胃癌的表观遗传学研究进展＊

陈 薇，张 雷

胃癌是我国常见的恶性肿瘤之一，正威胁着人类健康，其发病率仅次于肺癌，病死率位居第二［1］。绝大多数胃癌起病隐匿，早期无明显症状，或出现非特异性症状（如上腹不适、恶心、食欲缺乏等）而被忽略，往往错过治疗的最佳时期。 胃癌是多重因素相互作用所致，包括感染因素、年龄及性别因素、饮食习惯、精神因素等，其中幽门螺杆菌感染是罪魁祸首，已被国际癌症研究机构（IARC）划归为Ⅰ类致癌物质［2］，但其致病的分子机制尚不明确。 近年来，在生命科学领域，关于表观遗传学的研究报道层出不穷，已成为热门的研究方向之一。 随着对肿瘤研究的深入，大量证据表明表观遗传在胃癌［3］、淋巴造血系统肿瘤［4，5］、乳腺癌［6］等多种肿瘤的发生发展中发挥着举足轻重的作用。 因此，深入研究与表观遗传学有关的异常改变可能为胃癌的发病机制提供科学依据，进而为胃癌的预防、早期诊断及治疗提供新的思路。 该文就表观遗传学在胃癌中的研究进展做一综述。

1 表观遗传学的概念

与遗传学相对应，表观遗传学是研究在基因核苷酸序列不变的情况下， 基因表达发生的变化，这一过程是可逆的，并且可以通过有丝分裂和减数分裂遗传给下一代［7］。 它主要是通过DNA 甲基化（DNA methylation）、 组 蛋 白 修 饰 （histone modification）、 非 编 码RNA （non-coding RNA，ncRNA）作用等来调控基因的表达进而影响细胞的生长分化以及肿瘤的发生。 就目前对表观遗传学的认识来看，它可通过以下几方面来影响肿瘤的发生发展［8］：一是增强癌基因的表达或减弱抑癌基因的表达。 二是改变染色质结构的稳定性。 三是促进细胞分裂增殖或抑制细胞凋亡。 四是扰乱信号转导通路。 五是促进细胞侵袭和转移。

2 DNA 甲基化与胃癌

2.1 DNA 甲基化 目前， 研究得最清楚的表观遗传修饰当属DNA 甲基化， 即以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体，在DNA 甲基转移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的催化下，将甲基转移至DNA 双链中胞嘧啶（C）的第5 位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）。 现已知具有DNA 甲基转移酶活性的有3 种：DNMT1、DNMT3A 和DNMT3B。 维持甲基化主要有DNMT1 参与， 形成甲基化主要由DNMT3A、DNMT3B 负责［9］。 另外，还有两种非严格意义上的DNMT：DNMT3L 和DNMT2。 鉴于DNMT3L 缺乏关键的甲基转移酶催化结构域， 不具有催化活性，它主要负责调节以上三种甲基转移酶的活性［10］，DNMT2 通常被认为是RNA 甲基转移酶［11］。 常见的DNA 甲基化位点在胞嘧啶和鸟嘌呤（CpG）二核苷酸中的胞嘧啶上［12］。 CpG 二核苷酸主要以两种形式存在：一是以甲基化的状态散布于DNA 双链中；二是以非甲基化状态存在于CpG 岛（由于该区域富含CpG 二核苷酸而得名）， 即基因的启动子和第一外显子区域［13］。 许多研究提示，异常的DNA 甲基化是人类肿瘤中普遍存在的现象［14］。 全基因组的低甲基化常导致染色质的凝聚程度下降、 基因组不稳定、原癌基因激活等，而CpG 岛的高甲基化易导致抑癌基因、DNA 修复基因等的表达下调， 这将促使肿瘤的发生发展。

