表观遗传学在胃癌中的研究进展△

杨梦迪，王学红，张梅

青海大学附属医院消化内科，西宁810000

关键字：胃癌；表观遗传学；DNA甲基化；组蛋白修饰；非编码RNA调控

胃癌在全球范围内的发病率极高，其中，约50%的胃癌发生于东亚，是某些国家恶性肿瘤患者病死的首要原因，中国更是胃癌的高发国家[1]。尽管手术和辅助治疗方法对胃癌患者的预后有所改善，但中国胃癌患者的5年生存率仅为35.9%，并高度依赖于临床分期，死亡仍是绝大多数胃癌患者的预后结局[2]。虽然，幽门螺杆菌感染、癌前病变、遗传和不良生活方式等多种因素影响着胃癌的发生和发展，但是，胃癌是多阶段、多途径发展的疾病，涉及多种基因的调节，其具体发病机制尚不十分清楚[3]。在经典遗传学中，由于DNA结构突变引起的逐步有序的致癌基因激活和抑癌基因失活被认为是导致多阶段癌变的分子框架，但是，仅凭基因突变事件本身并不能够解释整个致癌过程。事实上，很多因素（遗传因素、表观遗传因素和环境因素）均可能导致胃癌的发生。与经典遗传变异相似，表观遗传改变也可改变基因的结构和功能，并影响细胞的分化和多能性。表观遗传学是研究基因表达的一门学科，表观遗传的变化对胃癌的发生起重要的作用，因此，对胃癌表观遗传机制的研究具有十分重要的意义。本文对表观遗传学在胃癌中的研究进展进行综述。

1 DNA甲基化与胃癌的关系

DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰，主要发生于富含CpG的DNA启动子区域，受DNA甲基转移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的调控，在DNA序列中加入或减去胞嘧啶残基，从而形成5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5-mC）[4]。5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5-hmC）是DNA去甲基化的中间产物，由10-11易位（ten-eleven translocation，TET）家族蛋白氧化5-mC产生，存在于包括肌肉、肺、肾和心脏在内的许多组织中，尤其在大脑和胚胎细胞中高度表达[5]。5-hmC被称为“第6种碱基”，与基因表达有关，同时其修饰相对稳定，是肿瘤中一种重要的表观遗传修饰。在生理状态下，5-hmC表达可通过特异性去甲基化使CpG岛处于非甲基化状态。但在胃癌发生时，5-hmC水平的降低使组织局部发生甲基化[6]。DNA甲基化是维持机体功能的重要前提，异常的DNA甲基化可能引起癌变。

1.1 启动子区域甲基化介导的基因沉默机制

CpG在人体内以2种形式存在，一种呈高度聚集状态，称为CpG岛；另一种则分散于DNA序列中。CpG岛又分为中心区域和边缘区域两部分。中心区域具有特异性抑制甲基化发生的作用，从而使富含双核苷酸“CG”的CpG岛呈非甲基化状态[7]。边缘区域又称过渡CpG位点，是低甲基化基因和高甲基化逆转录因子之间的甲基化可变位点。管家基因启动子区含有丰富的CpG岛，始终处于低甲基化以保持活性转录状态，以维持细胞基本生命活动。当有害因素刺激CpG岛时，基因活性改变导致转录异常，加上维持甲基化模式的酶调节失控，极易发生高甲基化。启动子区域高甲基化状态引起基因的表观遗传学沉默被认为是肿瘤发生机制的重要组成部分。在癌变过程中，CpG岛区域的DNA甲基化水平逐渐升高，可通过招募DNA组蛋白促进染色质的高度浓缩和染色体结构的改变，从而导致基因组DNA不稳定，同时沉默特定抑癌基因导致其失活，从而促进胃癌的发生、发展[8]。

Sepulveda等[9]对不同胃黏膜中的基因样本进行甲基化阵列筛选，发现与非化生胃黏膜相比，胃癌及肠化生胃黏膜中有13个基因的CpG甲基化明显增加，其中，大多数肠化生胃黏膜中的CpG甲基化程度甚至高于胃癌胃黏膜，提示它们可能调控癌前病变向癌的转化。Leodolter等[10]对胃癌组织、癌旁正常组织、幽门螺杆菌相关性胃炎组织进行甲基化检测，观察到胃炎组织及癌旁正常组织均发生全基因组低甲基化，进一步揭示了表观遗传改变在癌变早期阶段的可能作用。上述研究表明，CpG甲基化是表观遗传基因调控肿瘤相关基因的中心机制，异常的DNA甲基化不仅是终末期恶性肿瘤的特征，也是胃癌发病机制中的早期事件和驱动事件。因此，建立和维持DNA甲基化状态是检测和诊断肿瘤的关键。然而，基因特异性高甲基化和全基因组低甲基化被认为是致癌的独立事件，因此，甲基化在肿瘤发展中的作用仍不明确，需进一步探究。

