结直肠癌表观遗传标志物研究进展

龚慧，黄燹，陈晖娟，常宏宇

1 中国人民解放军联勤保障部队第九八九医院科研部/全军肛肠外科研究所/全军重点实验室 河南洛阳 471000

2 中国人民解放军火箭军特色医学中心健康管理科 北京 100088

3 中国人民解放军火箭军特色医学中心儿科 北京 100088

结直肠癌是我国常见的恶性肿瘤之一，世界卫生组织国际癌症研究机构发布的最新报告显示，全球结直肠癌总体发病率、死亡率分别上升至第三位和第二位，2020年全球新发约193万例、死亡约93万例；我国结直肠癌总体发病率已升至第二位，死亡率居第五位。结直肠癌的发生和发展是遗传和表观遗传共同作用的结果。对结直肠癌表观基因组的评估表明，几乎所有结直肠癌都存在基因异常甲基化和miRNA的异常表达。与癌症基因组中的基因突变一样，这些表观遗传改变的一个子集，称为驱动事件，被认为在结直肠癌的发展中发挥功能性作用。本文围绕结直肠癌表观遗传标志物的已有研究进行综述，以期为临床开发用于结直肠癌诊断、治疗反应评估和预后评估的生物标志物提供一定的理论参考。

1 表观遗传学与肿瘤

表观遗传学机制主要包括DNA甲基化、非编码RNA调控、组蛋白修饰等，这些机制在肿瘤的发生、侵袭和转移过程中均发挥重要作用。异常的DNA甲基化通过表观遗传谱的重编程参与肿瘤的发生和发展，肿瘤常伴随全基因组的低甲基化和抑癌基因启动子区的高甲基化。如，人们在肺癌、胃癌、乳腺癌和结直肠癌等多种肿瘤中发现抑癌基因MLH1、P15和P16等启动子区高甲基化[1]。研究表明，启动子区高甲基化与抑癌基因的转录沉默有关[2]。非编码RNA参与调控个体生长发育及细胞增殖、分化、凋亡等生命活动。miRNA已被发现在多种恶性肿瘤中表达异常，如miR-101、miR-373分别在肝癌和前列腺癌中表达下 调[3]；miR-27a 在胃癌中表 达 上 调[4]，miR-205、miR-449和miR-429在子宫内膜癌中表达上调[5]。组蛋白修饰主要是通过改变组蛋白与DNA之间的动力学关系来影响染色质构象和基因表达。例如，组蛋白的乙酰化与去乙酰化的动态失衡会影响基因的转录水平，进而影响细胞的分化与凋亡，从而影响肿瘤的发生发展。

2 表观遗传学与结直肠癌

表观遗传学改变在结直肠癌的发生发展中发挥着重要作用，如DNA甲基化、非编码RNA调控、组蛋白修饰等在结直肠癌的诊断、治疗反应评估以及预后评估方面都发挥着重要的作用。

2.1 DNA甲基化与结直肠癌

DNA甲基化是结直肠癌发生发展过程中常见的、早期的和稳定的机制之一。

2.1.1 DNA甲基化标志物在结直肠癌早期检测中的应用 结直肠癌早期筛查能够改善患者的临床结局、降低死亡率。目前，结肠镜检查是结直肠癌筛查的“金标准”，但这种方法也有一定的局限性，如需饮食限制和肠道准备，且作为一种侵入性检查，有一定的医疗操作风险，患者依从性较低。因此，开展结直肠癌无创筛查方法的研究十分必要。近年来，关于DNA甲基化标志物在结直肠癌早期检测中的研究越来越多。如Laugsand等[6]检测了结直肠癌患者血液、粪便、尿液和组织中的DNA，发现血液中存在CDH4、ERCC1、p16INK4a和粪便中存在SPG20的高甲基化，每一单项检测的敏感性≥75%，特异性≥90%。Jin等[7]选取SNCA、SPG20和Septin9等分子靶点，研究多靶点粪便DNA甲基化检测在结直肠癌筛查中的价值，发现随着阳性甲基化标志物数量的增加，诊断结直肠癌的特异性逐渐增强。Imperiale等[8]开展了多靶点粪便DNA检测（包括KRAS突变、NDRG4甲基化、BMP3甲基化等）用于结直肠癌筛查的研究，结果表明该方法对结直肠癌和晚期腺瘤的敏感性分别为92.3%和42.4%，显著高于粪便免疫化 学 检 测 （fecal immunochemical test， FIT） 的73.8%和23.8%。肿瘤标志物有助于区分结直肠癌的分期。Raut等[9]评估了粪便中的DNA甲基化标志物在结直肠癌分期和早期筛查中的作用，发现FBN1启动子区、SDC2分别是用于诊断结直肠癌Ⅰ期、Ⅱ期的有前景标志物，检测敏感性和特异性均在90%以上；此外，对不同分期的结直肠癌的特异性DNA甲基化标志物的鉴定可以使结直肠癌早期筛查更为有效 ， 比 如 SEPT9、 SCTR、 SMAD3、 SFRP2 和IKZF1。其中，SEPT9甲基化检测用于结直肠癌筛查已于2016年获得美国食品和药物管理局的批准[10-12]。上述研究表明，粪便DNA甲基化标志物的检测对结直肠癌的早期筛查和诊断具有重要价值。

