陈 强 宋剑非
(1 桂林医学院研究生院,广西桂林市 541004,电子邮箱:cqiang1215@163.com;2 桂林医学院第二附属医院胸外科,广西桂林市 541100)
【提要】 肺癌是目前全球范围内肿瘤相关死亡的主要原因之一,其发生发展是一种永久性的遗传学和动态的表观遗传学改变相互作用的结果。近年来,随着表观遗传学相关研究不断发展,现已有许多研究机构证实表观遗传学包括DNA甲基化、组蛋白甲基化、组蛋白乙酰化、微小RNA和染色体构型改变等。本文就目前表观遗传学在早期肺癌诊断与治疗中的研究进展进行综述。
目前,肺癌是全球恶性肿瘤相关死亡的主要因素之一,其5年生存率不超过20%,现普遍认为发现不及时、诊断延误是引起其极高病死率的主要原因[1]。近些年的研究已经证实,表观遗传学在肺癌的早期发展中起着重要作用,这也使其成为肺癌治疗中新的研究热点。因此,本文主要就目前表观遗传学在早期肺癌诊断与治疗中的研究进展进行综述。
1.1 DNA甲基化 DNA甲基化指DNA基因组中胞嘧啶磷酸-鸟嘌呤(cytosine phosphate-guanine,CpG)二核苷酸的胞嘧啶5′碳原子在DNA甲基化转移酶(DNA methyltransferase,DNMT)作用下以共价键结合一个甲基基团,并在细胞分裂过程中传递给子细胞的遗传现象[2]。DNA甲基化在细胞分化、胚胎发育、环境适应和疾病发生发展中扮演重要的角色,是目前表观遗传学研究的热点领域之一。在哺乳动物基因组的大多数序列中,CpG二核苷酸序列出现的比例远低于其他二核苷酸的胞嘧啶序列,但有一些长度为0.5~4 kb区域的CpG密度很高,称为CpG岛(CpG island,CGIs)。CpG岛多位于基因的5′端,其作用是调控下游基因表达[3]。在正常情况下CGIs内CpG二核苷酸保持非甲基化状态。研究证实,在肺癌等肿瘤细胞中,正常基因组内广泛低甲基化以及某些抑癌基因CpGs区域的甲基化是其主要特征[4]。抑癌基因的高甲基化可致染色体旋转程度增加及抑癌基因沉默和表达缺失,从而引起肿瘤生长[5]。除了抑癌基因,DNA修复基因、凋亡基因、微小RNA等都存在甲基化现象。
1.2 DNA甲基化与肺癌的诊断 许多研究已证实,DNA甲基化几乎与所有肿瘤的发生有关,并在早期癌前病变时就已出现,因此在早期肺癌中DNA的异常甲基化可成为肺部肿瘤诊断、监测的生物标志[6]。DNA甲基化用于临床诊断有以下优点:(1)特异性CpG异常甲基化出现的频率高于细胞突变;(2)DNA异常甲基化的检测敏感性高,只要癌前组织中异常甲基化程度高于正常即可检测到;(3)部分异常甲基化可出现在早期肿瘤组织中,更有利于早期诊断[7]。正常人外周血中普遍存在少量游离的DNA,而肿瘤细胞坏死产生的DNA又能游离至外周血、痰液、尿液中,因此检测这些体液中DNA甲基化水平可以作为一种方便、快捷、特异性高而又无创的技术[8-10],能有效解决早期肿瘤组织不易发现及检测的困难。虽然检测特异性DNA异常甲基化可能不是理想的方法,但检测全局DNA甲基化可作为诊断早期肺癌的一种特异性方法[11]。
目前,外周血是用来检测早期肺癌异常甲基化比较理想的样本,研究较多的关于非小细胞肺癌的甲基化位点均在血浆/血清中被检测出存在异常DNA甲基化现象,如Hsu等[12]的研究中,检测肺癌患者血浆BLU、CDH13、FHIT、p16、RARβ和RASSF1A基因中任意两者的甲基化对肺癌诊断的敏感性和特异性均分别可达73%和82%以上,可作为非小细胞肺癌早期诊断的潜在标志物。在从非小细胞肺癌患者体内获得的支气管肺泡灌洗液中,有24%的样本能观察到细胞周期调节剂-细胞周期蛋白依赖性激酶抑制蛋白2A启动子的甲基化[13],而细胞周期蛋白依赖性激酶抑制蛋白2A的启动子甲基化已被证明是细胞增生中最早的事件之一[14]。
1.3 DNA甲基化与肺癌的治疗 DNA甲基化具有可逆性,因此逆转甲基化改变成为更有效的抗癌治疗潜在策略,也为目前早期肺癌的治疗开辟了新的途径。阿扎胞苷和地西他滨是目前使用最广泛的DNA甲基转移抑制剂。阿扎胞苷可通过磷酸化分解成DNA和RNA;而地西他滨不需要预先进行体内脱氧转化即可直接与DNA结合,从而抑制DNMT,使其成为更有效的抑制剂[15]。服用阿扎胞苷或者地西他滨可以在基因异常甲基化的细胞复制过程中影响DNA复制,并诱导DNA去甲基化,最终逆转异常甲基化基因,实现肺癌的早期治疗。早在2006年阿扎胞苷和地西他滨均已被美国食品药品管理局批准用于骨髓增生异常综合征等恶性血液系统疾病的治疗,但它们在治疗剂量下引起的严重胃肠道反应和骨髓毒性限制了其广泛应用[16]。
