甲基化与肿瘤

关于甲基化与肿瘤第一页，共三十八页，2022年，8月28日第二页，共三十八页，2022年，8月28日内容提纲DNA甲基化及其与肿瘤的关系组蛋白甲基化及其与肿瘤的关系第三页，共三十八页，2022年，8月28日DNA甲基化概念：DNA甲基化（DNAmethylation)是指在DNA甲基转移酶（DNMTs）的作用下，将一个甲基添加在DNA分子中的碱基上，最常见的是加在胞嘧啶上，由此形成5-甲基胞嘧啶（5mC）。第四页，共三十八页，2022年，8月28日第五页，共三十八页，2022年，8月28日1、DNA甲基化位点：CpG岛或富含CpG岛的区域2、CpG岛特征：A、CpG岛主要位于基因的启动子区，部分位于基因的第一个外显子区；B、CpG岛甲基化可以直接导致相关基因的表观遗传学沉默。DNA甲基化第六页，共三十八页，2022年，8月28日3、DNA甲基化的生物学意义DNA甲基化直接制约基因的活化状态。在进化和生命体活动中，DNA甲基化的生物学意义在于基因表达的时空调控，以及保护基因组的稳定性。例如，基因在不同时期特异表达，有些基因在发育早期甲基化，发育晚期被诱导去甲基化；管家基因低甲基化；印记基因高甲基化等。第七页，共三十八页，2022年，8月28日4、DNA甲基化抑制基因转录的机制：(1)干扰转录因子对DNA元件的识别和结合第八页，共三十八页，2022年，8月28日

(2)序列特异性的甲基化DNA结合蛋白与启动子区甲基化CpG岛结合，募集组蛋白去乙酰化酶(HDAC)，形成转录抑制复合物，阻止转录因子与启动子区靶序列的结合，从而影响基因的转录。第九页，共三十八页，2022年，8月28日GeneexpressionisaffectedbynearbyDNAsequencescalledpromoters,whichoftenincludeCpGislands.WhenMeCP2bindstotheCpGislandinapromoter(bottom),associatedproteinsacttopreventexpressionofthegene.第十页，共三十八页，2022年，8月28日（3）DNA甲基化通过改变染色质结构，抑制基因表达。染色质构型的变化伴随着组蛋白的乙酰化和去乙酰化，以调控基因转录的“开”和“关”。

第十一页，共三十八页，2022年，8月28日DNA甲基化与肿瘤相关基因的低甲基化抑癌基因的过甲基化第十二页，共三十八页，2022年，8月28日肿瘤中重复序列DNA的低甲基化肿瘤中单拷贝基因的低甲基化人类基因组中与癌症相关的低甲基化：第十三页，共三十八页，2022年，8月28日

