表觀遺傳學在胃癌中的研究進展△

楊夢迪，王學紅，張梅

青海大學附屬醫院消化內科，西寧810000

關鍵字：胃癌；表觀遺傳學；DNA甲基化；組蛋白修飾；非編碼RNA調控

胃癌在全球范圍內的發病率極高，其中，約50%的胃癌發生于東亞，是某些國家惡性腫瘤患者病死的首要原因，中國更是胃癌的高發國家[1]。盡管手術和輔助治療方法對胃癌患者的預后有所改善，但中國胃癌患者的5年生存率僅為35.9%，并高度依賴于臨床分期，死亡仍是絕大多數胃癌患者的預后結局[2]。雖然，幽門螺桿菌感染、癌前病變、遺傳和不良生活方式等多種因素影響著胃癌的發生和發展，但是，胃癌是多階段、多途徑發展的疾病，涉及多種基因的調節，其具體發病機制尚不十分清楚[3]。在經典遺傳學中，由于DNA結構突變引起的逐步有序的致癌基因激活和抑癌基因失活被認為是導致多階段癌變的分子框架，但是，僅憑基因突變事件本身并不能夠解釋整個致癌過程。事實上，很多因素（遺傳因素、表觀遺傳因素和環境因素）均可能導致胃癌的發生。與經典遺傳變異相似，表觀遺傳改變也可改變基因的結構和功能，并影響細胞的分化和多能性。表觀遺傳學是研究基因表達的一門學科，表觀遺傳的變化對胃癌的發生起重要的作用，因此，對胃癌表觀遺傳機制的研究具有十分重要的意義。本文對表觀遺傳學在胃癌中的研究進展進行綜述。

1 DNA甲基化與胃癌的關系

DNA甲基化是一種重要的表觀遺傳修飾，主要發生于富含CpG的DNA啟動子區域，受DNA甲基轉移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的調控，在DNA序列中加入或減去胞嘧啶殘基，從而形成5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5-mC）[4]。5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5-hmC）是DNA去甲基化的中間產物，由10-11易位（ten-eleven translocation，TET）家族蛋白氧化5-mC產生，存在于包括肌肉、肺、腎和心臟在內的許多組織中，尤其在大腦和胚胎細胞中高度表達[5]。5-hmC被稱為“第6種堿基”，與基因表達有關，同時其修飾相對穩定，是腫瘤中一種重要的表觀遺傳修飾。在生理狀態下，5-hmC表達可通過特異性去甲基化使CpG島處于非甲基化狀態。但在胃癌發生時，5-hmC水平的降低使組織局部發生甲基化[6]。DNA甲基化是維持機體功能的重要前提，異常的DNA甲基化可能引起癌變。

1.1 啟動子區域甲基化介導的基因沉默機制

CpG在人體內以2種形式存在，一種呈高度聚集狀態，稱為CpG島；另一種則分散于DNA序列中。CpG島又分為中心區域和邊緣區域兩部分。中心區域具有特異性抑制甲基化發生的作用，從而使富含雙核苷酸“CG”的CpG島呈非甲基化狀態[7]。邊緣區域又稱過渡CpG位點，是低甲基化基因和高甲基化逆轉錄因子之間的甲基化可變位點。管家基因啟動子區含有豐富的CpG島，始終處于低甲基化以保持活性轉錄狀態，以維持細胞基本生命活動。當有害因素刺激CpG島時，基因活性改變導致轉錄異常，加上維持甲基化模式的酶調節失控，極易發生高甲基化。啟動子區域高甲基化狀態引起基因的表觀遺傳學沉默被認為是腫瘤發生機制的重要組成部分。在癌變過程中，CpG島區域的DNA甲基化水平逐漸升高，可通過招募DNA組蛋白促進染色質的高度濃縮和染色體結構的改變，從而導致基因組DNA不穩定，同時沉默特定抑癌基因導致其失活，從而促進胃癌的發生、發展[8]。

