表观遗传在肿瘤领域的研究进展

徐开盛 张忠民 董奇 糜睿 丁杰

(贵州贵阳贵州省人民医院胃肠外科，550002)

表观遗传学(epigenetics)是与遗传学(genetics)相对应的概念。遗传学是指基于DNA序列的改变所导致的基因表达水平变化；而表观遗传学则是指所有非基于DNA序列改变而导致的基因表达和细胞表型的改变，该改变具有可遗传性。表观遗传就像电源开关一样，掌控者各种基因的活性，保证特定细胞的特定阶段开启需要表达的基因，而关闭不需要表达的基因。表观遗传修饰包括DNA甲基化(DNA methylation)、组蛋白共价修饰(histone covalent modification)、染色质重塑(chromatin remodeling)和非编码PNA(non-coding RNAs，ncRNAs)，他们在调节基因的表达过程中发挥了广泛的作用[1-2]。近年来这一领域正变得越来越有吸引力，因为基因活动的表观遗传调控正越来越多地被人们发现。我们就表观遗传在肿瘤领域的研究进展作一综述。

1 DNA甲基化在肿瘤领域的研究进展

DNA甲基化是指将s-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine，SAM)的甲基转移到胞嘧啶或腺嘌呤的生物学过程，该过程由DNA甲基转移酶(DNA methyltransferases，DNMTs)的介导下完成[3]。DNA的甲基化在肿CpG发生发展过程中常常扮演了非常重要的角色。一般情况下，细胞内基因启动子区域的cpG岛多以非甲基化的状态存在，而散在分布的CpG二核苷酸多发生甲基化。肿瘤抑制基因CpG岛的超甲基化往往会阻止抑癌基因抑制肿瘤形成的作用[4]。肿瘤甲基化的机制尚未完全阐明，研究认为这可能与DNA甲基转移酶DNMT1和其它DNA结合蛋白相关。而且，DNMT1能够与p53相互作用抑制p53敏感的基因、Survivin和Cdc25C的表达[5]。人类癌症基因组的低甲基化于1983年首先被报道，基因组的低甲基化及其所致的基因组稳定性改变已被认为是癌症的标志。目前普遍认为基因组的整体低甲基化发生在肿瘤形成的早期，基因特异性的去甲基化则出现在稍晚的阶段。与超甲基化导致基因沉c-Myc低甲基化通常伴随着基因转录的激活。在癌细胞中，低甲基化往往与致c-Myc相关。c-MYc基因，一个扮演致癌基因的转录因子，常常被报道在肿瘤中低甲基化。c-MVc基因的低甲基化于1984年在体外培养的癌细胞中被发现，后来，在多种其它恶性肿瘤如肝细胞癌、白血病、胃癌等相继报道存在c-Myc基因的低甲基化[6]。c-Myc基因的甲基化则与膀胱癌和结直肠癌的进展相关[7]。 MAGE-A1和MAGE-A3基因启动子的低甲基化和再活化也在结肠癌癌细胞株和癌组织中被发现，而且，CDH3基因的低甲基化还与结直肠癌的形成密切相关[8]。

2 组蛋白修饰

组蛋白(histones)是真核细胞染色质中的的主要蛋白组分，分为5种类型：Hl、H2A、H2B、H3、H4。真核细胞中，上述组蛋白的双重拷贝形成八聚体，周围缠绕147bp的DNA构成核小体。组蛋白易于发生转录后修饰，包括赖氨酸的乙酰化、赖SUMO甘酸的甲基化、丝氨酸和苏氨酸的磷酸化，以及赖氨酸的泛素化、糖基化、泛素DNAuMO化等，所有的修饰都由组蛋白修饰酶复合物完成。组蛋白修饰通过改变组蛋白与DNA之间的动力学关系而影响染色质构象。组蛋白修饰可作为一种标志或语言，有人提出了“组蛋白密码”的假说[3]。

2.1组蛋白乙酰化和去乙酰 化组蛋白的乙酰化修饰大多发生在组蛋白的H3K9、H3K4、H3K8、H3K23和H4K5、H4K8、 H4K12、 H4K16、 H4K20等位点。组蛋白H4K16乙酰化的整体丢失、组蛋白H4K20的三甲基修饰的丢失和DNA的低甲基化已经在多种原发肿瘤的DNA重复序列中被发现[9]。H4K16的乙酰化能够影响组蛋白和染色质功能上的相互作用，可能是调整染色质折叠的潜在机制[10]。H4K16乙酰化的丢失可能导致更为松散的染色质构象。据报道，H4K16乙酰化的丢失能影响多种癌细胞对化疗的敏感性[11]。H4K16乙酰化水平的降低与肿瘤的进展有关。乙酰化的H4K16能被SIRT1催化脱乙酰基，SIRT1在多种癌细胞中表达上调，并且可能成为判断预后的分子标记。而且，编码SIRT1负向调节因子的基因一一乳腺癌缺失基因子1(deleted in breast cancer l)，也与多种恶性肿瘤如乳腺癌、胃癌、肺癌的预后有关[12]。

