表觀遺傳在腫瘤領域的研究進展

徐開盛 張忠民 董奇 糜睿 丁杰

(貴州貴陽貴州省人民醫院胃腸外科，550002)

表觀遺傳學(epigenetics)是與遺傳學(genetics)相對應的概念。遺傳學是指基于DNA序列的改變所導致的基因表達水平變化；而表觀遺傳學則是指所有非基于DNA序列改變而導致的基因表達和細胞表型的改變，該改變具有可遺傳性。表觀遺傳就像電源開關一樣，掌控者各種基因的活性，保證特定細胞的特定階段開啟需要表達的基因，而關閉不需要表達的基因。表觀遺傳修飾包括DNA甲基化(DNA methylation)、組蛋白共價修飾(histone covalent modification)、染色質重塑(chromatin remodeling)和非編碼PNA(non-coding RNAs，ncRNAs)，他們在調節基因的表達過程中發揮了廣泛的作用[1-2]。近年來這一領域正變得越來越有吸引力，因為基因活動的表觀遺傳調控正越來越多地被人們發現。我們就表觀遺傳在腫瘤領域的研究進展作一綜述。

1 DNA甲基化在腫瘤領域的研究進展

DNA甲基化是指將s-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine，SAM)的甲基轉移到胞嘧啶或腺嘌呤的生物學過程，該過程由DNA甲基轉移酶(DNA methyltransferases，DNMTs)的介導下完成[3]。DNA的甲基化在腫CpG發生發展過程中常常扮演了非常重要的角色。一般情況下，細胞內基因啟動子區域的cpG島多以非甲基化的狀態存在，而散在分布的CpG二核苷酸多發生甲基化。腫瘤抑制基因CpG島的超甲基化往往會阻止抑癌基因抑制腫瘤形成的作用[4]。腫瘤甲基化的機制尚未完全闡明，研究認為這可能與DNA甲基轉移酶DNMT1和其它DNA結合蛋白相關。而且，DNMT1能夠與p53相互作用抑制p53敏感的基因、Survivin和Cdc25C的表達[5]。人類癌癥基因組的低甲基化于1983年首先被報道，基因組的低甲基化及其所致的基因組穩定性改變已被認為是癌癥的標志。目前普遍認為基因組的整體低甲基化發生在腫瘤形成的早期，基因特異性的去甲基化則出現在稍晚的階段。與超甲基化導致基因沉c-Myc低甲基化通常伴隨著基因轉錄的激活。在癌細胞中，低甲基化往往與致c-Myc相關。c-MYc基因，一個扮演致癌基因的轉錄因子，常常被報道在腫瘤中低甲基化。c-MVc基因的低甲基化于1984年在體外培養的癌細胞中被發現，后來，在多種其它惡性腫瘤如肝細胞癌、白血病、胃癌等相繼報道存在c-Myc基因的低甲基化[6]。c-Myc基因的甲基化則與膀胱癌和結直腸癌的進展相關[7]。 MAGE-A1和MAGE-A3基因啟動子的低甲基化和再活化也在結腸癌癌細胞株和癌組織中被發現，而且，CDH3基因的低甲基化還與結直腸癌的形成密切相關[8]。

2 組蛋白修飾

組蛋白(histones)是真核細胞染色質中的的主要蛋白組分，分為5種類型：Hl、H2A、H2B、H3、H4。真核細胞中，上述組蛋白的雙重拷貝形成八聚體，周圍纏繞147bp的DNA構成核小體。組蛋白易于發生轉錄后修飾，包括賴氨酸的乙酰化、賴SUMO甘酸的甲基化、絲氨酸和蘇氨酸的磷酸化，以及賴氨酸的泛素化、糖基化、泛素DNAuMO化等，所有的修飾都由組蛋白修飾酶復合物完成。組蛋白修飾通過改變組蛋白與DNA之間的動力學關系而影響染色質構象。組蛋白修飾可作為一種標志或語言，有人提出了“組蛋白密碼”的假說[3]。

2.1組蛋白乙酰化和去乙酰 化組蛋白的乙酰化修飾大多發生在組蛋白的H3K9、H3K4、H3K8、H3K23和H4K5、H4K8、 H4K12、 H4K16、 H4K20等位點。組蛋白H4K16乙酰化的整體丟失、組蛋白H4K20的三甲基修飾的丟失和DNA的低甲基化已經在多種原發腫瘤的DNA重復序列中被發現[9]。H4K16的乙酰化能夠影響組蛋白和染色質功能上的相互作用，可能是調整染色質折疊的潛在機制[10]。H4K16乙酰化的丟失可能導致更為松散的染色質構象。據報道，H4K16乙酰化的丟失能影響多種癌細胞對化療的敏感性[11]。H4K16乙酰化水平的降低與腫瘤的進展有關。乙酰化的H4K16能被SIRT1催化脫乙酰基，SIRT1在多種癌細胞中表達上調，并且可能成為判斷預后的分子標記。而且，編碼SIRT1負向調節因子的基因一一乳腺癌缺失基因子1(deleted in breast cancer l)，也與多種惡性腫瘤如乳腺癌、胃癌、肺癌的預后有關[12]。