2.2 DNA 甲基化与胃癌的关系 多种抑癌基因表达异常可诱导胃癌的发生。 抑癌基因RASSF1A 可通过降低细胞周期蛋白D1（Cyclin D1）的表达，增加抑癌基因p27 的表达来抑制肿瘤细胞增长。 Joo等发现［15］，RASSF1A 在胃癌组织中的表达显著降低， 这通常是由RASSF1A 基因CpG 岛的启动子区域高甲基化所致。 凋亡相关蛋白激酶1（DAPK1）被认为是一种抑癌基因，该基因表达沉默与胃肠道肿瘤的风险密切相关。Yuan 等［16］进行Meta 分析发现，DAPK1 启动子甲基化与胃癌淋巴结（N）期、分化不良呈正相关，可作为潜在的早期诊断标志物。p16 蛋白可直接负调节细胞分裂增殖，Meta 分析表明［17］，在487 例胃癌患者和271 名健康对照者中，胃癌组p16 基因甲基化率的范围为28．3%～64．4%， 明显高于健康对照组的0～13．3%，p16 基因启动子高甲基化在胃癌的诊断中具有高特异性。 Qiu 等研究发现［18］，再生蛋白1A（REG1A）在胃癌组织中的含量显著降低，而REG1A 过表达可抑制胃癌细胞的侵袭、存活，促进胃癌细胞凋亡。 该基因启动子的高甲基化抑制了REG1A 在胃癌中的表达水平。 Wani 等发现［19］， 在胃癌病例中，DNA 错配修复基因 （如hMLH1）启动子区域CpG 岛高甲基化的频率明显高于正常样本（胃癌样本为72．9%（51/70），正常样本20%（14/70）（P=0．0001））。 目前，对基因低甲基化与胃癌的研究相对较少， 通过微阵列分析，Nishigaki等发现［20］，在胃癌中R-RAS 癌基因的激活主要是由该基因CpG 岛特定位点的去甲基化导致。 因此，研究DNA 甲基化对于了解胃癌的发病机制及治疗大有裨益。

3 组蛋白修饰与胃癌

3.1 组蛋白修饰 组蛋白（histones）是染色质中带正电荷的碱性蛋白质，富含精氨酸（Arg，R）和赖氨酸（Lys，K），主要分成5 类：H1、H2A、H2B、H3、H4。组蛋白与带负电荷的DNA 结合形成核小体即染色质的基本结构单位。 在组蛋白N-端有一个称为组蛋白尾的重要结构域，在该区域特异的氨基酸残基位点可以经相应的酶催化发生多种可逆的共价修饰，如乙酰化、甲基化、泛素化、磷酸化、Sumo 化、巴豆酰化、糖基化等［21］。 催化组蛋白修饰的酶主要有组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase，HAT）和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）、组蛋白甲基转移酶（histone methyltransferase，HMT）和组蛋白去甲基化酶 （histone demethylase，HDM）等。 通常， 乙酰化修饰位点有核心组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）的赖氨酸残基，甲基化修饰位点有组蛋白H3、H4 的赖氨酸残基和精氨酸残基［22］。 组蛋白修饰不仅能影响染色质的结构，而且是调控基因表达的重要枢纽［23］。2000 年，Strahl 等提出了组蛋白密码假说［24］，根据这个假说，一种或多种组蛋白修饰可以对DNA 表达的多个过程发挥精细的调控作用。 乙酰化是研究得最早最深入的修饰方式，研究人员认为，组蛋白乙酰化能中和该氨基酸残基的正电荷而减弱它与DNA 的结合能力， 引起核小体解聚，使得转录因子和DNA 聚合酶结合到DNA 上更容易，进而活化基因的转录，而去乙酰化则恰好相反［25］。 正常的生理功能离不开组蛋白修饰的调控，癌症的发生也与组蛋白异常修饰密切相关。 此外，催化组蛋白修饰的酶在肿瘤的发病过程中也扮演了重要的角色［26］。

3.2 组蛋白修饰与胃癌的关系 Song 发现［27］，异常激活的Wnt/β-catenin 和PI3K/Akt 信号通路可通过组蛋白H3 第27 位赖氨酸残基（H3K27）乙酰化修饰来调节上皮细胞-间充质转化（epi-tomesenchymal transition，EMT），促进胃癌细胞迁移。Altieri 等发现［28］，Gastrokine 1（GKN1）蛋白维持着胃黏膜的正常生理功能，而该蛋白在胃癌组织中表达下调， 其机制与H3K9me3 和甲基转移酶Suv39H1 在胃癌中的高表达密切相关。 Zhang 等研究发现［29］，染色质重塑蛋白（MORC）通过招募组蛋白去乙酰化酶1（HDAC1）来抑制P21WAF1/CIP1基因转录， 使得S 期及G2/M 期的细胞数量显著增加，最终促进胃癌细胞增殖。有报道称［30］，E3 泛素连接酶（ubiquitin-ligase enzymes） 在致癌过程中起着重要的作用，它可以催化许多蛋白质底物的泛素化。 部分E3 泛素连接酶在细胞周期和凋亡中的作用已得到验证，如MDM2 可介导抑癌基因p53 的泛素化及降解，进而促进细胞增殖；MKRN1 可负调控主要肿瘤抑制因子（包括p14ARF和p53 等）。 其他E3 泛素连接酶， 如Cbl/Cbl-b/c-Cbl，Cullin1 和Hakai 可能也在胃癌的发病过程中发挥重要的作用。 这些E3泛素连接酶在胃癌细胞中高表达，抑制它们的活性可导致细胞增长停滞或凋亡。

