表观遗传学与肿瘤

1、表观遗传学与肿瘤,表观遗传学概念,表观遗传学是研究不涉及DNA序列变化、可遗传的基因表达调控方式的学科； 一般来说, 细胞的基因组中除了DNA和RNA序列以外还有很多调控基因表达的信息, 虽然它们本身不会改变基因的序列, 但是可以通过对DNA的修饰、蛋白质与蛋白质、DNA和其他分子间的作用, 影响和调节基因的功能, 并且通过细胞的分裂和增殖周期影响遗传, 这些都属于表观遗传学所研究的范畴。,表观遗传概念与机制,表观遗传是指基因表达或蛋白表达改变不涉及基因DNA序列的变化、但可随细胞分裂和增殖而稳定遗传的现象。 表观遗传机制对于人体多种细胞的生长和分化都是重要的，如X染色体失活等一些正常细胞生理

2、功能都由表观遗传所决定。 随着年龄的增长或环境的影响，细胞正常的表观遗传状态可能被打破，从而导致促癌基因的异常活化或抑癌基因的失活、促进肿瘤形成。 表观遗传修饰主要包括DNA及一些与DNA密切相关的蛋白质的化学修饰，某些非编码的RNA也在表观遗传修饰中起重要作用；因此表观遗传修饰可从DNA、组蛋白、染色质及RNA等多个层面上调控基因的表达。 常见表观遗传修饰机制包括：基因组印记、DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA、染色质重塑,一、DNA甲基化与肿瘤,在早期发育阶段，甲基化和非甲基化交替 是细胞得以生长和分化的关键程序， 有保证细胞正常发育和基因组稳定性的重要作用 在正常细胞内，启动子区的胞

3、嘧啶磷酸鸟嘌呤(CpG)呈非甲基化状态，而大多数散在分布的CpG二核苷酸常多发生甲基化。 DNA甲基化一般与基因的沉默有关，非甲基化则与基因的活化相关，去甲基化往往与沉默基因的重新激活有关。,正常的甲基化对于维持机体的功能是必需的，如基因印记、X染色体失活、细胞分化、胚胎发育等；而异常的DNA甲基化则会引起疾病甚至肿瘤的发生，异常CpG的重新甲基化通常被认为是人类癌症发生的早期特征 人类肿瘤细胞株中，许多肿瘤相关基因5端启动子区CpG岛发生高甲基化，如某些抑癌基因、细胞周期调节基因、肿瘤转移抑制基因、DNA修复基因及血管生成抑制基因。有些在不同的癌症中高甲基化，有些只在特定的癌症中甲基化； 恶

4、性肿瘤的另一个特点是重复序列如卫星DNA和寄生DNA的甲基化程度降低，低甲基化的基因组不稳定、易突变； 在许多癌症中，细胞整体呈现低甲基化水平，并随着肿瘤进展，低甲基化水平加强；基因整体甲基化水平降低可增加某些基因表达，如ras、myc等原癌基因活化，形成突变热点、转座子异常表达、基因不稳定等，促进肿瘤发生,Paz等对人类12种肿瘤70多个肿瘤细胞系进行了15个基因的系统分析： 每种肿瘤至少有1种基因启动子区发生高甲基化； 这种启动子甲基化具有肿瘤类型的特异性； 结直肠癌 DNA错配修复基因(hMLH1)、O6-甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶(O6-MGMT)、金属蛋白酶组织抑制剂3(TIMP)

5、乳腺癌 仅O6-MGMT基因高甲基化 信号途径关键位置基因异常甲基化可导致该途径的异常激活或抑制 Wnt途径中的Wnt抑制因子-1(WIF-1)基因，编码蛋白与Wnt配体竞争卷曲蛋白受体的结合、阻断Wnt信号，为该途径的负反馈调节基因，该基因的异常高甲基化与鼻咽癌、膀胱癌、食管癌等多种肿瘤的发生有关,基因的CpG位点是自发突变的重要位点，人类肿瘤P53基因突变25%发生于该位点，结直肠癌者达50%,DNA甲基化与早期诊断：可以检测体液中某些基因的异常甲基化状态，为肿瘤的早期诊断。 如检测肺癌患者痰液中P16甲基化状态作为肺癌辅助诊断手段 检测粪便中分泌型卷曲相关蛋白2基因甲基化状态诊断结直肠癌