2.2组蛋白磷酸化 组蛋白磷酸化能通过对组蛋白内氨基酸残基的磷酸化修饰而影响信号通路中相关基因的转录。组蛋白H3N段的第10位4丝氨酸残基(H3Serl0)的磷酸化近年来引起了足够的重视，因为H35erl0的磷酸化能促进大量与信号通路活化H3S的基因转录，对于有丝分裂和减数分裂中染色质浓集和细胞周期进展非常关键[13]。由于H3serl0位置上与与H3尾部其它可以被修饰的氨基酸接近，使得它有可能与H3K9、 H3K14的甲基化、乙酰化修饰相互作用。此外，H3Ser28和H3Thrll(组蛋白H3的第28、11位苏氨酸)也被发现能发生磷酸化[14]。

2.3组蛋白甲基化和去甲基化 组蛋白(histones，H)的甲基化一般发生在赖氨酸(lysine，K)残基和精氨酸(arginine，R)残基上，组蛋白H3的K4、 K9、 K27、 K36、K79和H4的K20均可被甲基化，精氨酸甲基化修饰可以发生在H3的R2、 R8、 R17、 R26和H4的R3。根据甲基化基团数量的不同，赖氨酸的甲基化修饰可分为3种修饰形式：一甲基化(me)、二甲基化(me2)、三甲基化(me3)修饰[15]。组蛋白的甲基化需要特异性酶的催化，该过程一般在组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferase，HMT)的协助下完成，因甲基化修饰靶点的差异，组蛋白赖氨酸(lysine，K)残基的甲基化可以对转录起激活或抑制作用，其中组蛋白H3K9、 H3K27的甲基化通常导致基因转录的抑制，而组蛋白H3K4、 H3K79、 H3K36的甲基化则通常出现在活性染色质，促进靶基因的转录激活[16]。这项表观遗传标记参与了许多机体的病理、生理过程，如基因组印迹、异染色质形成、x染色体失活和转录调控，该表观遗传标记的紊乱可能导致癌变的发生[17]。(1)组蛋白H3K4的甲基化修饰：组蛋白H3K4的甲基化常常调控基因转录激活[18]。经过研究证实的可以催化组蛋白H3K4甲基化的甲基转移酶主要是SETl-家族蛋白，包括SETIA、 SETIB、MLLl-4[19]。这些酶参与多种已知的生物功能的基因调控网络，包括直接参与一些人类疾病。H3K4甲基化参与了多种生物学功能如基因转录调控，与组蛋白去乙酰化酶相互作用从而改变组蛋白甲基化修饰状态等[20]。SMYD3，另一个H3K4的甲基转移酶，在结直肠癌、肝细胞癌等肿瘤细胞中高表达，而且与其预后有关[21]。LSD1，一个能够特异性去除组蛋白 H3K4的二甲基和一甲基修饰的去甲基化酶，在膀胱癌、肺癌、结直肠癌和神经母细胞瘤等肿瘤中明显上调，而且往往伴随着更差的预后[22]。(2)组蛋白H3K9的甲基化修饰：H3K9的三甲基化修饰(H3K9me3)是异染色质形成的关键表观遗传标记，而且与基因的转录抑制密切相关。同时，H3K9的乙酰化修饰(H3 K9ac)被认为是活性染色质的标志，它能够阻止该氨基酸残基的甲基化，因此在转录起始位点的周围表达丰度较高。在前列腺癌和卵巢癌中，H3K9ac的下调往往与肿瘤进展相关。实际上，H3K9ac的表达水平还与肿瘤的组织病理分级和临床预后相关[23]。 H3K9ac表达的下调往往伴随着不良的预后已经获得认同[24]。组蛋白H3K9me3水平的升高需要H3K9ac水平的降低，与H3K9的乙酰化一样，其甲基化也与肿瘤关系密切。H3K9甲基化水平的升高，将导致异常的基因沉默，这一点已经在多种肿瘤中被证实，高水平的H3K9me3与胃癌患者的不良预后相关[25]。(3)组蛋白H3K27的甲基化修饰：H3K27的甲基化修饰主要与转录抑制相关。据报道，EZH2可催化H3K27发生甲基化，而Polycomb是可以与甲基化的H3K27结合的效应分子[26]。H3K27me3能够通过促进更紧凑的染色质结构形成而负向调节靶基因转录。H3K27me3通常与基因沉默相关，尤其是在抑制不需要的分化进程的时候。在人类的多种癌细胞中，H3K27me3可以作为判断预后的标志，但是，不同研究的结果相互矛盾，因此其用于判断预后的价值让入迷惑。