肿瘤中重复序列DNA的低甲基化

长散在核苷元件（LINE）和Alu等重复序列及某些内源性逆转录病毒元件在多种肿瘤中存在低甲基化现象。LINE-1是人类基因组中最活跃、最丰富的可移动DNA或转座子序列。这些可移动DNA的低甲基化可以引起癌基因转录激活且发生于许多肿瘤中。此外，可移动DNA的低甲基化也能破坏邻近基因的正常表达。例如，LINE-1的突变性插入破坏了大肠癌和乳腺癌中抑癌基因APC和C-MYC的表达，导致肿瘤的发生。第十四页，共三十八页，2022年，8月28日肿瘤中单拷贝基因的低甲基化人类肿瘤中发现了一些与肿瘤或增殖有关的基因的甲基化。原癌基因HOX11在一些T细胞型淋巴母细胞白血病中和肿瘤抗原基因MN/CA49在一些肾癌细胞癌中，都已发现有低甲基化现象。在结肠癌、直肠癌中癌基因C-MYCHapa2位点也观察到低甲基化。另外，一些肿瘤标志基因如编码肿瘤特异性的MAGE、LAGE和GAGE的成员及一些印记基因如IGF2、H19等在某些肿瘤中也程现低甲基化状态。第十五页，共三十八页，2022年，8月28日总之，两个主要的机制均暗示DNA低甲基化可能导致癌症。第一，它可能改变单基因表达，例如癌基因的过量表达，对癌症直接发挥作用，或者，它可以打断肿瘤抑制基因，破坏体内的抗肿瘤机制。第二，DNA低甲基化可能导致染色体不稳定，增加肿瘤易感性。第十六页，共三十八页，2022年，8月28日人类癌症中具有高甲基化CpG岛的基因基因功能定位肿瘤类型结论p16INK4a周期依赖激酶抑制剂9p21多种肿瘤细胞周期入口P14ARFMDM2抑制剂9p21结肠癌、胃癌、肾癌p53下游基因P15LNK4b周期依赖激酶抑制剂9p21白血病细胞周期入口hMLH1DNA错配修复3p21.3结肠癌、子宫内膜癌、胃癌移码突变BRCA1DNA修复、转录17q21乳腺癌、卵巢癌双链打断抑癌基因过甲基化与肿瘤有关第十七页，共三十八页，2022年，8月28日1.细胞周期2.P53网络3.激素应答4.细胞因子信号抑癌基因过甲基化与肿瘤发生的机制第十八页，共三十八页，2022年，8月28日细胞周期在许多人类的主要肿瘤和细胞系中，细胞循环抑制物p16INK4a均被过甲基化，使癌细胞易脱离衰老并增殖。同样，RB基因和细胞循环抑制物p15INK4b也经常遭遇到异常高甲基化。第十九页，共三十八页，2022年，8月28日p53网络人类癌症中，p53是突变频率最高的肿瘤抑制基因；但是，一般的人类原发肿瘤是p53的野生型。另一个使p53失活的方式是通过甲基化调节使肿瘤抑制基因p14ARF沉默，这条途径可使MDM2癌基因蛋白脱离P14ARF抑制，自由引发p53退化。在白血病中，p53的同源基因p73也被过甲基化。第二十页，共三十八页，2022年，8月28日激素应答雌激素、孕酮、雄激素和泌乳刺激素受体异常甲基化发生在乳腺和子宫肿瘤中，可能导致这些癌细胞不对此类激素发生应答。表现出视黄酸受体β2和细胞视黄醇结合蛋白Ⅰ的启动子过甲基化的肿瘤可能废止类维生素A的分化作用。第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日细胞因子信号几条细胞因子通路负调控中的发现均暗示细胞因子信号抑制剂（SOCS）家族蛋白的存在，特别是转录活性转录体Jak/STAT通路的受体相关酪氨酸/信号变化器和激活剂。在人类癌症中，SOCS-1和SOCS-3经历了甲基化相关的沉默。第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日总之，与低甲基化相比，高甲基化是一个较简单的现象，经常出现在特殊基因的调控/启动区域，随癌症种类的不同而不同。很清楚，和低甲基化一样，很多与人类癌症相关的基因中存在高甲基化现象，而这种基因的数目还在成倍增加。第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日组蛋白甲基化1.概念：指发生在H3和H4组蛋白N端精氨酸和赖氨酸残基上的甲基化，由组蛋白甲基转移酶介导催化。2.分类：24个组蛋白甲基化位点，其中17个位于赖氨酸，7个位于精氨酸。第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日组蛋白甲基化3.相关酶：

蛋白质精氨酸甲基转移酶精氨酸SET家族赖氨酸组蛋白甲基转移酶（HMTs）组蛋白去甲基化酶LSD1JmjC家族蛋白PADI4（赖氨酸特异性去甲基化酶1）（精氨酸肽基脱亚胺酶）第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日组蛋白甲基化第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日组蛋白甲基转移酶特点A：组蛋白赖氨酸的甲基化是可逆的B：分两个家族，即组蛋白赖氨酸甲基转移酶和组蛋白精氨酸甲基转移酶C：组蛋白甲基化标记对基因表达调控的作用可以完全相反，有时促进基因表达，有时却抑制基因表达，调控作用取决于甲基化的位点和甲基化的程度D：修饰的复杂性，即某一特定残疾可以结合不同数目的残基，赖氨酸残基能够单、双、三甲基化，精氨酸残疾能够单、双甲基化，极大地增加了组蛋白甲基化修饰调控的复杂性第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日组蛋白甲基化功能组蛋白甲基化与异染色质形成组蛋白甲基化与基因印记组蛋白甲基化与X染色体失活第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日

