溃疡性结肠炎相关结直肠癌的基因组和表观遗传不稳定性

邓勇彬* 综述 王承党 审校

福建医科大学附属第一医院消化内科 福建医科大学消化系病研究室（350005）

溃疡性结肠炎相关结直肠癌（ulcerative colitis-associated colorectal cancer,UcCRC）是溃疡性结肠炎（UC）最严重的并发症，UC患者UcCRC总体患病率约为3.7%，10年、20年、30年累积发病率分别为2%、8%、18%[1]。UcCRC的发病机制尚未明确，近年来，由遗传易感性与环境因素共同作用引起的、结直肠黏膜慢性炎症背景下的遗传学改变，包括基因组不稳定性（genomic instability）和表观遗传不稳定性（epigenetic instability）在UcCRC发生、发展中的作用备受关注。基因组不稳定性常表现为染色体不稳定性（chromosomal instability,CIN）和微卫星不稳定性（microsatellite instability,MSI），表观遗传不稳定性常表现为CpG岛甲基化表型（CpG island methylator phenotype,CIMP）。本文就UcCRC的上述遗传学改变作一综述。

一、CIN

CIN是结直肠癌（CRC）基因组不稳定性最常见的类型，见于80%～85%的结直肠肿瘤[2]。CIN包括全染色体不稳定性（whole chromosomal instability,W-CIN）和结构染色体不稳定性（structural chromosomal instability,S-CIN），前者可促进细胞有丝分裂中期姐妹染色体错误分离，从而增加整条染色体丢失或获得的概率，使二倍体细胞成为非整倍体（aneuploid）；后者则引起染色体结构改变，包括染色体易位、染色体臂丢失、大片段染色体扩增等。

1.W-CIN

①W-CIN与非整倍体：正常有丝分裂细胞中，有丝分裂检查点可确保染色体高保真分离。有丝分裂检查点的核心组分包括 Bub1、BubR1、Bub3、Mad1、Mad2，这些基因以及其他调节有丝分裂的基因如Aurora激酶家族（具有调节微管-着丝粒连接和诱导中心粒扩增功能的丝/苏氨酸激酶）突变和表达异常可能引起W-CIN，表现为非整倍体发生率增加[3]。有研究[4]发现长病程UC患者结肠异型增生黏膜中的Bublb蛋白表达较非异型增生黏膜增高，Aurora A蛋白表达降低，非整倍体发生率增加。另有研究[5]显示CRC组织中Bub1b、Mad2、Aurora A、Aurora B蛋白均呈过表达，Bub1b在非整倍体癌组织中的表达显著低于整倍体癌组织。上述发现提示了Bulb1b、Aurora A表达异常在非整倍体发生中的作用。

长病程UC患者不伴异型增生、伴不确定异型增生、伴明确异型增生结肠黏膜和癌组织的非整倍体检出率分别为19%、28%、28%、55%，表明在UC至UcCRC的演进过程中，非整倍体的发生率逐渐增加[4]。此外，非整倍体尚与UC的病变范围和病程相关。一项纳入368例UC患者的大型队列研究[6]显示，8.7%的UC患者检出非整倍体，检出率随UC病变范围的扩大而增加（局部结肠炎2%，广泛结肠炎6.8%，全结肠炎14.9%），病程超过10年的UC患者非整倍体检出率显著增加。综合上述研究结果，提示非整倍体的出现为UC癌变过程中的早期事件，其出现早于异型增生，可能作为UC癌变的监测指标。

②W-CIN与抑癌基因LOH：W-CIN系通过抑癌基因杂合子丢失（loss of heterozygosity,LOH）发挥致癌作用[7]。与散发性CRC（SCRC）不同，UcCRC发生过程中APC基因改变少见，p53基因改变多见且出现于癌变早期。研究[8]显示UC患者不伴异性增生、伴不确定、低度、高度异型增生结肠黏膜和癌组织的p53 LOH发生率分别为6%、9%、33%、63%、85%，表明p53 LOH的发生率随UC癌变进程而逐渐增加。另有研究[9]发现p53 LOH与UC病变范围和癌变风险相关，按癌变风险分层，正常结肠黏膜、左半结肠炎、全结肠炎、伴硬化性胆管炎、伴异型增生的UC结肠黏膜p53 LOH发生率分别为0.2%、9%、35%、71%、89%。在不伴异型增生、伴不确定或低度异型增生的UC结肠黏膜中，非整倍体较p53 LOH更为常见，且p53 LOH仅见于非整倍体细胞[8]，提示非整倍体的出现先于p53 LOH，支持W-CIN通过抑癌基因p53 LOH参与UcCRC发生的观点。