3 染色质重构

染色质重构有关的酶在基因表达、DNA复制和修复、细胞分裂等重要生物过程中发挥重要作用。SWI/SNF是第一个被发现的ATP依赖的染色质重构复合物，从酵母到人类都十分保守，具有影响基因表达及复制等DNA功能，与多种癌症的发生相关。SWI/SNF的多个亚基的突变被发现与恶性肿瘤的转化和进展有关。第一个被发现的是Inil，Inil在幼儿早期的类横纹肌肉癌中发生突变，预后很差。而且这种突变主要发生在中枢系统和肾脏。在裸鼠模型中，Inil杂合子突变能够发展成类似人类的类横纹肌肉瘤。SWI/SNF其它亚基的突变或表达水平的变化也与恶性肿瘤相关。例如57%的卵巢透明细胞癌中发现了BAF250A亚基的突变，该突变在膀胱移行细胞癌中也比较常见[27]。其它研究中还发现BAF200A基因突变与丙型肝炎相关的肝癌有关，BAF180A亚基则与肾透明细胞癌的发生相关。

4 非编码RNA

非编码RNA(non-coding RNA，nc-RNA)是一种并不翻译成蛋白的功能性的RNA分子。非编码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。在人体内，95%以上的RNA都是非编码RNA，仅有不到5%的RNA属于编码RNA。nc-RNA参与了个体的生长发育的调控、细胞增殖、分化、凋亡等生命活动，nc-RNA与包括肿瘤在内的多种疾病有着广泛的联系。

4.1非编码RNA与肿瘤的发生、发展 目前已经在多种恶性肿瘤中发现了miRNA丰度的异常变化，最近发现不少恶性肿瘤中的miRNA呈现低表达，譬如头颈鳞状细胞癌中let-7d和miR-205的表达水平下调[28]，前列腺癌中miR-373、miR-520c明显低表达，肝癌组织中miR-101表达下调[29]。而另一些恶性肿瘤中miRNA则呈现高表达：胃癌组织中miR-27a的表达明显增高，子宫内膜癌中miR-205、miR-449和miR-429表达明显上调[30]。除此之外，某些异常表达的miRNA还与肿瘤的进展有关：miR-182的异常表达能促进黑色素瘤转移；miR-27a与胃癌淋巴转移相关；let-7d和miR-205的表达丰度与头颈鳞状细胞癌的预后呈负相关[31]。

4.2非编码RNA与肿瘤的诊断和治疗 肿瘤组织中异常表达的miRNA将来可能成为肿瘤诊断的分子生物标记。miRNA在决定细胞的分化方向中起作用，应用miRNA信号可以用来区分在病理学上尚难定义的分化类型。学者[32]的研究发现弥漫性大B细胞淋巴瘤(diffuse large B celllymphoma，DLBCL)中miR-155的表达丰度比正常B细胞高出几十倍，由于DLBCL的I临床预后非常差，miR-155的定量分析因此具有诊断意义。Xiao等则发现：miR-106a的表达水平与胃癌患者的TNM分期、分化程度、肿瘤大小、淋巴结转移、远处转移等密切相关，miR-106a可能成为胃癌诊断的新型分子标记[33]。

非编码RNA在肿瘤的治疗领域也作出了许多重要探索。miRNA具有抑癌基因或致癌基因的功能。当具有抑癌基因功能的miRNA不表达或低表达时，可以导入外源性的miRNA；而当具有致癌基因功能的miRNA高表达时，则可利用miRNA inhibitor抑制miRNA的表达，从而达到肿瘤治疗的目的。HDAC2在肝癌的发展过程中发挥重要作用，有学者[34]利用miR-370模拟物能在体外激活转录因子Fox03a的表达，明显抑制肝癌细胞的生长。更令人振奋的是，RNA干扰(RNAi)技术甚至已经应用于I期临床实验，著名的Nature杂志刊文称：服用含有siRNA的微球颗粒传输系统能在人体内靶向抑制某特殊基因的表达(黑色素瘤的活检证实)，而且这种抑制作用是完全基于RNAi机制的[35]。因此我们不妨设想在不久的将来，只要明确了某肿瘤的特定致癌基因，就能通过RNAi技术进行该肿瘤的分子靶向治疗。

5 总结

过去的二十多年，大量研究工作已经证明表观遗传修饰在肿瘤的发生和发展过程中发挥了关键作用，染色质结构的改变能够影响基因的表达已被认同。但是本文中描述的表观遗传修饰和它们在肿瘤发生、增殖、侵袭转移中的作用仅仅是“冰山一角”。肿瘤领域更大规模、更高水平的表观遗传学研究将有助于我们更深刻地了解肿瘤发生发展的机制，使我们有机会通过表观遗传修饰途径干预原癌基因或抑癌基因的表达，影响肿瘤的转归。