腫瘤表觀遺傳學(xué)

1、Epigenetics in cancer,腫 瘤,世界癌癥現(xiàn)狀,全球 (2010年,809 萬人死亡,1303 萬新發(fā)病例,5 肝癌,1 肺癌,7 食道癌,3 結(jié)腸癌,2 乳腺癌,4 胃癌,6 宮頸癌,Cancer,Cancer,6 宮頸癌,5 結(jié)腸癌,8 鼻咽癌,1 肺癌,2 肝癌,7 乳腺癌,3 胃癌,4 食道癌,268 萬新發(fā)病例,中國癌癥現(xiàn)狀,197 萬人死亡,中國（2010,What causes cancer,Carcinogenesis. Some factors to consider,Heredity Immunity Chemical Physical Viral Bac

2、terial Lifestyle,Heredity,Genes isolated for several classic familial cancer syndromes: RB1 (retinoblastoma) APC (familial polyposis) Human Non Polyposis Colon Cancer (HNPCC) BRCA 113:59,Conclusions Our results show that epigenetic variation is inherited in chickens, and we suggest that selection of

3、 favourable epigenomes, either by selection of genotypes affecting epigenetic states, or by selection of methylation states which are inherited independently of sequence differences, may have been an important aspect of chicken domestication,Dowen RH, Pelizzola M, Schmitz RJ et al. Widespread dynami

4、c DNA methylation in response to biotic stress. Proc Natl Acad Sci U S A 2012;109:E2183-2191,Ecker及其同事對DNA甲基化調(diào)控?cái)M南芥免疫系統(tǒng)的機(jī)制進(jìn)行了研究。甲基化參與抑制整合到基因組中的“跳躍基因”轉(zhuǎn)座子的表達(dá)。研究人員在Illumina平臺上進(jìn)行了全基因組測序，發(fā)現(xiàn)在植物應(yīng)對細(xì)菌感染的過程中，出現(xiàn)了大量甲基化修飾的改變,表觀基因組可因環(huán)境而改變,表觀遺傳修飾從多個水平調(diào)控基因表達(dá),DNA: DNA甲基化,蛋白質(zhì)：組蛋白修飾,染色質(zhì)：染色質(zhì)重塑,RNA：非編碼RNA,表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容,基因轉(zhuǎn)錄

5、后的調(diào)控 基因組中非編碼RNA 微小RNA（miRNA） 反義RNA 內(nèi)含子、核糖開關(guān)等,基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控 DNA甲基化 基因印記 組蛋白共價修飾 染色質(zhì)重塑,1. 概念：基因的DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因的表達(dá)水平與功能發(fā)生改變，并產(chǎn)生可遺傳的表型。 2. 特征: (1)可遺傳；(2) 可逆性；(3) DNA不變 3. 表觀遺傳學(xué)的現(xiàn)象： (1)組蛋白修飾 (2) DNA甲基化 (3) MicroRNA (4) Genomic imprinting,表觀遺傳學(xué),腫瘤表觀遺傳學(xué),研究沒有DNA 序列變化、可遺傳的基因表達(dá)（活性）調(diào)控方式的改變，主要涉及DNA 甲基化作用的改變和染

6、色質(zhì)組蛋白的修飾作用、染色質(zhì)重塑及非編碼RNA 等調(diào)控方式的變化，通過引起腫瘤遺傳學(xué)途徑中基因的失能與獲能、增加基因組不穩(wěn)定、印跡丟失等途徑參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展,腫瘤表觀遺傳修飾機(jī)制,對基因表達(dá)控制的方式： （1）DNA 甲基化； （2）組蛋白修飾； （3）染色質(zhì)重塑； （4）非編碼RNA。 等 種調(diào)控來,DNA甲基化,DNA甲基化,DNA甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、 也是最重要的表觀遺傳修飾形式，主要是基因組 DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價結(jié)合，胞嘧啶由此被修飾為5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC,在結(jié)構(gòu)基因的調(diào)控區(qū)段，CpG二聯(lián)核苷