Sepulveda等[9]對不同胃黏膜中的基因樣本進行甲基化陣列篩選，發現與非化生胃黏膜相比，胃癌及腸化生胃黏膜中有13個基因的CpG甲基化明顯增加，其中，大多數腸化生胃黏膜中的CpG甲基化程度甚至高于胃癌胃黏膜，提示它們可能調控癌前病變向癌的轉化。Leodolter等[10]對胃癌組織、癌旁正常組織、幽門螺桿菌相關性胃炎組織進行甲基化檢測，觀察到胃炎組織及癌旁正常組織均發生全基因組低甲基化，進一步揭示了表觀遺傳改變在癌變早期階段的可能作用。上述研究表明，CpG甲基化是表觀遺傳基因調控腫瘤相關基因的中心機制，異常的DNA甲基化不僅是終末期惡性腫瘤的特征，也是胃癌發病機制中的早期事件和驅動事件。因此，建立和維持DNA甲基化狀態是檢測和診斷腫瘤的關鍵。然而，基因特異性高甲基化和全基因組低甲基化被認為是致癌的獨立事件，因此，甲基化在腫瘤發展中的作用仍不明確，需進一步探究。

1.2 胃癌相關基因的甲基化

在眾多類型的腫瘤中，腫瘤抑制基因被鑒定為高甲基化啟動子，與甲基化結合蛋白相結合，通過染色質重塑、DNMT招募轉錄抑制因子和蛋白異常翻譯等過程抑制轉錄[11]，導致抑癌基因失活、基因表達缺失及表觀遺傳沉默，從而引發惡性腫瘤。

1.2.1p16基因p16基因又稱多腫瘤抑制基因（multiple tumor suppressor 1，MTS1），可抑制 G1期進程的細胞周期，是常見的抑癌基因之一，其功能的喪失可導致細胞周期發生紊亂，加速細胞的生長。在胃癌中，CpG島高甲基化使蛋白質異常翻譯，以基因突變、啟動子區甲基化或純合缺失為主要的失活方式，導致p16基因失活，進而導致細胞的分裂增殖失去控制。Guo等[12]對106例胃癌患者和18例健康者的外周血樣本進行甲基化特異性聚合酶鏈反應（methylation-specific polymerase chain reaction，MSP）分析，結果顯示，在胃癌患者的胃癌組織中，p16基因的甲基化陽性率為72.6%（77/106）；在健康者的正常胃黏膜組織中，p16基因的甲基化陽性率為5.6%（1/18），這說明p16基因可作為早期胃癌的潛在標志物。Peng等[13]對9項關于中國胃癌患者胃癌組織中p16基因啟動子甲基化的研究進行Meta分析，共涉及487例胃癌患者和271例健康對照者，發現胃癌患者的甲基化率為28.3～64.4%，中位甲基化率為43.3%。健康對照者的甲基化率為0～13.3%，中位甲基化率為0。胃癌患者的甲基化率高于健康對照者（P＜0.05），提示DNA甲基化是p16基因致癌的主要機制。

1.2.2hMLH 1基因人類同源突變體1（human mutL homolog 1，hMLH1）基因屬于人類DNA錯配修復基因的一種，可編碼DNA修復蛋白。Ma等[14]研究發現，胃癌組織中hMLH1的陽性表達率（64.3%）明顯低于鄰近黏膜（84.4%）、胃黏膜（82.4%）和正常黏膜（80.0%）（P＜0.01）。hMLH1基因密碼子可發生C-T突變，使細胞的錯配修復功能降低，導致遺傳基因復制錯誤或微衛星不穩定，從而引發惡性腫瘤。