6、 DNA甲基化与肿瘤发展及预后 结肠腺瘤性息肉病基因(APC)启动子甲基化可预示宫颈癌转移和复发、并提示患者处于高危状态 肝癌细胞钙粘蛋白基因甲基化与血管浸润及肿瘤转移有关 基因异常甲基化还可与染色体缺失协同抑制基因表达，并且有互作效应,卷曲同系物9(FZD9)基因非甲基化、该位点染色体不发生缺失的骨髓增生异常综合征转化的急性髓系白血病患者 的1年总生存率约为90%；基因甲基化、且该位点染色体不发生缺失的患者1年总生存率约为75%；基因非甲基化且该位点染色体发生缺失的患者1年总生存率达40%左右，而基因甲基化、且该位点染色体发生缺失的患者1年总生存率仅15%左右。,组蛋白修饰与肿瘤,染色质通常

7、由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成，组蛋白是染色质的基本结构蛋白； 组蛋白的N-末端可通过甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等翻译后修饰，改变DNA与组蛋白之间的相互作用，影响染色质的松散与集缩，从而激活或抑制转录，其中以组蛋白甲基化、乙酰化尤为重要； 组蛋白乙酰化是由组蛋白乙酰基转移酶(HAT)和组蛋白去乙酰基酶(HDAC)协调催化完成； 修饰的部位一般位于N-末端的赖氨酸残基，如H3上的9号和14号、H4上的5、8、12、16号；,组蛋白乙酰化是一个可逆的动力学过程，可以调节基因的转录； 组蛋白的末端赖氨酸残基高乙酰化与染色质松散及转录激活有关，低乙酰化与基因沉默或抑制有关。组蛋白乙酰

8、基转移酶催化组蛋白尾部的赖氨酸残基乙酰化，导致局部DNA与组蛋白八聚体的紧密缠绕被解开，使各种转录因子能与DNA调控元件相结合，促使基因发生转录； 组蛋白去乙酰化酶异常结合到启动子区，从而抑制正常功能基因的转录也可能是恶性肿瘤发生的机制之一,组蛋白甲基化 甲基化位点多位于组蛋白H3、H4的赖氨酸或精氨酸残基，由组蛋白赖氨酸甲基转移酶催化 ，而去甲基化由赖氨酸去甲基酶催化； 赖氨酸可单、双、三甲基化，精氨酸可单、双甲基化，增加了组蛋白修饰的复杂性 通过组蛋白甲基化的位置，可判断基因是被激活还是抑制 H3-K9和H4-K20甲基化与基因沉默有关；H3-K4、K36、K79甲基化可使基因激活 组蛋白

9、修饰能够引起核小体结构的变化, 导致染色质重塑, 影响各类转录因子与DNA的结合, 进而影响基因的转录。 组蛋白乙酰化对于维持组蛋白的功能和DNA转录是必需的, 组蛋白乙酰化的失衡将引起相应的染色体结构和基因转录水平的改变，影响细胞周期、分化及凋亡, 并可导致肿瘤的发生,染色质重塑： 指染色质位置、结构的变化，包括紧缩的染色质丝在与核小体连接处发生松动，造成染色质的解压缩，从而暴露基因转录启动子区中的顺式作用元件，为反式作用因子与之结合提供可能。 两类结构介导：ATP依赖的核小体重塑复合体，通过水解作用改变核小体构型；组蛋白共价修饰复合体，催化对核心组蛋白N-末端尾部进行共价修饰，改变核小体构