7、常常以成簇串聯(lián)的形式排列。結(jié)構(gòu)基因5端附近富含CpG二聯(lián)核苷的區(qū)域稱為CpG島(CpG islands)。 CpG島是CG二核苷酸含量大于50%的區(qū)域。CpG島通常分布在基因的啟動子區(qū)域,CpG島的甲基化會穩(wěn)定核小體之間的緊密結(jié)合而抑制基因的表達(dá),當(dāng)一個基因的啟動子序列中的CpG島被甲基化以后，盡管基因序列沒有發(fā)生改變，但基因不能啟動轉(zhuǎn)錄，也就不能發(fā)揮功能，導(dǎo)致生物表型的改變。 DNA甲基化抑制基因表達(dá),DNA甲基化與去甲基化,人類表觀基因組計(jì)劃,Human Epigenome Project（HEP）： 2003 年10月由人類表觀基因組協(xié)會(Human Epigenome Consorti

8、um, HEC)正式投資和實(shí)施。 目標(biāo)：確認(rèn)、分類和解釋人類主要組織中所有基因在基因組水平的DNA 甲基化模式，確認(rèn)DNA 甲基化位點(diǎn)在人類基因組的分布和頻率，在人類基因組水平繪制不同組織類型和疾病狀態(tài)的甲基化可變位點(diǎn)（methylaiton ariable positions ，MVPs）圖譜,Mol Cell 2011;44:17-28,甲基化影響造血干細(xì)胞命運(yùn)的機(jī)制研究 經(jīng)典的理論普遍認(rèn)為DNA甲基化是一種穩(wěn)定的表觀遺傳學(xué)標(biāo)記，且在細(xì)胞分化過程中呈單向性變化，即甲基化程度不斷增高。在新研究中，研究人員認(rèn)為在分化的過程中應(yīng)該并非僅存在單向的DNA甲基化變化，而是應(yīng)該呈甲基化和去甲基化雙向動

9、態(tài)變化。 大量的低甲基化區(qū)域富集在一些特異的調(diào)控因子的結(jié)合區(qū)域附近，表明其有可能在染色質(zhì)構(gòu)型及某些基因調(diào)控表達(dá)中發(fā)揮了重要作用,雙生子表觀基因組研究,同卵雙胞胎之間，新生兒出生時的表觀遺傳學(xué)圖譜也存在著廣泛的差異,Genome Res. 2012 Aug;22(8):1395-406,發(fā)育早期甲基化,大多數(shù)基因在我們的一生中都保持活性，不過有些基因只在胚胎發(fā)育早期激活，一旦這些基因完成了自己的使命它們就會被永遠(yuǎn)關(guān)閉,Cell reports 2012;2:766-773,表觀遺傳與癌癥,低甲基化： 誘導(dǎo)原瘤基因和轉(zhuǎn)座子成分活化、基因的印跡丟失以及增加染色體的不穩(wěn)定性，最終誘發(fā)腫瘤。 如肺癌和結(jié)

10、腸癌。 高甲基化（啟動子區(qū)域CpG 島）： 抑瘤基因轉(zhuǎn)錄沉默。 如腎癌和視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤：VHL 基因的沉默、 前列腺癌：DNA 損傷修復(fù)有關(guān)的GSTP基因的沉默,DNA低甲基化 vs. 癌癥,1. DNA低甲基化/去甲基化對癌癥細(xì)胞發(fā)育的作用： A. 產(chǎn)生染色體的不穩(wěn)定性 B. 激活轉(zhuǎn)座元件 C. 印記的缺失 2. 甲基化水平較低的DNA區(qū)域在有絲分裂過程中容易發(fā)生重組，從而產(chǎn)生刪除或者移位，或者染色體重排 3. DNA低甲基化損壞基因組印記,DNA低甲基化促進(jìn)染色體不穩(wěn)定性與癌癥發(fā)生,A. DNA低甲基化降低小鼠的生存率； B. DNA低甲基化的細(xì)胞中染色體不穩(wěn)定性升高(2.2倍) C. 染

11、色體不穩(wěn)定性,Dnmt敲除：染色體不穩(wěn)定性,Dnmts敲除的細(xì)胞中出現(xiàn)染色體的非整倍現(xiàn)象,腫瘤細(xì)胞DNA 甲基化修飾： 印跡丟失： 是一個表觀遺傳事件，是一種在基因組DNA 水平對雙親等位基因特異性的基因外遺傳學(xué)修飾。 基因組印跡是指來自父方和母方的等位基因在通過精子和卵子傳遞給子代時發(fā)生了修飾，使帶有親代印跡的等位基因具有不同的表達(dá)特性,基因組印記,Genomic Imprinting: 兩條染色體需要隨機(jī)沉默其一 Beckwith-Wiedemann Syndrome: 1/15,000 BWS：20%的致死率 BWS: embryonic tumor,遺 傳 印 跡,概念： 或稱親本印跡