组蛋白甲基化与异染色质形成

SUV39H1和SUV39H2甲基转移酶对异染色质的形成具有重要作用。将两个基因突变后，H3K9的甲基化会减少一半，这样出生的小鼠有丝分裂中染色体的分离有缺陷。在裂殖酵母中H3K9位点的甲基化可以将常染色质和异染色质在特定区域分开。在形成异染色质的过程中，Su（var）3-9通过与异染色质蛋白1（HP1）相互作用来控制蛋白质的定位。第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日

组蛋白甲基化与基因印记

基因印记是指一对等位基因中，一条来自父方，一条来自母方，其中任何一方基因表达处于抑制状态，就被称为基因印记。组蛋白甲基转移酶在基因印记中发挥重要作用，缺少组蛋白甲基转移酶会导致基因印记丢失。最近，有两项在大鼠7号染色体中的研究都发现组蛋白甲基化可能是除了DNA甲基化以外维持基因印记的另一种重要途径。第三十页，共三十八页，2022年，8月28日

组蛋白甲基化与X染色体失活

雌性哺乳动物的剂量补偿是由X染色体失活和Xist非编码RNA决定的。在胚胎干细胞分化过程中，Xist表达和H3K27me3、H4K20me1、DAN甲基化有关。胚胎组织随机X染色体失活是由DNA甲基化控制的，而胚外组织对于已经印记的X染色体失活的维持是依赖Eed的功能和Xist的表达，与DAN甲基化无关。由此可见，X染色体失活和基因印记可能由同样的机制引起，这些机制中就包括组蛋白甲基化。第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日组蛋白甲基化与肿瘤组蛋白的甲基化状态与基因表达有关，因此肿瘤细胞也存在组蛋白甲基化的异常，如下表。

第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日组蛋白甲基化与肿瘤RIZ1（PRDM2）具有H3K9位甲基转移酶活性，研究发现在某些肿瘤，如乳腺癌、肝癌、结肠癌、神经母细胞瘤中，该基因发生基因突变而失去活性，而其失活有引起G2-M期的细胞周期延长，凋亡抑制，因此推测H3K9位组蛋白甲基转移酶可能具有肿瘤抑制功能，它的功能缺失可能参与癌症的发生过程。第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日组蛋白甲基化与肿瘤Suv39h1/2剔除的鼠基因不稳定，染色体错误分离，导致B细胞淋巴瘤。人的Suv39h1/2与视网膜胶质瘤蛋白RB共同调节周期蛋白E（cyclineE）的基因表达，Suv39h1/2的功能下调可能导致增殖失控而发生癌变，如霍奇金淋巴瘤。另外，H4R3位甲基化影响白血病细胞的分化。MLL1甲基转移酶突变与多种类型白血病有关。结肠癌和肝癌细胞中SMYD3甲基转移酶过表达，前列腺癌、淋巴瘤、乳腺癌中EZH2甲基转移酶高表达，这些研究说明组蛋白甲基转移酶异常可能从参与实体肿瘤的发生。第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日肿瘤表观遗传学的临床意义一、CpG岛高甲基化用于肿瘤的诊断近年来的广泛定位确定了越来越多的癌症中异常过甲基化的基因CpG岛，包含了多数人类癌症的形成。这些DNA甲基化图使人们发现定义不同癌症发生的甲基化CpG岛的独特外形，从而可能制作一个全面的人类每种癌症的“甲基型”或“DNA甲基化签名”。例如，直结肠癌中p16INK4a、p14ARF、APC和MGMT存在过甲基化，而非典型子宫内膜增生中hMLH1异常甲基化。所以，异常CpG岛甲基化的存在可用于早期筛查，在家族癌症发生高危人群中第三十五页，共三十八页，2022年，8月28日尤其有用，因为它们有和散发病例相似的CpG岛过甲基化。二、CpG岛高甲基化用于预测肿瘤疗效MGMT蛋白（O-6-甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶）在DNA鸟嘌呤额外烷基化中直接起作用。该碱基是DNA中几个烷基化化疗药物的首选靶点，如BCNU（卡氮芥）、丙卡巴肼、替莫唑胺。所以，因过甲基化而失去MGMT的肿瘤可能对这些烷化剂更敏感，因为在癌细胞中，它们的DNA损害不可能被修复，从而导致