10、型，为其它蛋白提供与DNA作用的结合位点； 动态的染色质重塑是大多数以DNA为模板的生物学过程的基础，如基因转录、DNA的复制与修复、染色体浓缩与分离、细胞调亡等，因而异常的染色质重塑与肿瘤的发生与发展直接有关 不同的染色质重塑可导致不同的肿瘤，但其与肿瘤发生与发展的关系尚有待进一步探索,非编码RNA调控 非编码RNA分为长链非编码RNA和短链非编码RNA。长链非编码RNA在基因簇甚至整个染色体水平发挥顺式调节作用；短链RNA在基因组水平对基因表达发挥调控作用。 短链RNA能介导mRNA降解、诱导染色质的结构的改变从而决定细胞的分化命运、对外源核酸序列有降解作用以保护本身的基因组，常见的短链R

11、NA有小干涉RNA(Short interfering RNA，SiRNA)和微小RNA(MicroRNA, miRNA)。 干扰RNA：与真核生物mRNA编码区同源的外源性双链RNA (dsRNA)能特异性地诱导其同源mRNA的降解，导致相应基因的沉默，hx 现象称为RNA干扰(RNA i)，RNA i依赖于小干扰RNA与靶序列之间严格的碱基配对，有很强的特异性； 微小RNA：由核内的Pri-miRNA在Rnase 核酸酶作用下加工成发夹状pre-miRNA，转运到胞质后在双链RNA特异性RNA内切酶(Dicer)作用下被切割成双链miRNA。解链成单链后进入核糖蛋白复合体，参与对mRNA的

12、切割或翻译抑制。,RNA干扰分为两个阶段： 酶切启动阶段：外源双源RNA(dsRNA)通过外源导入、转基因、或者病毒感染等方式进入细胞后，专一性的双链RNA内切酶识别dsRNA并将其切成大量的碎片(siRNA)，能识别同源的靶mRNA序列，启动RNA干扰； RISC形成：siRNA与特异性蛋白结合后解链，其反义链与核酶复合物结合，形成诱导RNA沉默的复合物(RNA induced silencing complex, RISC)。RISC形成后结合到靶mRNA上，在RNA依赖的RNA聚合酶催化下形成dsRNA，后者又会在双链RNA内切酶作用下降解为siRNA。 siRNA天然的作用是封闭转座子

13、，它们能在染色质水平、转录水平、转录后水平、基因水平对基因表达进行调控。 实验室研究表明，部分miRNA与多种肿瘤、癌症的发生密切有关。,不同表观遗传修饰之间的相互调控： 表观遗传修饰能从多个水平上调控基因的表达，而不同水平的调控之间又相互关联，在真核细胞内形成了一个完整的表观遗传调控的网络。 miRNA的表达受甲基化及其它表观遗传机制的调控； siRNA可诱导DNA甲基化,肿瘤细胞表观遗传学异常的分子机制,印记丢失： 遗传印记是指，来自父母双方的等位基因在通过精子和卵子遗传给子代时发生了修饰，使带有亲代印记的等位基因具有不同的表达特征。 正常的基因印记受DNA甲基化和组蛋白甲基化及乙酰化的调

14、控，以保证父系基因的决定地位，即一对等位基因中一个发生转录，另一个被抑制。 肿瘤中一些基因丢失其遗传印记会导致异常情况发生，如等位基因的共表达。如： 胚胎细胞只有母系染色体时成为畸胎瘤、只有父系染色体时成为葡萄胎； 结肠癌患者结肠上皮类胰岛素生长因子2(IGF2)等位基因共表达，致强效生长刺激，与不断升高的结肠癌风险有关； 而在Wilms瘤，IGF2基因印记丢失，产生一种异常的未分化细胞，其不断增生而不受调控及修复基因的影响，最终引发肾癌；,基因印记丢失的小鼠模型： Holm等通过破坏DNA甲基转移酶DNMT1，暂时诱导基因组脱甲基化，从而建立基因印记丢失的小鼠模型。 来自该模型的成纤维细胞可