1.2.3RASSF 1 A基因Ras相關區域家族1A（Ras association domain family 1A，RASSF1A）是一種新型的候選抑癌基因。RASSF1A基因啟動子區域異常甲基化可通過抑制細胞周期蛋白D1的積累而使細胞周期停止，導致RASSF1A失活。Balgkouranidou等[15]研究發現，胃癌組RASSF1A基因啟動子高甲基化的發生率為34.0%～68.5%，明顯高于正常對照組（P＜0.01)，表明RASSF1A啟動子的甲基化狀態可作為胃癌診斷的候選分子標志物之一。

1.2.4Prx基因 過氧化物酶（peroxiredoxin，Prx）是一類廣泛存在的硫醇過氧化物酶，其功能是作為一種氧化還原信號調節器，控制哺乳動物細胞中的氧化還原反應。研究發現，在28個胃癌細胞系中，PrxⅡ在9個胃癌細胞系中的表達嚴重下調，甚至在3個細胞系中完全消失[16]，這是由于DNMT必須依賴于PrxⅡ才能維持基因啟動子區域的正常甲基化，提示PrxⅡ基因甲基化與胃癌的發生、發展密切相關。

1.2.5SFRP基因卷曲相關蛋白（secreted frizzled-related protein，SFRP）是一種可溶性蛋白，是WNT信號通路的負調節劑。SFRP的過表達會阻斷WNT信號通路，并調控胃上皮細胞的增殖、分化和凋亡，從而向胃癌發展[17]。DNMT抑制劑能夠迅速地恢復SFRP的正常表達，充分證實了SFRP基因是人胃癌細胞中的異常表觀遺傳修飾之一。

1.3 DNA甲基化與胃癌治療

在胃癌發生、發展的過程中，異常甲基化會導致抑癌基因失活，而5-氮雜-2’-脫氧胞苷通過抑制DNMT的表達減少啟動子區域的甲基化，使一些抑癌基因重新激活。表觀遺傳修飾的可逆性使其成為胃癌治療的潛在靶點。DNMT抑制劑分為腺苷類DNMT抑制劑、非腺苷類DNMT抑制劑兩類，目前主要應用于血液系統腫瘤、肺部惡性腫瘤，并取得一定的治療效果。Nakamura等[18]通過對多個胃癌細胞系進行抗甲基化藥物體外篩選檢測發現，不同細胞系對抗甲基化藥物的敏感性不同。然而，這類研究還需要進一步深入，以便根據藥物的作用靶點、濃度和用藥時間等綜合考慮，篩選出對不同胃癌細胞系具有特異敏感性的新型藥物。表觀遺傳藥物在治療腫瘤方面的臨床益處仍在不斷顯現，低劑量藥物治療和聯合療法（例如聯合化療或放療）將是下一步研究的重點。

2 組蛋白修飾與胃癌

組蛋白位于核小體中央，相對分子量為10 000～20 000，呈堿性，是染色質的主要成分之一，可在翻譯后修飾。組蛋白修飾由相應的修飾酶調節，通過改變DNA的凝聚或啟動效應分子控制下游基因的表達，影響染色質的整體結構。甲基化、乙酰化是重要的組蛋白修飾方式，可調控基因的表達，并參與細胞存活、細胞身份維持和細胞重編程等過程。

2.1 組蛋白甲基化

組蛋白甲基化在常染色質組蛋白甲基轉移酶（euchromatin histone methyltransferase，EHMT）的催化下，最終以依賴殘留物的方式介導基因激活或沉默。組蛋白H3第9位賴氨酸（histone H3-lysine 9，H3-K9）的甲基化與基因的失活有關[19]。H3-K9翻譯后修飾在調節靶蛋白功能、定位和穩定性方面發揮著關鍵性的作用，是發生DNA甲基化的先決條件。Popovic和Licht[20]揭示了H3-K4甲基轉移酶和H3-K27甲基轉移酶與腫瘤的發生有關。在胃癌細胞中，組蛋白甲基化以H3-K9高甲基化、H3-K9低乙酰化和H3-K4低甲基化為特征，在胃癌細胞基因的轉錄調控中起著重要的作用[21]。DNA甲基化與組蛋白甲基化在表觀遺傳沉默中具有相互加強的關系。