2.2組蛋白磷酸化 組蛋白磷酸化能通過對組蛋白內氨基酸殘基的磷酸化修飾而影響信號通路中相關基因的轉錄。組蛋白H3N段的第10位4絲氨酸殘基(H3Serl0)的磷酸化近年來引起了足夠的重視，因為H35erl0的磷酸化能促進大量與信號通路活化H3S的基因轉錄，對于有絲分裂和減數分裂中染色質濃集和細胞周期進展非常關鍵[13]。由于H3serl0位置上與與H3尾部其它可以被修飾的氨基酸接近，使得它有可能與H3K9、 H3K14的甲基化、乙酰化修飾相互作用。此外，H3Ser28和H3Thrll(組蛋白H3的第28、11位蘇氨酸)也被發現能發生磷酸化[14]。

2.3組蛋白甲基化和去甲基化 組蛋白(histones，H)的甲基化一般發生在賴氨酸(lysine，K)殘基和精氨酸(arginine，R)殘基上，組蛋白H3的K4、 K9、 K27、 K36、K79和H4的K20均可被甲基化，精氨酸甲基化修飾可以發生在H3的R2、 R8、 R17、 R26和H4的R3。根據甲基化基團數量的不同，賴氨酸的甲基化修飾可分為3種修飾形式：一甲基化(me)、二甲基化(me2)、三甲基化(me3)修飾[15]。組蛋白的甲基化需要特異性酶的催化，該過程一般在組蛋白甲基轉移酶(histone methyltransferase，HMT)的協助下完成，因甲基化修飾靶點的差異，組蛋白賴氨酸(lysine，K)殘基的甲基化可以對轉錄起激活或抑制作用，其中組蛋白H3K9、 H3K27的甲基化通常導致基因轉錄的抑制，而組蛋白H3K4、 H3K79、 H3K36的甲基化則通常出現在活性染色質，促進靶基因的轉錄激活[16]。這項表觀遺傳標記參與了許多機體的病理、生理過程，如基因組印跡、異染色質形成、x染色體失活和轉錄調控，該表觀遺傳標記的紊亂可能導致癌變的發生[17]。(1)組蛋白H3K4的甲基化修飾：組蛋白H3K4的甲基化常常調控基因轉錄激活[18]。經過研究證實的可以催化組蛋白H3K4甲基化的甲基轉移酶主要是SETl-家族蛋白，包括SETIA、 SETIB、MLLl-4[19]。這些酶參與多種已知的生物功能的基因調控網絡，包括直接參與一些人類疾病。H3K4甲基化參與了多種生物學功能如基因轉錄調控，與組蛋白去乙酰化酶相互作用從而改變組蛋白甲基化修飾狀態等[20]。SMYD3，另一個H3K4的甲基轉移酶，在結直腸癌、肝細胞癌等腫瘤細胞中高表達，而且與其預后有關[21]。LSD1，一個能夠特異性去除組蛋白 H3K4的二甲基和一甲基修飾的去甲基化酶，在膀胱癌、肺癌、結直腸癌和神經母細胞瘤等腫瘤中明顯上調，而且往往伴隨著更差的預后[22]。(2)組蛋白H3K9的甲基化修飾：H3K9的三甲基化修飾(H3K9me3)是異染色質形成的關鍵表觀遺傳標記，而且與基因的轉錄抑制密切相關。同時，H3K9的乙酰化修飾(H3 K9ac)被認為是活性染色質的標志，它能夠阻止該氨基酸殘基的甲基化，因此在轉錄起始位點的周圍表達豐度較高。在前列腺癌和卵巢癌中，H3K9ac的下調往往與腫瘤進展相關。實際上，H3K9ac的表達水平還與腫瘤的組織病理分級和臨床預后相關[23]。 H3K9ac表達的下調往往伴隨著不良的預后已經獲得認同[24]。組蛋白H3K9me3水平的升高需要H3K9ac水平的降低，與H3K9的乙酰化一樣，其甲基化也與腫瘤關系密切。H3K9甲基化水平的升高，將導致異常的基因沉默，這一點已經在多種腫瘤中被證實，高水平的H3K9me3與胃癌患者的不良預后相關[25]。(3)組蛋白H3K27的甲基化修飾：H3K27的甲基化修飾主要與轉錄抑制相關。據報道，EZH2可催化H3K27發生甲基化，而Polycomb是可以與甲基化的H3K27結合的效應分子[26]。H3K27me3能夠通過促進更緊湊的染色質結構形成而負向調節靶基因轉錄。H3K27me3通常與基因沉默相關，尤其是在抑制不需要的分化進程的時候。在人類的多種癌細胞中，H3K27me3可以作為判斷預后的標志，但是，不同研究的結果相互矛盾，因此其用于判斷預后的價值讓入迷惑。

