表觀遺傳學(xué)與腫瘤

表觀遺傳學(xué)與腫瘤表觀遺傳學(xué)概念表觀遺傳學(xué)是研究不涉及DNA序列變化、可遺傳的基因表達(dá)調(diào)控方式的學(xué)科；一般來說,細(xì)胞的基因組中除了DNA和RNA序列以外還有很多調(diào)控基因表達(dá)的信息,雖然它們本身不會(huì)改變基因的序列,但是可以通過對(duì)DNA的修飾、蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、DNA和其他分子間的作用,影響和調(diào)節(jié)基因的功能,并且通過細(xì)胞的分裂和增殖周期影響遺傳,這些都屬于表觀遺傳學(xué)所研究的范疇。表觀遺傳概念與機(jī)制表觀遺傳是指基因表達(dá)或蛋白表達(dá)改變不涉及基因DNA序列的變化、但可隨細(xì)胞分裂和增殖而穩(wěn)定遺傳的現(xiàn)象。表觀遺傳機(jī)制對(duì)于人體多種細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化都是重要的，如X染色體失活等一些正常細(xì)胞生理功能都由表觀遺傳所決定。隨著年齡的增長(zhǎng)或環(huán)境的影響，細(xì)胞正常的表觀遺傳狀態(tài)可能被打破，從而導(dǎo)致促癌基因的異?；罨蛞职┗虻氖Щ?、促進(jìn)腫瘤形成。表觀遺傳修飾主要包括DNA及一些與DNA密切相關(guān)的蛋白質(zhì)的化學(xué)修飾，某些非編碼的RNA也在表觀遺傳修飾中起重要作用；因此表觀遺傳修飾可從DNA、組蛋白、染色質(zhì)及RNA等多個(gè)層面上調(diào)控基因的表達(dá)。常見表觀遺傳修飾機(jī)制包括：基因組印記、DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA、染色質(zhì)重塑一、DNA甲基化與腫瘤在早期發(fā)育階段，甲基化和非甲基化交替是細(xì)胞得以生長(zhǎng)和分化的關(guān)鍵程序，有保證細(xì)胞正常發(fā)育和基因組穩(wěn)定性的重要作用在正常細(xì)胞內(nèi)，啟動(dòng)子區(qū)的胞嘧啶磷酸鳥嘌呤(CpG)呈非甲基化狀態(tài)，而大多數(shù)散在分布的CpG二核苷酸常多發(fā)生甲基化。DNA甲基化一般與基因的沉默有關(guān)，非甲基化則與基因的活化相關(guān)，去甲基化往往與沉默基因的重新激活有關(guān)。正常的甲基化對(duì)于維持機(jī)體的功能是必需的，如基因印記、X染色體失活、細(xì)胞分化、胚胎發(fā)育等；而異常的DNA甲基化則會(huì)引起疾病甚至腫瘤的發(fā)生，異常CpG的重新甲基化通常被認(rèn)為是人類癌癥發(fā)生的早期特征人類腫瘤細(xì)胞株中，許多腫瘤相關(guān)基因5’端啟動(dòng)子區(qū)CpG島發(fā)生高甲基化，如某些抑癌基因、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)基因、腫瘤轉(zhuǎn)移抑制基因、DNA修復(fù)基因及血管生成抑制基因。有些在不同的癌癥中高甲基化，有些只在特定的癌癥中甲基化；惡性腫瘤的另一個(gè)特點(diǎn)是重復(fù)序列如衛(wèi)星DNA和寄生DNA的甲基化程度降低，低甲基化的基因組不穩(wěn)定、易突變；在許多癌癥中，細(xì)胞整體呈現(xiàn)低甲基化水平，并隨著腫瘤進(jìn)展，低甲基化水平加強(qiáng)；基因整體甲基化水平降低可增加某些基因表達(dá)，如ras、myc等原癌基因活化，形成突變熱點(diǎn)、轉(zhuǎn)座子異常表達(dá)、基因不穩(wěn)定等，促進(jìn)腫瘤發(fā)生Paz等對(duì)人類12種腫瘤70多個(gè)腫瘤細(xì)胞系進(jìn)行了15個(gè)基因的系統(tǒng)分析：每種腫瘤至少有1種基因啟動(dòng)子區(qū)發(fā)生高甲基化；這種啟動(dòng)子甲基化具有腫瘤類型的特異性；結(jié)直腸癌DNA錯(cuò)配修復(fù)基因(hMLH1)、O6-甲基鳥嘌呤DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(O6-MGMT)、金屬蛋白酶組織抑制劑3(TIMP)乳腺癌僅O6-MGMT基因高甲基化信號(hào