2.1.2 DNA甲基化影响结直肠癌患者对治疗的反应 有研究发现，DNA甲基化可以作为预测治疗反应的生物标志物，如do Canto等[13]对接受新辅助放化疗（neoadjuvant chemoradiotherapy，nCRT）的局部晚期直肠癌患者进行DNA甲基化标志物检测，从而预测达到病理完全缓解（pathological complete re⁃sponse，pCR）的概率，结果发现基于三个与OBSL1、GPR1和INSIG1基因相关的差异甲基化胞嘧啶—磷酸—鸟嘌呤位点（CpGs）的分类器能够以较高的敏感性和特异性来预测患者接受nCRT后能否达到pCR，这有利于局部晚期直肠癌患者的治疗前筛选，也有利于指导治疗方式的选择。此外，基于甲基化的靶向治疗具有较高的临床应用价值。例如，去甲基化药物可通过作用于DNA甲基化位点来抑制基因甲基化，从而抑制结直肠癌细胞的增殖和分化。

2.1.3 DNA甲基化可预测结直肠癌的预后 Chen等[14]的研究发现，与正常黏膜组织相比，结直肠癌组织中神经营养性原肌球蛋白受体激酶（neurotrophic

2.2 非编码RNA调控与结直肠癌

编码蛋白质的基因只占总基因组的不足2%，大约80%的基因组转录为非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）[17]。越来越多的证据表明ncRNA，尤其是miRNA和lncRNA，在细胞的增殖、分化等过程中发挥着重要作用，例如对癌基因和抑癌基因的调控[2,18]。

miRNA是长度为18～25个核苷酸的非编码小分子RNA[19]。Bocchetti等[20]发现结肠炎相关结直肠癌（colitis-associated colorectal cancer， CAC） 患 者 的miR-18a、miR-19a和miR-21等表达上调，miR-124、miR-193a-3p和miR-139-5p表达下调，这些miRNA可用于结直肠癌患者的早期诊断和治疗效果的预测。Ng等[21]评估了来自结直肠癌患者和健康对照者组织和血浆样本中的miRNA表达情况，结果发现miR-92a和miR-17-3p的高表达可以将结直肠癌患者与健康对照者区分开（敏感性分别为64%、89%，特异性分别为70%、70%）；进一步研究发现，在手术切除原发性肿瘤后，miR-92a和miR-17-3p在血浆中的水平显著降低，表明miR-92a和miR-17-3p可以作为诊断结直肠癌的标志物。有研究表明miR-144和miR-183在结直肠癌中高表达，且与TNM分期和分化程度相关[22]。

开发能够在化疗开始前有效预测患者对特定化疗方案反应的生物标志物具有重要的价值。基于5-氟尿嘧啶（5-FU）的化疗方案仍然是结直肠癌患者辅助治疗的主要方法，Okugawa等[23]的研究报道了介导5-FU耐药的miRNA有miR-10b、miR-19b、miR-20a、miR-497和miR-200家族等。Takahashi等[24]的研究发现，结直肠癌组织中miR-21的过表达与基于5-FU化疗的不良反应相关。Manceau等[25]发现miR-148a的甲基化与晚期结直肠癌患者对5-FU和奥沙利铂的耐药性有关。目前，不可切除转移性结直肠癌患者tropomyosin receptor kinases，NTRKs）启动子的甲基化程度更高，对生存结局具有独立的预测价值。Fu等[15]通过分析TCGA数据库中的基因表达谱和相应的DNA甲基化数据，发现SLCO4C1、MAGEA1、POU4F1、IZUMO2和NOVA1是结直肠癌独立的预后生物标志物。Liu等[16]研究了钙/钙调蛋白依赖性丝氨酸蛋白激酶（calcium/calmodulin-dependent serine protein kinase，CASK）启动子甲基化异质性和同源性对结直肠癌患者预后的不同影响，发现同源甲基化的结直肠癌患者预后较异质性甲基化的结直肠癌患者差。的预后仍然很差，平均总生存期仅为18～21个月。Schetter等[26]的研究发现，miR-21高表达与结直肠癌患者较低的生存率相关。尽管其他几个高表达的miRNA（miR-10b、miR-17-92a基因簇、miR-29a等）和低表达的miR-143、miR-124也可以用作预后标志物，但miR-21目前被认为是最有潜力的结直肠癌miRNA预后标志物。