2.2 組蛋白乙酰化

組蛋白乙酰化受競爭性酶家族組蛋白乙酰轉移酶（histone acetyhransferase，HAT）和組蛋白脫乙酰酶（histone deacetylase，HDAC）的調控。HDAC組蛋白N-乙酰賴氨酸殘基的脫乙酰與DNA負電荷緊密結合，導致染色質致密卷曲，基因轉錄受到抑制。有研究發現，HAT在胃癌組織中的表達下調，抑制了H3-K9的乙酰化，并促進了H3-K9的甲基化，從而使基因沉默；同時，HDAC的高表達可以靶向修飾組蛋白的殘基，重新激活沉默的腫瘤基因，而且可通過改變染色質的重塑直接導致癌變[22]。

另一方面，組蛋白修飾對細胞信號通路具有影響。異常的組蛋白修飾在腫瘤中具有識別功能，基因啟動子中的二價結構域被作為基因轉錄激活的“開關”，介導某些基因譜的表達。因此，由相關異常酶或突變基因引起的這種“開關”的破壞將影響異常基因的表達，從而形成腫瘤。由于組蛋白修飾在腫瘤細胞和正常細胞之間的差異以及組蛋白修飾異常對維持腫瘤細胞身份的積極作用，組蛋白標記在區分腫瘤細胞與正常細胞中起著至關重要的作用。

3 非編碼RNA與胃癌

目前已知僅有1.5%～2.0%的人類基因組具有編碼蛋白質的能力，基因組的其余部分由非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）組成[23]。ncRNA調控是指RNA通過某些機制實現對基因轉錄及轉錄后的調控。越來越多的數據表明，ncRNA參與多種腫瘤的發生，包括胃癌。

微小RNA（microRNA，miRNA）廣泛存在于真核細胞，是目前研究的熱點。Liang等[24]研究發現，微小 RNA-103a（microRNA-103a，miRNA-103a）在胃癌組織中的表達下調，且與胃癌細胞的增殖、侵襲和遷移密切相關。Ma等[25]研究發現，微小RNA-223（microRNA-223，miRNA-223）在胃癌組織中的表達上調與幽門螺桿菌感染有關，并可通過一定的機制促進胃癌細胞的增殖和遷移。Yepes等[26]發現miRNA的表達與胃癌的發生及胃癌病理分型有關。上述研究說明，miRNA在胃癌中發揮了重要的作用。miRNA雖無法直接參與蛋白質的轉錄和翻譯，但可與靶基因的信使RNA（messenger RNA，mRNA）結合，參與細胞的增殖、侵襲、分化和凋亡等。

長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）可通過多種途徑參與轉錄和表觀修飾，在維持正常生物功能中起著重要的作用。越來越多的研究證實，lncRNA在胃癌的進展過程中起調節作用[27-28]。Gu等[29]采用高通量測序法對3例胃腺癌患者胃腺癌組織和癌旁組織中lncRNA的表達譜進行鑒定，發現與癌旁組織相比，胃腺癌組織中有74個lncRNA存在表達差異，包括43個lncRNA的表達上調和31個lncRNA的表達下調，提示lncRNA在胃癌中起到重要作用。

4 小結與展望

由于胃癌起病隱匿，缺乏有效的早期診斷標志物，使胃癌患者確診時已處于無法進行根治性手術的晚期階段。目前人們已經認識到表觀遺傳學的改變是胃癌形成過程中的早發、頻發事件，可以從表觀遺傳分子水平為腫瘤的早期診斷及治療開辟道路。表觀遺傳學無疑是胃癌研究的新前沿，雖然仍面臨著許多挑戰，但是在尋找到全面、有效的治療策略前，仍需對基因研究、分子檢測、基因測序等生物信息學分析技術不斷改進，為研究胃癌的發生機制、早期診斷、預后評估以及臨床治療提供新的策略。