此外，在UC再生黏膜、异性增生至UcCRC的演进过程中，抑癌基因 p53（3 个标记位点）、BRCA1、p16INK4A、ST-7、Rb、Smad4、FHIT中3个或3个以上LOH的检出率逐渐增加（17%、23%和62%），各抑癌基因LOH在三种组织学形态中的检出率有明显差异，如Rb LOH在癌组织中检出率最高（50%），FHIT在低度异型增生组织中检出率最高（50%），而Smad4在再生黏膜中检出率最高（37.5%）[10]。推测W-CIN系通过不同抑癌基因LOH，在UC癌变过程中的不同阶段发挥作用。

2.S-CIN

①端粒与S-CIN：端粒是位于真核细胞染色体末端的核酸-蛋白复合体，具有保护染色体末端，防止其降解和融合的功能，能维持染色体的稳定性和完整性。端粒的平均长度随细胞分裂次数的增多和年龄的增长而逐渐变短，导致染色体稳定性下降。端粒缩短在恶性肿瘤发生中的作用具有双向性，如DNA损伤检查点功能完整，则端粒缩短参与抑癌机制，反之则参与S-CIN的发生机制。UC时结肠细胞的快速更新和氧化损伤可能加速端粒缩短，从而增加染色体末端融合的可能性，导致染色质桥断裂-融合循环和S-CIN。有研究[11]分析了正常对照者以及非进展期UC（不伴异型增生和癌）、进展期UC（伴异型增生或癌）患者非异型增生结肠黏膜的染色体畸变和端粒缩短情况，发现染色体臂丢失与端粒缩短高度相关，进展期UC染色体臂丢失和端粒缩短更为显著，同时有丝分裂后期桥（染色质桥断裂-融合的中间产物）出现频率显著增高，支持UC癌变过程中的S-CIN与端粒缩短相关。

研究[12]显示UC患者结肠细胞端粒长度随年龄缩短的速度为正常对照者的两倍，该现象发生于UC病程的前8年，与临床上UC起病8年后癌变风险增高相一致。端粒酶能以自身RNA为模板合成端粒的重复序列，以维持端粒长度的稳定性。研究[13]发现UC患者结直肠黏膜端粒酶活性较正常对照者显著降低，并与炎症程度呈负相关，即使是显微镜下表现正常的UC结直肠黏膜，端粒酶活性亦降低，提示端粒酶活性降低参与了UC的发病；端粒酶在CRC组织中则呈高表达。另一项研究[14]发现端粒酶催化亚单位人端粒酶逆转录酶（hTERT）mRNA表达在CRC组织中显著上调，在UC结肠黏膜从慢性炎症至上皮内瘤变的演进过程中则无明显变化，提示端粒酶激活是UcCRC发生过程中的晚期事件。

②S-CIN与染色体结构改变：UcCRC肿瘤细胞常因SCIN而出现染色体易位、部分丢失、扩增。纳入32例UcCRC和42例SCRC的研究[15,16]发现这些变化见于90%的SCRC、94%的UcCRC、86%的UcCRC患者异型增生组织和36%的UcCRC患者非异型增生组织；UcCRC与SCRC的染色体改变数目相似（8.6/例对 8.1/例），两者共有的改变为 18q、8p、17p丢失和 8q、20q、13q获得，但5q丢失率有明显差异（56%对26%），染色体8改变仅与UcCRC进展相关，而18q丢失仅与SCRC进展相关。对5例长病程UC的分析显示，结肠各部位标本均常见染色体部分扩增和丢失，其中染色体 2、3、6、9、11、12、15 扩增几乎可见于所有标本（多处于癌前状态）[17]。一项对19例UcCRC的分析显示，常见20q（84%）、7、8q、13q（均为 74%）、11p、12（均为 42%）、5p、18p（均为 37%）、17q（31%）获得，8p（58%）、18q（47%）、5q（26%）丢失，以及 8q、5p、12p、13q、18p、20q 扩增[18]。 另一项对 13 例UC伴异型增生/UcCRC的分析显示，常见4p、5q、18q丢失（21%～31%），1q、5p、6p、7p、7q、8p、8q、11p、11q、12q、14q、17q、19q、20p、20q 获得（21%～73%），最主要的改变为 5p、20q 获得和4p丢失，见于所有UcCRC患者[19]。上述研究结果表明，在UcCRC中，染色体臂获得较丢失更为常见。

二、MSI

在正常细胞的DNA复制过程中，错配修复（mismatch repair,MMR）系统能及时发现并修复错配的碱基，纠正DNA复制错误。MMR 基因（包括 hMSH2、hMLH1、hPMS1、hPMS2、hMSH6、hMLH3）表达异常可导致DNA复制过程中碱基错配修复功能缺陷，微卫星位点错配碱基增加，出现MSI。不同类型CRC的MSI发生途径不同，SCRC系因hMLH1甲基化致基因表达沉默、功能缺失，UcCRC则与hMLH1甲基化和hMSH2 LOH有关。UC癌变与高度MSI（MSI-H）显著相关[20]。