12、（parent imprinting） 是指基因組在傳遞遺傳信息的過程中，通過基因組的化學(xué)修飾（DNA的甲基化；組蛋白的甲基化、乙?；⒘姿峄?、泛素化等）而使基因或DNA片段被標(biāo)識的過程。 特點(diǎn)： 基因組印跡依靠單親傳遞某種性狀的遺傳信息，被印跡的基因會隨著其來自父源或母源而表現(xiàn)不同，即源自雙親的兩個等位基因中一個不表達(dá)或表達(dá)很弱。 不遵循孟德爾定律，是一種典型的非孟德爾遺傳，正反交結(jié)果不同,遺 傳 印 跡,由正反交實(shí)驗(yàn)可以看出： 印跡基因的正反交結(jié)果不一致、不符合孟德爾定律。 小鼠 Igf-2 基因總是母本來源的等位基因被印跡，父本來源的等位基因表達(dá)，因此是母本印跡。 基因印跡使基因的表達(dá)受

13、到抑制，導(dǎo)致被印跡的基因的生物功能的喪失,遺 傳 印 跡,基因印跡過程 印跡的形成 印跡形成于成熟配子，并持續(xù)到出生后。 印記的維持 印記的去除 印記的去除過程是發(fā)生在原始生殖細(xì)胞的早期階段。 基因組印跡的機(jī)制 配子在形成過程中，DNA產(chǎn)生的甲基化、核組蛋白產(chǎn)生的乙?；?、磷酸化和泛素化等修飾，使基因的表達(dá)模式發(fā)生了改變,基因印跡 的建立,組蛋白修飾,65,Chromatin packaging,組蛋白修飾,Adapted from Lund and Lohuizen Genes Dev 2004,組蛋白修飾種類 乙?；? 一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關(guān)聯(lián)，乙酰化修飾大多發(fā)生在H3、H4的 Lys

14、殘基上。 甲基化- 發(fā)生在H3、H4的 Lys 和 Asp 殘基上，可以與基因抑制有關(guān)，也可以與基因的激活相關(guān)，這往往取決于被修飾的位置和程度。 磷酸化- 發(fā)生與 Ser 殘基，一般與基因活化相關(guān)。 泛素化- 一般是C端Lys修飾，啟動基因表達(dá)。 SUMO（一種類泛素蛋白）化- 可穩(wěn)定異染色質(zhì)。 其他修飾,組蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型被稱為組蛋白密碼（histone code），遺傳密碼的表觀遺傳學(xué)延伸，決定了基因表達(dá)調(diào)控的狀態(tài)，并且可遺傳,組蛋白密碼,A. 修飾結(jié)合蛋白質(zhì)：組蛋白密碼的閱讀器 B. 組蛋白密碼的組合方式 C. 不同組蛋白的修飾組合起來發(fā)揮功能,染色質(zhì)重塑,染色質(zhì)

15、重塑（chromatin remodeling）是一個重要的表觀遺傳學(xué)機(jī)制。 染色質(zhì)重塑是由染色質(zhì)重塑復(fù)合物介導(dǎo)的一系列以染色質(zhì)上核小體變化為基本特征的生物學(xué)過程。 組蛋白尾巴的化學(xué)修飾（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響鄰近基因的活性,X-inactive-specific transcript,1. XIST: X-inactive-specific transcript 2. XIST: 產(chǎn)生一個17kb的非編碼的RNA分子 3. 將150MB的X染色體包裹起來-順式作用， 4. LINE (Long INterspersed Elements)：協(xié) 助信號的傳播,S

16、cience-lncRNA Xist與X染色體三維結(jié)構(gòu),Fig. 6A model for how Xist exploits and alters three-dimensional genome architecture to spread across the X chromosome,Science.2013 Aug 16;341(6147):1237973. doi: 10.1126/science.1237973,常染色質(zhì) vs. 異染色質(zhì),Ac: 乙?；鵐e:甲基P：磷酸基,組蛋白的乙酰轉(zhuǎn)移酶的結(jié)合活化相應(yīng)區(qū)域,去凝聚狀態(tài)的染色質(zhì),活性染色質(zhì)的產(chǎn)生,組蛋白修飾：正常細(xì)胞 vs.