)途徑關(guān)鍵位置基因異常甲基化可導(dǎo)致該途徑的異常激活或抑制Wnt途徑中的Wnt抑制因子-1(WIF-1)基因，編碼蛋白與Wnt配體競(jìng)爭(zhēng)卷曲蛋白受體的結(jié)合、阻斷Wnt信號(hào)，為該途徑的負(fù)反饋調(diào)節(jié)基因，該基因的異常高甲基化與鼻咽癌、膀胱癌、食管癌等多種腫瘤的發(fā)生有關(guān)基因的CpG位點(diǎn)是自發(fā)突變的重要位點(diǎn)，人類腫瘤P53基因突變25%發(fā)生于該位點(diǎn)，結(jié)直腸癌者達(dá)50%DNA甲基化與早期診斷：可以檢測(cè)體液中某些基因的異常甲基化狀態(tài)，為腫瘤的早期診斷。如檢測(cè)肺癌患者痰液中P16甲基化狀態(tài)作為肺癌輔助診斷手段檢測(cè)糞便中分泌型卷曲相關(guān)蛋白2基因甲基化狀態(tài)診斷結(jié)直腸癌DNA甲基化與腫瘤發(fā)展及預(yù)后結(jié)腸腺瘤性息肉病基因(APC)啟動(dòng)子甲基化可預(yù)示宮頸癌轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)、并提示患者處于高危狀態(tài)肝癌細(xì)胞鈣粘蛋白基因甲基化與血管浸潤(rùn)及腫瘤轉(zhuǎn)移有關(guān)基因異常甲基化還可與染色體缺失協(xié)同抑制基因表達(dá)，并且有互作效應(yīng)卷曲同系物9(FZD9)基因非甲基化、該位點(diǎn)染色體不發(fā)生缺失的骨髓增生異常綜合征轉(zhuǎn)化的急性髓系白血病患者的1年總生存率約為90%；基因甲基化、且該位點(diǎn)染色體不發(fā)生缺失的患者1年總生存率約為75%；基因非甲基化且該位點(diǎn)染色體發(fā)生缺失的患者1年總生存率達(dá)40%左右，而基因甲基化、且該位點(diǎn)染色體發(fā)生缺失的患者1年總生存率僅15%左右。組蛋白修飾與腫瘤染色質(zhì)通常由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成，組蛋白是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)蛋白；組蛋白的N-末端可通過甲基化、乙?；⒘姿峄?、泛素化等翻譯后修飾，改變DNA與組蛋白之間的相互作用，影響染色質(zhì)的松散與集縮，從而激活或抑制轉(zhuǎn)錄，其中以組蛋白甲基化、乙酰化尤為重要；組蛋白乙?；怯山M蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶(HAT)和組蛋白去乙?；?HDAC)協(xié)調(diào)催化完成；修飾的部位一般位于N-末端的賴氨酸殘基，如H3上的9號(hào)和14號(hào)、H4上的5、8、12、16號(hào)；組蛋白乙?；且粋€(gè)可逆的動(dòng)力學(xué)過程，可以調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄；組蛋白的末端賴氨酸殘基高乙酰化與染色質(zhì)松散及轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)，低乙?；c基因沉默或抑制有關(guān)。組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶催化組蛋白尾部的賴氨酸殘基乙?；?，導(dǎo)致局部DNA與組蛋白八聚體的緊密纏繞被解開，使各種轉(zhuǎn)錄因子能與DNA調(diào)控元件相結(jié)合，促使基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄；組蛋白去乙?；府惓＝Y(jié)合到啟動(dòng)子區(qū)，從而抑制正常功能基因的轉(zhuǎn)錄也可能是惡性腫瘤發(fā)生的機(jī)制之一組蛋白甲基化甲基化位點(diǎn)多位于組蛋白H3、H4的賴氨酸或精氨酸殘基，由組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶催化，而去甲基化由賴氨酸去甲基酶催化；賴氨酸可單、雙、三甲基化，精氨酸可單、雙甲基化，增加了組蛋白修飾的復(fù)雜性通過組蛋白甲基化的位置，可判斷基因是被激活還是抑制H3-K9和H4-K20甲基化與基因沉默有關(guān)；H3-K4、K36、K79甲基化可使基因激活組蛋白修飾能夠引起核小體結(jié)構(gòu)的變化,導(dǎo)致染色質(zhì)重塑,影響各類轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合,進(jìn)而影響基因的轉(zhuǎn)錄。