lncRNA是长度超过200个核苷酸的非编码RNA[27]。研究表明lncRNA通过影响肿瘤相关的信号通 路 ， 如 WNT/β-catenin、 PI3K/Akt、 EGFR、NOTCH、mTOR和TP53等，影响结直肠癌的发生发展[28]。lncRNA参与结直肠癌发生发展的不同阶段，包括从癌前病变生成到远处转移的过程。腺瘤中lncRNA（如CCAT1、CRNDE）的异常表达使其成为早期诊断结直肠癌的潜在标志物[29-30]。由于lncRNA在体液中是稳定存在且可检测的，所以分析外周血循环中的lncRNA（如CCAT1、CCAT2、CRNDE等）为建立微创诊断方法（如液体活检）提供了可能性[31]。对ln⁃cRNA的深入研究能够为结直肠癌的治疗提供新的方法，如Zhu等[32]的研究发现，NEAT1通过影响染色质重塑，增加组蛋白乙酰化水平，促进结直肠癌细胞对5-FU的耐药性，提高肿瘤干细胞的特性；敲除NEAT1后，结直肠癌细胞对5-FU的耐药性降低，同时肿瘤干细胞标志物ALDH1和CD133的表达也受到了抑制。这些研究结果有望为解决结直肠癌患者对5-FU的耐药性问题提供新思路。Kogo等[33]等的研究表明HOTAIR（从HOXC基因座转录的含2 158个核苷酸的lncRNA）的高表达与结直肠癌的远处转移和不良预后显著相关，这一结果在Svoboda等[34]的研究中也得到了证实。MALAT1是预测非小细胞肺癌患者肿瘤转移的生物标志物，在结直肠癌患者中表达上调，且其表达水平与患者的预后呈负相关[35]。Zhang等[36]发现H19可作为结直肠癌治疗的潜在靶点和预后的预测因子，H19在结直肠癌原发灶和转移灶中的表达都显著上调，H19通过直接结合hnRNPA2B1激活Raf-ERK信号通路，诱导上皮间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT），促进结直肠癌细胞的侵袭和迁移。

2.3 组蛋白修饰与结直肠癌

组蛋白是染色体的基本结构蛋白，包含5个组分，分别为H1、H2A、H2B、H3和H4[37]。组蛋白修饰主要包括乙酰化、甲基化、泛素化、磷酸化等，这些修饰能够通过改变染色质的构象来影响相关基因的表达[38]。Huang等[39]发现赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1（LSD1）在结直肠癌中过表达，该酶特异性地使H3K4和H3K9去甲基化，通过激活WNT/β-catenin信号通路来促进结直肠癌的发展。Peng等[40]的研究发现，组蛋白去甲基化酶JMJD2D与β-catenin的相互作用能够增强结直肠癌细胞的增殖、侵袭和迁移能力。近年来，原发性结直肠癌组织中特异性组蛋白的整体变化是结直肠癌生物标志物研究的重点。Tamagawa等[41]通过对循环核小体中组蛋白修饰的研究发现，H3K9me3和H4K20me3是诊断结直肠癌的潜在标志物。同时还发现，与原发肿瘤相比，肝转移灶中H3K27me2的甲基化水平降低，并且H3K37me2的表达水平与肿瘤的大小和不良预后呈正相关，可作为结直肠癌肝转移患者的独立预后预测因子。Wang等[42]发现H3K27me3的表达水平与结直肠癌患者的无进展生存期和对化疗药物奥沙利铂的敏感性呈正相关。Tamagawa等[43]通过对结直肠癌肝转移灶组织进行免疫组织化学染色，检测到H3K4me2、H3K9AC和H3K9me2发生异常改变，且H3K4me2低表达与结直肠癌的不良预后相关。Kryc⁃zek等[44]发现H3K79me2的高表达可作为结直肠癌患者生存率低的预测因子。Benard等[45]的研究发现，H3K56AC、H4K16AC等组蛋白修饰与结直肠癌患者的总生存率和复发率显著相关，两种标志物均呈高表达的患者显示出更高的生存率和更低的肿瘤复发率。

3 小结与展望

表观遗传学中的DNA甲基化、非编码RNA调控与组蛋白修饰的改变可作为结直肠癌诊断、治疗反应评估和预后评估的生物标志物。早发现、早治疗是延长结直肠癌患者生存期的有效手段，表观遗传学改变可为结直肠癌的早期诊断提供新思路。同时，表观遗传标志物还能够对患者的治疗反应及预后进行评估，目前已有相关药物进入临床Ⅰ/Ⅱ期试验，如表观遗传修饰剂派姆单抗联合组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）抑制剂恩替诺特在结直肠癌患者中的安全性和耐受性研究正在进行临床Ⅱ期试验，有望开发出更多的结直肠癌治疗靶点[46]。相信随着表观遗传学机制与结直肠癌关系的进一步阐明，表观遗传标志物将为结直肠癌的诊断和治疗提供新的契机。

利益冲突声明 全体作者均声明不存在与本文相关的利益冲突。