组蛋白的修饰作用并非独立，而是相互协同或相互拮抗的。 Lo 等提出［31］，组蛋白H3 第10 位丝氨酸残基（H3S10）磷酸化能促使组蛋白H3 第14 位赖氨酸残基（H3K14）乙酰化。Rea 等提出［32］，组蛋白H3 第9 位赖氨酸残基（H3K9）甲基化会抑制H3S10磷酸化。 多项研究显示，异常的组蛋白修饰可作为胃癌诊断和治疗的靶点。

4 非编码RNA 与胃癌

4.1 非编码RNA 非编码RNA（noncoding RNA，ncRNA）是指不翻译蛋白质的功能性RNA 分子，也就是在RNA 水平行使其生物学功能。 可分为看家非编码RNA（house keeping non-coding RNA）以及调控非编码RNA（regulatory non-coding RNA）。 调控非编码RNA 按其大小又分为两类： 长链非编码RNA （long ncRNA，lncRNA） 和短链非编码RNA（small ncRNA，sncRNA）， 后 者 包 括micro RNA（miRNA）、small interfering RNA（siRNA）等［33］。 借助高通量基因组分析可知，在所有RNA 中，编码蛋白的RNA 数量不足1．5%， 剩余的是非编码RNA［34］。 lncRNA 主要是通过顺式作用来调节基因表达，使该基因沉默［35］。 sncRNA 可通过异染色质化等来抑制DNA 转录，也可通过降解mRNA 来阻止RNA翻译 。

4.2 非编码RNA 与胃癌的关系 Obermannova 等研究表明［36］，miR-10b、miR-21、miR-143 和miR-145 的表达与胃癌的临床病理特征显著相关。 Zhao等研究表明［37］，lncRNA SNHG5/miR-32/KLF4 轴 在胃癌细胞迁移中发挥了重要作用，这可能有助于胃癌 的 诊 断 和 治 疗。 Zhang 等 证 实［38］，lncRNA LINC00628 可通过抑制细胞的增殖、集落形成来发挥抑制胃癌的作用。 此外，mRNA 芯片结果表明，LINC00628 还可通过远程调控细胞周期相关基因来 发 挥 胃 癌 抑 制 功 能。 Liu 等 发 现［39］，lncRNA XLOC_010235 通过与转录因子Snail1 结合来调节上皮细胞-间充质转化，促进胃癌转移。 miRNA-21是胃癌发生、发展的重要参与者，近年来，有学者试图通过研究miRNA-21 与TGF-β、Wnt 等信号通路的关系来探索胃癌的发病机制［40，41］。

各种表观遗传修饰在胃癌的发病过程中并非独立发挥作用。 Hu 等发现［42］，胃癌组织中lncRNASNHG1 的表达明显增高，lncRNA-SNHG1 可通过增加DNA 甲基转移酶1（DNMT1）的表达来促进胃癌细胞增殖，而且与胃癌TNM 分期、淋巴结转移以及患者生存时间密切相关。 有研究发现［43］，在胃癌细胞中， 上调miRNA-148a 的表达可促进RUNX3 这一抑癌基因的表达，其机制可能是miRNA-148a 通过降低DNA 甲基转移酶1（DNMT1）的表达活性来影响RUNX3 基因启动子区域的甲基化状态。 随着胃癌进展多因素的深入研究，DNA 甲基化、 组蛋白修饰、 非编码RNA 调控在胃癌发生发展中的相互作用必将会更加明晰，从而为胃癌的早期诊断和治疗提供基础。

综上所述，相对于基因序列的改变，表观遗传修饰的转变更容易调控，更容易逆转，由此可见这为胃癌的预防和诊治展现了广阔的前景。 近年来，尽管很多学者在胃癌表观遗传学研究方面取得了令人瞩目的成绩，仍旧面临着很多挑战。 例如，表观遗传调控在胃癌发展各阶段的确切分子机制尚无定论，各种表观遗传修饰之间及其与各基因、各信号通路等的相互作用不清楚，在多种表观遗传调控作用中，哪些发挥主要作用，哪些发挥次要作用等。相信随着冷冻电子显微镜、高通量测序等技术的发展，将会更深入地认识表观遗传学，为胃癌等疾病的预防、诊断及治疗开拓新的道路。