組蛋白乙?；瘜?duì)于維持組蛋白的功能和DNA轉(zhuǎn)錄是必需的,組蛋白乙酰化的失衡將引起相應(yīng)的染色體結(jié)構(gòu)和基因轉(zhuǎn)錄水平的改變，影響細(xì)胞周期、分化及凋亡,并可導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生染色質(zhì)重塑：指染色質(zhì)位置、結(jié)構(gòu)的變化，包括緊縮的染色質(zhì)絲在與核小體連接處發(fā)生松動(dòng)，造成染色質(zhì)的解壓縮，從而暴露基因轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用因子與之結(jié)合提供可能。兩類結(jié)構(gòu)介導(dǎo)：ATP依賴的核小體重塑復(fù)合體，通過水解作用改變核小體構(gòu)型；組蛋白共價(jià)修飾復(fù)合體，催化對(duì)核心組蛋白N-末端尾部進(jìn)行共價(jià)修飾，改變核小體構(gòu)型，為其它蛋白提供與DNA作用的結(jié)合位點(diǎn)；動(dòng)態(tài)的染色質(zhì)重塑是大多數(shù)以DNA為模板的生物學(xué)過程的基礎(chǔ)，如基因轉(zhuǎn)錄、DNA的復(fù)制與修復(fù)、染色體濃縮與分離、細(xì)胞調(diào)亡等，因而異常的染色質(zhì)重塑與腫瘤的發(fā)生與發(fā)展直接有關(guān)不同的染色質(zhì)重塑可導(dǎo)致不同的腫瘤，但其與腫瘤發(fā)生與發(fā)展的關(guān)系尚有待進(jìn)一步探索非編碼RNA調(diào)控非編碼RNA分為長(zhǎng)鏈非編碼RNA和短鏈非編碼RNA。長(zhǎng)鏈非編碼RNA在基因簇甚至整個(gè)染色體水平發(fā)揮順式調(diào)節(jié)作用；短鏈RNA在基因組水平對(duì)基因表達(dá)發(fā)揮調(diào)控作用。短鏈RNA能介導(dǎo)mRNA降解、誘導(dǎo)染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)的改變從而決定細(xì)胞的分化命運(yùn)、對(duì)外源核酸序列有降解作用以保護(hù)本身的基因組，常見的短鏈RNA有小干涉RNA(ShortinterferingRNA，SiRNA)和微小RNA(MicroRNA,miRNA)。干擾RNA：與真核生物mRNA編碼區(qū)同源的外源性雙鏈RNA(dsRNA)能特異性地誘導(dǎo)其同源mRNA的降解，導(dǎo)致相應(yīng)基因的沉默，hx現(xiàn)象稱為RNA干擾(RNAi)，RNAi依賴于小干擾RNA與靶序列之間嚴(yán)格的堿基配對(duì)，有很強(qiáng)的特異性；微小RNA：由核內(nèi)的Pri-miRNA在RnaseⅢ核酸酶作用下加工成發(fā)夾狀pre-miRNA，轉(zhuǎn)運(yùn)到胞質(zhì)后在雙鏈RNA特異性RNA內(nèi)切酶(Dicer)作用下被切割成雙鏈miRNA。解鏈成單鏈后進(jìn)入核糖蛋白復(fù)合體，參與對(duì)mRNA的切割或翻譯抑制。RNA干擾分為兩個(gè)階段：酶切啟動(dòng)階段：外源雙源RNA(dsRNA)通過外源導(dǎo)入、轉(zhuǎn)基因、或者病毒感染等方式進(jìn)入細(xì)胞后，專一性的雙鏈RNA內(nèi)切酶識(shí)別dsRNA并將其切成大量的碎片(siRNA)，能識(shí)別同源的靶mRNA序列，啟動(dòng)RNA干擾；RISC形成：siRNA與特異性蛋白結(jié)合后解鏈，其反義鏈與核酶復(fù)合物結(jié)合，形成誘導(dǎo)RNA沉默的復(fù)合物(RNAinducedsilencingcomplex,RISC)。RISC形成后結(jié)合到靶mRNA上，在RNA依賴的RNA聚合酶催化下形成dsRNA，后者又會(huì)在雙鏈RNA內(nèi)切酶作用下降解為siRNA。