15、在免疫缺陷小鼠体内形成肿瘤，并具有体外永生的特性。 Holm认为，单独的印记丢失就可使细胞发生癌性增生。因为细胞降低了永生化的域值，在没有基因突变的情况下，可遗传的基因表达模式的变化导致干细胞的异常增生，进而诱发肿瘤的发生、发展。,DNA甲基化 肿瘤的表观遗传学异常以DNA甲基化的模式改变为主，包括整个基因组的低甲基化和启动子区的高甲基化； 目前最受关注的是启动子区CpG岛的高甲基化导致抑癌基因的转录沉默，这很可能是癌性增生的最初表现； Issa等研究证实存在CpG岛甲基化表型，即同时存在多个基因具有肿瘤特异性CpG岛甲基化。 常见的抑癌基因P16就是因为启动子区CpG岛高甲基化而沉默的，该基

16、因功能的丢失可延长干细胞的寿命、导致基因组不稳定性、早期癌性病变易于发生。 与肿瘤异常甲基化状态相关的酶是DNA甲基转移酶(DNMTs)，其催化在CpG岛胞嘧啶5位上共价连接上甲基基团。,DNMT酶包括DNMT1、DNMT3b和DNMT3a，DNMT1与甲基化维持有关，即在半甲基化DNA中以甲基化单链为模板对互补链进行甲基化；DNMT3b和DNMT3a介导DNA双链的从头甲基化。 多种组织来源的肿瘤细胞可DNMT蛋白及活动水平增高，DNMT抑制剂抑制DNMT活性可延缓小鼠肺癌模型中的癌性增生。 实验研究发现基因敲除DNMT1后，肿瘤总体甲基化水平仅微弱减少，而敲除DNMT3b可使95%的基因组

17、5-甲基胞嘧啶去甲基化、全部启动子去甲基化、沉默基因活化表达。说明DNMT1的功能以维持甲基化及基因表达抑制为主，而DNMT3具有从头甲基化作用。 尽管DNMT1对于未甲基化的物质几乎无甲基化作用，但其过度表达依然可导致未甲基化的人类CpG岛序列从头甲基化，因此，其在肿瘤细胞很可能具有上述能力。,组蛋白修饰与染色质重塑： 核小体是染色质高级构造的基本结构，组蛋白是核小体的重要组成部分，核小体由147对碱基包裹8个组蛋白构成的核心蛋白构成，147对碱基的位置和组蛋白的修饰对于维持基因的表达模式及染色体结构具有重要作用，以此来调控基因的表观遗传。 核小体的各组分处于精细的稳定状态，任何外界的微小变

18、化可能对细胞表型及转录模式产生巨大的影响 对于染色质包装来说，组蛋白修饰与DNA甲基化之间有密切的联系，各种选择型去乙酰化酶、DNMTs复合体、特定甲基化CpG序列结合蛋白家族(MBDs)之间相互联系。在调控基因转录时甲基化和赖氨酸乙酰化之间相互协作，但甲基化起主导作用；MBDs具有特异性结合基因启动子的能力，和DNA高甲基化及肿瘤中沉默基因有关,组蛋白乙酞基转移酶(HATs)和组蛋白去乙酞化酶(HDACs)相互作用调节组蛋白乙酞化的平衡，同时组蛋白甲基转移酶(HMTs)和组蛋白去甲基化酶有效的调控着组蛋白甲基化； 组蛋白赖氨酸乙酞化与转录激活相关联，而这些残基的甲基化则同时与激活以及抑制状态

