-SNHG1 可通過增加DNA 甲基轉移酶1（DNMT1）的表達來促進胃癌細胞增殖，而且與胃癌TNM 分期、淋巴結轉移以及患者生存時間密切相關。 有研究發現［43］，在胃癌細胞中， 上調miRNA-148a 的表達可促進RUNX3 這一抑癌基因的表達，其機制可能是miRNA-148a 通過降低DNA 甲基轉移酶1（DNMT1）的表達活性來影響RUNX3 基因啟動子區域的甲基化狀態。 隨著胃癌進展多因素的深入研究，DNA 甲基化、 組蛋白修飾、 非編碼RNA 調控在胃癌發生發展中的相互作用必將會更加明晰，從而為胃癌的早期診斷和治療提供基礎。

綜上所述，相對于基因序列的改變，表觀遺傳修飾的轉變更容易調控，更容易逆轉，由此可見這為胃癌的預防和診治展現了廣闊的前景。 近年來，盡管很多學者在胃癌表觀遺傳學研究方面取得了令人矚目的成績，仍舊面臨著很多挑戰。 例如，表觀遺傳調控在胃癌發展各階段的確切分子機制尚無定論，各種表觀遺傳修飾之間及其與各基因、各信號通路等的相互作用不清楚，在多種表觀遺傳調控作用中，哪些發揮主要作用，哪些發揮次要作用等。相信隨著冷凍電子顯微鏡、高通量測序等技術的發展，將會更深入地認識表觀遺傳學，為胃癌等疾病的預防、診斷及治療開拓新的道路。