1.2 胃癌相关基因的甲基化

在众多类型的肿瘤中，肿瘤抑制基因被鉴定为高甲基化启动子，与甲基化结合蛋白相结合，通过染色质重塑、DNMT招募转录抑制因子和蛋白异常翻译等过程抑制转录[11]，导致抑癌基因失活、基因表达缺失及表观遗传沉默，从而引发恶性肿瘤。

1.2.1p16基因p16基因又称多肿瘤抑制基因（multiple tumor suppressor 1，MTS1），可抑制 G1期进程的细胞周期，是常见的抑癌基因之一，其功能的丧失可导致细胞周期发生紊乱，加速细胞的生长。在胃癌中，CpG岛高甲基化使蛋白质异常翻译，以基因突变、启动子区甲基化或纯合缺失为主要的失活方式，导致p16基因失活，进而导致细胞的分裂增殖失去控制。Guo等[12]对106例胃癌患者和18例健康者的外周血样本进行甲基化特异性聚合酶链反应（methylation-specific polymerase chain reaction，MSP）分析，结果显示，在胃癌患者的胃癌组织中，p16基因的甲基化阳性率为72.6%（77/106）；在健康者的正常胃黏膜组织中，p16基因的甲基化阳性率为5.6%（1/18），这说明p16基因可作为早期胃癌的潜在标志物。Peng等[13]对9项关于中国胃癌患者胃癌组织中p16基因启动子甲基化的研究进行Meta分析，共涉及487例胃癌患者和271例健康对照者，发现胃癌患者的甲基化率为28.3～64.4%，中位甲基化率为43.3%。健康对照者的甲基化率为0～13.3%，中位甲基化率为0。胃癌患者的甲基化率高于健康对照者（P＜0.05），提示DNA甲基化是p16基因致癌的主要机制。

1.2.2hMLH 1基因人类同源突变体1（human mutL homolog 1，hMLH1）基因属于人类DNA错配修复基因的一种，可编码DNA修复蛋白。Ma等[14]研究发现，胃癌组织中hMLH1的阳性表达率（64.3%）明显低于邻近黏膜（84.4%）、胃黏膜（82.4%）和正常黏膜（80.0%）（P＜0.01）。hMLH1基因密码子可发生C-T突变，使细胞的错配修复功能降低，导致遗传基因复制错误或微卫星不稳定，从而引发恶性肿瘤。

1.2.3RASSF 1 A基因Ras相关区域家族1A（Ras association domain family 1A，RASSF1A）是一种新型的候选抑癌基因。RASSF1A基因启动子区域异常甲基化可通过抑制细胞周期蛋白D1的积累而使细胞周期停止，导致RASSF1A失活。Balgkouranidou等[15]研究发现，胃癌组RASSF1A基因启动子高甲基化的发生率为34.0%～68.5%，明显高于正常对照组（P＜0.01)，表明RASSF1A启动子的甲基化状态可作为胃癌诊断的候选分子标志物之一。

1.2.4Prx基因 过氧化物酶（peroxiredoxin，Prx）是一类广泛存在的硫醇过氧化物酶，其功能是作为一种氧化还原信号调节器，控制哺乳动物细胞中的氧化还原反应。研究发现，在28个胃癌细胞系中，PrxⅡ在9个胃癌细胞系中的表达严重下调，甚至在3个细胞系中完全消失[16]，这是由于DNMT必须依赖于PrxⅡ才能维持基因启动子区域的正常甲基化，提示PrxⅡ基因甲基化与胃癌的发生、发展密切相关。

1.2.5SFRP基因卷曲相关蛋白（secreted frizzled-related protein，SFRP）是一种可溶性蛋白，是WNT信号通路的负调节剂。SFRP的过表达会阻断WNT信号通路，并调控胃上皮细胞的增殖、分化和凋亡，从而向胃癌发展[17]。DNMT抑制剂能够迅速地恢复SFRP的正常表达，充分证实了SFRP基因是人胃癌细胞中的异常表观遗传修饰之一。

1.3 DNA甲基化与胃癌治疗

在胃癌发生、发展的过程中，异常甲基化会导致抑癌基因失活，而5-氮杂-2’-脱氧胞苷通过抑制DNMT的表达减少启动子区域的甲基化，使一些抑癌基因重新激活。表观遗传修饰的可逆性使其成为胃癌治疗的潜在靶点。DNMT抑制剂分为腺苷类DNMT抑制剂、非腺苷类DNMT抑制剂两类，目前主要应用于血液系统肿瘤、肺部恶性肿瘤，并取得一定的治疗效果。Nakamura等[18]通过对多个胃癌细胞系进行抗甲基化药物体外筛选检测发现，不同细胞系对抗甲基化药物的敏感性不同。然而，这类研究还需要进一步深入，以便根据药物的作用靶点、浓度和用药时间等综合考虑，筛选出对不同胃癌细胞系具有特异敏感性的新型药物。表观遗传药物在治疗肿瘤方面的临床益处仍在不断显现，低剂量药物治疗和联合疗法（例如联合化疗或放疗）将是下一步研究的重点。