17、癌癥,癌癥細(xì)胞中的組蛋白修飾,1. 腫瘤細(xì)胞中，H4缺失單乙?；腿谆揎?2. 在腫瘤發(fā)育的過程中，該修飾水平的降低將持續(xù)積累 3. 單乙?；娜笔В篖ys16，三甲基化的缺失：Lys20；兩種修飾的缺失與DNA重復(fù)片段的低甲基化伴隨出現(xiàn) 4. H4的修飾缺失至少在乳腺癌和肝癌中發(fā)生 5. 在前列腺癌中，H3K4的去甲基化與H3K18的乙酰化是該癌癥發(fā)生的分子標(biāo)記,非編碼RNA 的表觀遺傳學(xué)修飾 非編碼小RNA（no-coding small RNA）不僅能在轉(zhuǎn)錄后水平抑制基因的表達(dá)，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后調(diào)控（post-transcriptional regulation），而且也能通過誘導(dǎo)DNA

18、 甲基化達(dá)到轉(zhuǎn)錄水平的基因調(diào)控，是表觀遺傳修飾中的一種新的基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制,Non-Coding RNA: Formerly known as “JUNK,Non-Coding RNA: A Key to Eukaryotic Complexity,Biogenesis,Primary-miRNA is transcribed in the nucleus, and is usually several kilobases long; posses 5 cap and a poly-A tail. -Cleaved in the nucleus by Drocha enzyme to 70nt

19、 hairpin transcript (pre-miRNA). -Transported to the cytoplasm by Exportin 5 through nuclear pores. -Cleaved by Dicer enzyme (RNase III enzyme) into 19-22nt ds-transcripts. -700 Human genes, 490 mouse genes. 1400 possible human sequences but 733 cloned or detected. Only 120 tested,Esquela-Kerscher,

20、A., and Slack, F.J. (2006). Nature Reviews 6, p. 263,siRNA mediated degradation of mRNA versus miRNA mediated inhibition of mRNA translation,Filipowicz, Curr. Op. Structural Biology 15: 331-341 (2005,siRNA and miRNA,83,http:/microrna.sanger.ac.uk/sequences/search.shtml,利用公共數(shù)據(jù)庫尋找某個miRNA的target基因,84,h

21、ttp://cgi-bin/mirnaviewer/mirnaviewer.pl,利用公共數(shù)據(jù)庫還能找被幾個miRNA的共同調(diào)節(jié)的target基因,Roles in cancer,Recent studies show that some microRNAs regulate cell proliferation and apoptosis, processes that are important in cancer formation. In addition, some miRNAs may function as oncogenes or tumor sup

22、pressors. More than 50% of miRNA genes are located in cancer associated genomic regions or in fragile sites,86,miRNA與腫瘤發(fā)生的關(guān)系存在兩種可能的模式 Caldas, et al.（Nature Medicine 2005） ： 1、若miRNA表達(dá)上調(diào)，其對應(yīng)抑癌基因表達(dá)下調(diào)時，則可能導(dǎo)致腫 瘤發(fā)生； 2、若miRNA表達(dá)下調(diào)，其對應(yīng)癌基因表達(dá)上調(diào)時，同樣可能導(dǎo)致腫 瘤發(fā)生,88,許多瘤基因和腫瘤抑制基因都受到miRNAs分子的調(diào)控，此時的miRNAs可能起到癌基因或是腫瘤抑制基因的作用。miRNA癌基因的活化和miRNA抑癌基因失活導(dǎo)致腫瘤抑瘤基因表達(dá)下調(diào)以及這些miRNA基因與蛋白編碼癌基因、抑癌基因協(xié)同作用導(dǎo)致腫瘤發(fā)生,miRNA的 甲基化修飾,在腫瘤中，miRNA分子表達(dá)常常發(fā)生異常改變。 miR-125b-1（11q24脆性位點(diǎn)）：乳腺癌、肺癌、卵巢癌、子宮癌患者中存在缺失； miR-143和mir-145在結(jié)腸癌、乳腺癌、前列腺癌、子宮癌、淋巴癌等細(xì)胞系中其表達(dá)量也明顯下調(diào)； miR-15-92基因簇在人類惡性淋