UC癌变早期即存在MSI。据文献报道，UcCRC的MSI发生率为8%～21%，UC伴异型增生为13%～19%，非异型增生UC炎症和再生上皮中亦可检出MSI[21]。在非肿瘤性UC炎症上皮中，MSI≥2更常见于病程长、炎症严重但不伴异型增生或癌的患者，提示MSI的发生与反复炎症应激相关[22]。

MMR基因突变、功能缺失引起的DNA复制错误更易发生于编码区含有短核苷酸重复序列、内在稳定性较差、本来就易发生DNA复制错误的靶基因，如转化生长因子β受体Ⅱ（TGFβRⅡ）、胰岛素样生长因子-2 受体（IGF2R）和 BAX，DNA复制错误所致的MSI使这些基因丧失对结肠细胞内稳态的调节功能，导致肿瘤形成[23]。研究[20]发现不伴异型增生、伴不确定异型增生、伴明确异型增生的UC患者和UcCRC患者，结肠黏膜靶基因（TGFβRⅡ、hMSH3、MBD4、BAX、hMSH6）移码突变检出率分别为0%、27%、20%、36%，以TGFβRⅡ移码突变最为常见，并与组织学分级较差显著相关。由此推测UC癌变与MSI途径所致的TGFβRⅡ突变密切相关。TGF-β1是一种多功能蛋白，可影响多种细胞的生长、分化、凋亡并具有免疫调节功能。TGFβRⅡ突变、表达缺失可能使结肠细胞失去对TGF-β1的应答。

此外，在UC患者的再生黏膜、异型增生和癌组织中，近抑癌基因p53、BRCA1、p16INK4A、ST-7、Rb、Smad4、FHIT处均可检测到MSI[10]，提示MSI可能通过使抑癌基因突变失活参与UC癌变过程。

三、CIMP

CpG岛为基因组中富含CpG二核苷酸的区域（C：胞嘧啶，G：鸟嘌呤，p：使两者相连的磷酸酯键），主要存在于基因5’区域。启动子区CpG岛处于未甲基化状态为基因转录所必须，CpG序列中的胞嘧啶甲基化可致基因转录抑制，导致基因沉默和功能缺失。

DNA 甲基化可分为 A 型（ESR1、GATA5、HIC1、HPP1、SFRP1 等）和 C 型（MGMT、MLH1、CDKN2A、MINT2、MINT31、IGF2、CACNA1G、NEUROG1、SOCS1、RUNX3 等），A 型基因甲基化常见于正常和肿瘤组织，甲基化程度与组织年龄相一致，C型基因甲基化则多为肿瘤特异性[24]。UC异型增生/UcCRC患者常见年龄相关A型基因甲基化，而肿瘤相关C型基因甲基化较少见，提示肿瘤细胞可能主要源自过早衰老的结直肠上皮细胞[25]。与非肿瘤性UC患者的结肠黏膜相比，UcCRC及其远端非肿瘤性黏膜的 p16、RUNX3、MINT1、MINT31甲基化率显著增高，COX-2、E-cadherin甲基化率显著降低[26]。 UcCRC 的 MGMT、MINT1、MINT2、MINT31、hMLH1、p16、p14、HPP1、SFRP1、ERα、LINE-1 甲基化水平均明显低于SCRC，两者的CIMP发生率存在显著差异（17%对38%）[27,28]，提示甲基化在UcCRC发生中的作用低于SCRC。

抑癌基因p14ARF由INK4a/ARF基因位点编码，能稳定和活化p53，以p53依赖性的方式诱导细胞周期阻滞或凋亡。p14ARF甲基化为UC癌变过程中常见的早期事件，研究显示正常结肠黏膜、非肿瘤性UC黏膜、UC伴异型增生黏膜、UcCRC 的 p14ARF甲基化率分别为 3.7%、60%、33%、50%[29]，且p14ARF甲基化更多见于病程较长的UC患者[30]。

由CDH1基因编码的E-cadherin是一种钙离子依赖性细胞间黏附分子，其表达和功能缺失与结直肠癌的低分化和高侵袭性相关。与SCRC相比，UcCRC CDH1甲基化率较高（57%对 36%），伴E-cadherin表达减低，提示CDH1甲基化可能与UcCRC的高侵袭性有关[31]。

四、结语

综上所述，UC至UcCRC演变过程中的遗传学改变包括W-CIN（引起抑癌基因LOH）、S-CIN（引起染色体易位、部分丢失、扩增）、MSI（引起靶基因突变失活）和CIMP（引起靶基因沉默），这些改变在UcCRC发生、发展过程中的出现频率和时机各不相同，对其作进一步的深入研究有助于发现UcCRC预防、治疗、随访的靶点和分子标记。

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