2 组蛋白修饰与胃癌

组蛋白位于核小体中央，相对分子量为10 000～20 000，呈碱性，是染色质的主要成分之一，可在翻译后修饰。组蛋白修饰由相应的修饰酶调节，通过改变DNA的凝聚或启动效应分子控制下游基因的表达，影响染色质的整体结构。甲基化、乙酰化是重要的组蛋白修饰方式，可调控基因的表达，并参与细胞存活、细胞身份维持和细胞重编程等过程。

2.1 组蛋白甲基化

组蛋白甲基化在常染色质组蛋白甲基转移酶（euchromatin histone methyltransferase，EHMT）的催化下，最终以依赖残留物的方式介导基因激活或沉默。组蛋白H3第9位赖氨酸（histone H3-lysine 9，H3-K9）的甲基化与基因的失活有关[19]。H3-K9翻译后修饰在调节靶蛋白功能、定位和稳定性方面发挥着关键性的作用，是发生DNA甲基化的先决条件。Popovic和Licht[20]揭示了H3-K4甲基转移酶和H3-K27甲基转移酶与肿瘤的发生有关。在胃癌细胞中，组蛋白甲基化以H3-K9高甲基化、H3-K9低乙酰化和H3-K4低甲基化为特征，在胃癌细胞基因的转录调控中起着重要的作用[21]。DNA甲基化与组蛋白甲基化在表观遗传沉默中具有相互加强的关系。

2.2 组蛋白乙酰化

组蛋白乙酰化受竞争性酶家族组蛋白乙酰转移酶（histone acetyhransferase，HAT）和组蛋白脱乙酰酶（histone deacetylase，HDAC）的调控。HDAC组蛋白N-乙酰赖氨酸残基的脱乙酰与DNA负电荷紧密结合，导致染色质致密卷曲，基因转录受到抑制。有研究发现，HAT在胃癌组织中的表达下调，抑制了H3-K9的乙酰化，并促进了H3-K9的甲基化，从而使基因沉默；同时，HDAC的高表达可以靶向修饰组蛋白的残基，重新激活沉默的肿瘤基因，而且可通过改变染色质的重塑直接导致癌变[22]。

另一方面，组蛋白修饰对细胞信号通路具有影响。异常的组蛋白修饰在肿瘤中具有识别功能，基因启动子中的二价结构域被作为基因转录激活的“开关”，介导某些基因谱的表达。因此，由相关异常酶或突变基因引起的这种“开关”的破坏将影响异常基因的表达，从而形成肿瘤。由于组蛋白修饰在肿瘤细胞和正常细胞之间的差异以及组蛋白修饰异常对维持肿瘤细胞身份的积极作用，组蛋白标记在区分肿瘤细胞与正常细胞中起着至关重要的作用。

3 非编码RNA与胃癌

目前已知仅有1.5%～2.0%的人类基因组具有编码蛋白质的能力，基因组的其余部分由非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）组成[23]。ncRNA调控是指RNA通过某些机制实现对基因转录及转录后的调控。越来越多的数据表明，ncRNA参与多种肿瘤的发生，包括胃癌。

微小RNA（microRNA，miRNA）广泛存在于真核细胞，是目前研究的热点。Liang等[24]研究发现，微小 RNA-103a（microRNA-103a，miRNA-103a）在胃癌组织中的表达下调，且与胃癌细胞的增殖、侵袭和迁移密切相关。Ma等[25]研究发现，微小RNA-223（microRNA-223，miRNA-223）在胃癌组织中的表达上调与幽门螺杆菌感染有关，并可通过一定的机制促进胃癌细胞的增殖和迁移。Yepes等[26]发现miRNA的表达与胃癌的发生及胃癌病理分型有关。上述研究说明，miRNA在胃癌中发挥了重要的作用。miRNA虽无法直接参与蛋白质的转录和翻译，但可与靶基因的信使RNA（messenger RNA，mRNA）结合，参与细胞的增殖、侵袭、分化和凋亡等。

长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）可通过多种途径参与转录和表观修饰，在维持正常生物功能中起着重要的作用。越来越多的研究证实，lncRNA在胃癌的进展过程中起调节作用[27-28]。Gu等[29]采用高通量测序法对3例胃腺癌患者胃腺癌组织和癌旁组织中lncRNA的表达谱进行鉴定，发现与癌旁组织相比，胃腺癌组织中有74个lncRNA存在表达差异，包括43个lncRNA的表达上调和31个lncRNA的表达下调，提示lncRNA在胃癌中起到重要作用。

4 小结与展望

由于胃癌起病隐匿，缺乏有效的早期诊断标志物，使胃癌患者确诊时已处于无法进行根治性手术的晚期阶段。目前人们已经认识到表观遗传学的改变是胃癌形成过程中的早发、频发事件，可以从表观遗传分子水平为肿瘤的早期诊断及治疗开辟道路。表观遗传学无疑是胃癌研究的新前沿，虽然仍面临着许多挑战，但是在寻找到全面、有效的治疗策略前，仍需对基因研究、分子检测、基因测序等生物信息学分析技术不断改进，为研究胃癌的发生机制、早期诊断、预后评估以及临床治疗提供新的策略。