2.1 组蛋白的修饰与肺癌诊断 组蛋白修饰在基因表达调节中起着重要的作用,其包括磷酸化、乙酰化、甲基化、糖基化、泛素化等,目前研究最多的是组蛋白的乙酰化[17]。组蛋白修饰的下调有助于细胞转化和恶性肿瘤的生长,现已证实在人类某些恶性肿瘤中可检测到组蛋白的异常修饰。目前关于组蛋白修饰的研究多集中于机制,涉及临床应用的相关研究相对较少。Li等[18]发现肺神经内分泌肿瘤患者H4KA16乙酰化缺失和H4KM20三甲基化的进行性损失与肿瘤级别有关。这些基因的组蛋白修饰有望作为肿瘤生物标志物以帮助临床诊断,但目前关于此方面的研究仍然较少。
同DNA甲基化一样,组蛋白乙酰化也是一个可逆的过程,有学者认为组蛋白在去乙酰化转移酶(histone deacetylase,HDAC)作用下能够消除组蛋白上的乙酰基团,这种异常消除可能涉及肺癌的病程进展,而许多癌症分子会改变和妨碍HDAC的活性[19]。上述过程使得HDAC抑制剂(histone deacetylase inhibitor,HDACi)有望成为肺癌治疗的新方法。
2.2 组蛋白修饰与肺癌的治疗 研究表明,HDAC的去乙酰化会引起抑癌基因的沉默,最终导致肿瘤的发生,而HDACi能够抑制HDAC活性,且对正常细胞的毒性较低,因而成为一种新型的抗肿瘤药,具有广泛的应用前景。
第一代HDACi如曲古抑素A、辛二酰苯胺异羟肟酸(suberoylanilidehydroxamic acid,SAHA)、丙戊酸、罗米地辛等均可诱导肿瘤细胞株的凋亡,且有较强的抗肿瘤特性[20]。Miyanaga等[21]的研究证实联合使用曲古抑素A与SAHA仅对部分肿瘤细胞株效果明显,并证实药物的抗肿瘤特性与基因的分类有关。Karthik等[22]证实罗米地辛可增加厄洛替尼在非小细胞肺癌细胞系中的疗效,两者联合应用能诱导肿瘤细胞凋亡,同时罗米地辛也能诱导非小细胞肺癌细胞细胞周期阻滞和凋亡,降低基质金属蛋白酶-2(matrix metalloproteinase,MMP)2及MMP9水平,而MMP是参与肿瘤细胞穿过毛细血管进入远处组织或器官内、在远处组织或器官内着床、肿瘤血管生成、形成转移灶过程中最重要的蛋白酶[23]。第二代HDACi如苯甲酰胺和异羟肟酸盐等可抑制肿瘤细胞的生长[20]。虽然单独使用HDACi治疗癌症显示出比较有价值的结果,但联合应用疗效更好。例如,Belinsky等[24]联合使用氮胞苷和第二代HDACi组合治疗突变体K-ras/Tp53肺腺癌,结果显示模型中的肿瘤得到明显抑制。虽然在实验状态下HDACi抗肿瘤效果较为明显,但其具体机制仍未明确,因此阐明其作用机制可以为肺癌的早期治疗提供新的依据。
人类基因组中大约仅有1.5%的序列能编码蛋白质,而剩下的序列则是以往被认为是“垃圾”或“噪音”的序列。目前研究表明这些“垃圾”或“噪音”序列中超过80%都具有生物学功能,绝大多数被转录成非编码RNA[25],它们通常以RNA的形式在多种层面上(表观遗传学调控、转录调控以及转录后调控等)调控靶基因的表达水平,在多种疾病包括肿瘤发生过程中扮演重要的角色[26]。非编码RNA包括核糖体RNA、转运RNA、小干扰RNA、微小RNA(microRNA,miRNA)等,而miRNA是在早期肺癌中研究相对较多的一种。
miRNA是通过影响其目标信使RNA的稳定性来控制基因表达的非编码RNA[27]。Trang等[28]的研究表明,人类has-miR-let-7同源物已被证明在肺癌中起重要作用。然而,在Takamizawa等[29]的研究中,hsa-miR-let-7的丧失与肿瘤的根治性切除术后存活率降低有关。应用大规模肿瘤样本分析miRNA表达情况可用于发现某些特定癌症类型的特征。Boeriet等[30]研究发现,肺癌患者确诊前2年即出现miRNA(hsa-miRNA-28-3p,hsa-miRNA-30c,hsa-miRNA-92a,hsa-miRNA-140-5p,hsa-miRNA-451和hsa-miRNA-660)表达异常,从而证明了miRNA可以用于诊断早期肺癌。
肺癌早期诊断对于改善患者预后至关重要,能有效降低其极高的死亡发病比(81%)[31]。寻找非侵入性、准确、快速、直接的方法以筛选肺癌发生的高风险个体是急需解决的问题。基于呼吸、痰液或血液的分子诊断有望成为早期肺癌的诊断技术,可以与CT和胸部平片一同为早期肺癌的诊断提供帮助。目前使用表观遗传学诊断早期肺癌仍有许多难题需要攻克,未来可将循环肿瘤标记物与外周血中DNA异常甲基化联合检测作为一种新的检测方式,可以提高早期肺癌诊断的准确率。