siRNA天然的作用是封閉轉(zhuǎn)座子，它們能在染色質(zhì)水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、基因水平對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。實(shí)驗(yàn)室研究表明，部分miRNA與多種腫瘤、癌癥的發(fā)生密切有關(guān)。不同表觀遺傳修飾之間的相互調(diào)控：表觀遺傳修飾能從多個(gè)水平上調(diào)控基因的表達(dá)，而不同水平的調(diào)控之間又相互關(guān)聯(lián)，在真核細(xì)胞內(nèi)形成了一個(gè)完整的表觀遺傳調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)。miRNA的表達(dá)受甲基化及其它表觀遺傳機(jī)制的調(diào)控；siRNA可誘導(dǎo)DNA甲基化腫瘤細(xì)胞表觀遺傳學(xué)異常的分子機(jī)制印記丟失：遺傳印記是指，來自父母雙方的等位基因在通過精子和卵子遺傳給子代時(shí)發(fā)生了修飾，使帶有親代印記的等位基因具有不同的表達(dá)特征。正常的基因印記受DNA甲基化和組蛋白甲基化及乙酰化的調(diào)控，以保證父系基因的決定地位，即一對(duì)等位基因中一個(gè)發(fā)生轉(zhuǎn)錄，另一個(gè)被抑制。腫瘤中一些基因丟失其遺傳印記會(huì)導(dǎo)致異常情況發(fā)生，如等位基因的共表達(dá)。如：胚胎細(xì)胞只有母系染色體時(shí)成為畸胎瘤、只有父系染色體時(shí)成為葡萄胎；結(jié)腸癌患者結(jié)腸上皮類胰島素生長(zhǎng)因子2(IGF2)等位基因共表達(dá)，致強(qiáng)效生長(zhǎng)刺激，與不斷升高的結(jié)腸癌風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)；而在Wilm’s瘤，IGF2基因印記丟失，產(chǎn)生一種異常的未分化細(xì)胞，其不斷增生而不受調(diào)控及修復(fù)基因的影響，最終引發(fā)腎癌；基因印記丟失的小鼠模型：Holm等通過破壞DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT1，暫時(shí)誘導(dǎo)基因組脫甲基化，從而建立基因印記丟失的小鼠模型。來自該模型的成纖維細(xì)胞可在免疫缺陷小鼠體內(nèi)形成腫瘤，并具有體外永生的特性。Holm認(rèn)為，單獨(dú)的印記丟失就可使細(xì)胞發(fā)生癌性增生。因?yàn)榧?xì)胞降低了永生化的域值，在沒有基因突變的情況下，可遺傳的基因表達(dá)模式的變化導(dǎo)致干細(xì)胞的異常增生，進(jìn)而誘發(fā)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。DNA甲基化腫瘤的表觀遺傳學(xué)異常以DNA甲基化的模式改變?yōu)橹鳎ㄕ麄€(gè)基因組的低甲基化和啟動(dòng)子區(qū)的高甲基化；目前最受關(guān)注的是啟動(dòng)子區(qū)CpG島的高甲基化導(dǎo)致抑癌基因的轉(zhuǎn)錄沉默，這很可能是癌性增生的最初表現(xiàn)；Issa等研究證實(shí)存在CpG島甲基化表型，即同時(shí)存在多個(gè)基因具有腫瘤特異性CpG島甲基化。常見的抑癌基因P16就是因?yàn)閱?dòng)子區(qū)CpG島高甲基化而沉默的，該基因功能的丟失可延長(zhǎng)干細(xì)胞的壽命、導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定性、早期癌性病變易于發(fā)生。與腫瘤異常甲基化狀態(tài)相關(guān)的酶是DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)，其催化在CpG島胞嘧啶5位上共價(jià)連接上甲基基團(tuán)。DNMT酶包括DNMT1、DNMT3b和DNMT3a，DNMT1與甲基化維持有關(guān)，即在半甲基化DNA中以甲基化單鏈為模板對(duì)互補(bǔ)鏈進(jìn)行甲基化；DNMT3b和DNMT3a介導(dǎo)DNA雙鏈的從頭甲基化。多種組織來源的腫瘤細(xì)胞可