19、有关； 组蛋白乙酞化和甲基化模式通过不同的效应蛋白而体现，含有bromo结构域的蛋白质，可以识别乙酞化的赖氨酸残基；含chromo结构域，可以结合到甲基化的赖氨酸残基上，作用于组蛋白并引起基因转录。 赖氨酸甲基化有单甲基化，双甲基化以及三甲基化3种不同的形式，他们显著扩大了组蛋白复合体的密码信息。比如，H3K9乙酰化和H3K4 甲基化是表达的活跃标志; 而H3K9和H3K27的单、双和三甲基化的大量出现则是转录抑制相关的组蛋白甲基化的标志。,早期肿瘤表观遗传学改变调控的潜在网络 表观遗传学改变在干细胞的异常克隆性增殖及肿瘤的易感性方面发挥关键作用 对慢性炎症导致肿瘤的研究发现，正常细胞对细胞应

20、激和损伤的应答是暂时的，抑制细胞的存活，而慢性暴露于应激状态下则引起上述应答反应异常延长从而可能导致异常的克隆增生。 上述异常应答反应涉及SIRT1的异常增加、抑癌基因p53的转录抑制、HIC1的沉默： SIRT1是一种多功能应激蛋白，组蛋白去乙酰化酶的一种，参与p53基因的翻译后修饰、从而下调p53转录活性； HIC1基因是锌指结构域成员，既是p53的激活目标，又与SIRT1组成复合体并向SIRT1启动子聚集、抑制其转录；,SIRT1的去乙酰化作用还可导致并维持配对基因的转录沉默，诱导降低SIRT1的活性可以使这些沉默基因重新表达，这一过程涉及到Wnt发育信号通路； Wnt发育信号通路对成人

21、细胞更新时干细胞的扩增及维持有重要作用； 在结肠癌时，由于对抗Wnt信号途径的SFRPs基因家族首先发生了沉默，随后当下游通路基因突变时，由于拮抗因素，使Wnt通路过度激活，从而促进肿瘤的发展；而肿瘤细胞实验时，敲除SIRT1基因可以使已经沉默的SFRPs基因重新激活，从而逆转结肠癌及乳腺癌中Wnt途径的过度激活； SIRT1和PcG复合物在肿瘤中异常的基因沉默维持过程中可能共同发挥重要作用。,HIC1基因的纯合性缺失或表观遗传丢失均可导致SIR1基因表达增加，从而降低p53对正常细胞的作用； HIC1基因的表观遗传沉默也涉及其他路径，HIC1基因沉默后可导致Wnt 通路的过度激活。HIC1结

22、合TCF-4后可以募集p-catenin到紧凑的核结构上，构成HlC1体，就会妨碍驱动正常的Wnt通路的正常核p-catenin-TCF复合体的形成。,肿瘤表观遗传学在干细胞及酵母中的研究,过去的观点认为，成熟的干细胞发生异常的克隆性增生，导致细胞的异质性的不断增强，因此很多肿瘤呈现出一系列的演进过程； 新的观点强调肿瘤增生是由肿瘤干细胞引起的，肿瘤干细胞内的一些分子可以促进肿瘤的发展，如特定干细胞的Oct4的过表达可促进肠及其他器官的上皮细胞的肿瘤迅速发生。 胚胎干细胞中，细胞干细胞化的转录因子包括：OCT4、NANOG、SOX2，都定位于一个限制性的启动子区域，这些转录因子、细胞增殖调控基

23、因、组织分化调控基因都普遍与干细胞的多潜能性相关，大多保持低甲基化状态。,细胞干细胞化相关转录基因近侧的启动子区包含PcG蛋白及三甲基化H3K23，在胚胎发育中，当基因需要表达时，PcG的影响可被逆转或消失，到后续的细胞成熟或分化阶段，PcG复合物的作用可重新发挥，保持长时间的基因沉默。 PcG蛋白保持一个精确协调的、可塑的基因表达模式，其诱导的染色体标记在胚胎发育过程中能够保持干细胞和分化发育细胞表型之间的平衡,表观遗传修饰与肿瘤治疗,与基因突变、基因缺失不同，表观遗传修饰具有可逆性，因此可在肿瘤或癌前病变中，通过去甲基化或乙酰化的措施，恢复某些关键基因的表达，达到防治肿瘤的目的。 DNA甲基转移酶(DN