3 染色質重構

染色質重構有關的酶在基因表達、DNA復制和修復、細胞分裂等重要生物過程中發揮重要作用。SWI/SNF是第一個被發現的ATP依賴的染色質重構復合物，從酵母到人類都十分保守，具有影響基因表達及復制等DNA功能，與多種癌癥的發生相關。SWI/SNF的多個亞基的突變被發現與惡性腫瘤的轉化和進展有關。第一個被發現的是Inil，Inil在幼兒早期的類橫紋肌肉癌中發生突變，預后很差。而且這種突變主要發生在中樞系統和腎臟。在裸鼠模型中，Inil雜合子突變能夠發展成類似人類的類橫紋肌肉瘤。SWI/SNF其它亞基的突變或表達水平的變化也與惡性腫瘤相關。例如57%的卵巢透明細胞癌中發現了BAF250A亞基的突變，該突變在膀胱移行細胞癌中也比較常見[27]。其它研究中還發現BAF200A基因突變與丙型肝炎相關的肝癌有關，BAF180A亞基則與腎透明細胞癌的發生相關。

4 非編碼RNA

非編碼RNA(non-coding RNA，nc-RNA)是一種并不翻譯成蛋白的功能性的RNA分子。非編碼RNA包括大量功能上重要的RNA例如tRNA，rRNA，snoRNA(核仁小RNA)，miRNAs，siRNAs，snRNAs，exRNAs，and piRNAs和IncRNAs。在人體內，95%以上的RNA都是非編碼RNA，僅有不到5%的RNA屬于編碼RNA。nc-RNA參與了個體的生長發育的調控、細胞增殖、分化、凋亡等生命活動，nc-RNA與包括腫瘤在內的多種疾病有著廣泛的聯系。

4.1非編碼RNA與腫瘤的發生、發展 目前已經在多種惡性腫瘤中發現了miRNA豐度的異常變化，最近發現不少惡性腫瘤中的miRNA呈現低表達，譬如頭頸鱗狀細胞癌中let-7d和miR-205的表達水平下調[28]，前列腺癌中miR-373、miR-520c明顯低表達，肝癌組織中miR-101表達下調[29]。而另一些惡性腫瘤中miRNA則呈現高表達：胃癌組織中miR-27a的表達明顯增高，子宮內膜癌中miR-205、miR-449和miR-429表達明顯上調[30]。除此之外，某些異常表達的miRNA還與腫瘤的進展有關：miR-182的異常表達能促進黑色素瘤轉移；miR-27a與胃癌淋巴轉移相關；let-7d和miR-205的表達豐度與頭頸鱗狀細胞癌的預后呈負相關[31]。

4.2非編碼RNA與腫瘤的診斷和治療 腫瘤組織中異常表達的miRNA將來可能成為腫瘤診斷的分子生物標記。miRNA在決定細胞的分化方向中起作用，應用miRNA信號可以用來區分在病理學上尚難定義的分化類型。學者[32]的研究發現彌漫性大B細胞淋巴瘤(diffuse large B celllymphoma，DLBCL)中miR-155的表達豐度比正常B細胞高出幾十倍，由于DLBCL的I臨床預后非常差，miR-155的定量分析因此具有診斷意義。Xiao等則發現：miR-106a的表達水平與胃癌患者的TNM分期、分化程度、腫瘤大小、淋巴結轉移、遠處轉移等密切相關，miR-106a可能成為胃癌診斷的新型分子標記[33]。

非編碼RNA在腫瘤的治療領域也作出了許多重要探索。miRNA具有抑癌基因或致癌基因的功能。當具有抑癌基因功能的miRNA不表達或低表達時，可以導入外源性的miRNA；而當具有致癌基因功能的miRNA高表達時，則可利用miRNA inhibitor抑制miRNA的表達，從而達到腫瘤治療的目的。HDAC2在肝癌的發展過程中發揮重要作用，有學者[34]利用miR-370模擬物能在體外激活轉錄因子Fox03a的表達，明顯抑制肝癌細胞的生長。更令人振奮的是，RNA干擾(RNAi)技術甚至已經應用于I期臨床實驗，著名的Nature雜志刊文稱：服用含有siRNA的微球顆粒傳輸系統能在人體內靶向抑制某特殊基因的表達(黑色素瘤的活檢證實)，而且這種抑制作用是完全基于RNAi機制的[35]。因此我們不妨設想在不久的將來，只要明確了某腫瘤的特定致癌基因，就能通過RNAi技術進行該腫瘤的分子靶向治療。

5 總結

過去的二十多年，大量研究工作已經證明表觀遺傳修飾在腫瘤的發生和發展過程中發揮了關鍵作用，染色質結構的改變能夠影響基因的表達已被認同。但是本文中描述的表觀遺傳修飾和它們在腫瘤發生、增殖、侵襲轉移中的作用僅僅是“冰山一角”。腫瘤領域更大規模、更高水平的表觀遺傳學研究將有助于我們更深刻地了解腫瘤發生發展的機制，使我們有機會通過表觀遺傳修飾途徑干預原癌基因或抑癌基因的表達，影響腫瘤的轉歸。