彭小春 (長江大學(xué)醫(yī)學(xué)院,湖北 荊州 434023)
魏 蕾 (武漢大學(xué)醫(yī)學(xué)院,湖北 武漢 430071)
胃癌的表觀遺傳學(xué)研究進(jìn)展
彭小春
(長江大學(xué)醫(yī)學(xué)院,湖北 荊州 434023)
魏 蕾
(武漢大學(xué)醫(yī)學(xué)院,湖北 武漢 430071)
胃癌的發(fā)生發(fā)展是一個涉及多基因多步驟的復(fù)雜過程,包括遺傳機(jī)制以及表觀遺傳學(xué)修飾兩個方面。表觀遺傳學(xué)修飾在胃癌發(fā)生過程中的作用越來越受到重視。異常甲基化通過影響基因轉(zhuǎn)錄,促基因突變,增加染色體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性等多方面促進(jìn)胃癌的發(fā)生發(fā)展。組蛋白的乙?;绊懼职┗虻霓D(zhuǎn)錄,從而在胃癌的發(fā)生進(jìn)展中發(fā)揮著重要作用。
胃癌;表觀遺傳學(xué);DNA甲基化;組蛋白修飾
表觀遺傳學(xué)是指研究非DNA序列變化引起的、可遺傳的基因表達(dá)改變。表觀遺傳學(xué)的研究對象不是基因組核苷酸序列所攜帶的遺傳信息,而是研究基因表達(dá)在時(shí)間和空間上的調(diào)控問題,包括DNA甲基化、組蛋白修飾、基因組印跡、染色體重塑、基因表達(dá)重新編程、X染色體失活等,其中最主要的兩個研究內(nèi)容是DNA甲基化和組蛋白修飾。胃癌的發(fā)生發(fā)展是多因素、多階段、多基因共同作用的結(jié)果,研究表明胃癌的表觀遺傳學(xué)改變在胃癌進(jìn)展過程中發(fā)揮著重要作用。
1.1DNA甲基化DNA甲基化是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase,Dnmt)的作用下,以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)為甲基供體,將甲基基團(tuán)轉(zhuǎn)移到胞嘧啶和鳥嘌呤(CpG)二核苷酸的胞嘧啶中5位碳原子上并與其3’端的鳥嘌呤形成mCpG,且在雙鏈對稱出現(xiàn)。甲基化特征的遺傳主要是通過維持性甲基轉(zhuǎn)移酶(maintenance methyltransferase)實(shí)現(xiàn)的,其特點(diǎn)是以雙鏈中互補(bǔ)鏈為甲基化CG的CpG作為底物,從而保證在子代細(xì)胞中有可能恢復(fù)親代的甲基化狀態(tài)。DNA甲基化異常可分為甲基化增強(qiáng)、甲基化減弱和甲基化酶水平增高三種類型,其中甲基化增強(qiáng)在腫瘤中最常見,與腫瘤的關(guān)系比較明確,被認(rèn)為是腫瘤抑制基因失活的重要途徑,研究取得的進(jìn)展也最多。癌基因多為不充分甲基化,導(dǎo)致重新開放或異常表達(dá);抑癌基因多為過度甲基化,從而表達(dá)受抑制,DNA異常甲基化導(dǎo)致腫瘤發(fā)生的可能機(jī)制如下。首先,在正常情況下非甲基化的CpG島的高甲基化,可以導(dǎo)致腫瘤抑制基因的失活。其次,DNA甲基化可以促進(jìn)腫瘤相關(guān)基因的突變,因?yàn)?-甲基胞嘧啶可自發(fā)或在S-腺苷蛋氨酸的作用下引起鄰位脫氨而變?yōu)樾叵汆奏ぃ辜谆腃pG突變?yōu)門pG,這是最常見的突變,在抑癌基因p53中也最常見,是腫瘤相關(guān)基因甲基化促進(jìn)細(xì)胞惡變的一種機(jī)制。近年來胃腸道腫瘤相關(guān)基因的研究集中在相關(guān)基因啟動子區(qū)域CpG殘基的高甲基化,特別是抑癌基因的研究目前已成為熱點(diǎn)。
1.2DNA甲基化與胃癌發(fā)生目前研究發(fā)現(xiàn)多種基因的甲基化異常與胃癌的發(fā)生有關(guān),根據(jù)甲基化變化的程度可以分為:①僅在胃癌發(fā)生甲基化如GSTP1和RASSF1A基因;②在慢性胃炎、腸上皮化生以及胃腺瘤出現(xiàn)低甲基化的頻率高而在胃癌出現(xiàn)高甲基化的頻率高如COX-2、hMLH1和p16基因;③在胃癌發(fā)生發(fā)展的各個階段表現(xiàn)為相似頻率的低甲基化如MGMT基因;④在胃癌發(fā)生發(fā)展的各個階段表現(xiàn)為相似頻率的高甲基化如APC和E-cadherin基因;⑤隨著胃癌的發(fā)展表現(xiàn)為甲基化不斷增高的趨勢如DAPK,p14,THBS1和TIMP-3等基因。
RASSF1基因定位于染色體3p21.3,是RAS相關(guān)基因,至少以兩種形式在正常人細(xì)胞中表達(dá),但在胃癌的癌變過程中僅RASSF1A表觀性的滅活。且進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)RASSF1A的滅活與K-ras的激活是癌變過程當(dāng)中互相對立的事件,這提示RASSF1A應(yīng)該是腫瘤細(xì)胞凋亡信號通路中K-ras的一個抑制物,RASSF1A的重表達(dá)抑制了胃癌細(xì)胞的生長,可以證實(shí)RASSF1A是腫瘤的抑癌基因[1]。
hMLH1是一種DNA錯配修復(fù)基因,與癌基因和抑癌基因一樣在致瘤過程中起關(guān)鍵作用,它的突變或表達(dá)降低會增加受損傷細(xì)胞中DNA的突變頻率,不僅導(dǎo)致癌基因和抑癌基因的突變率增高,還可導(dǎo)致微衛(wèi)星不穩(wěn)定(microsatellite instability,MSI)的發(fā)生。Fleisher等檢測了65例胃癌的hMLH1甲基化情況與MSI的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)其中18例胃癌有多個微衛(wèi)星位點(diǎn)突變,為高頻率微衛(wèi)星不穩(wěn)定性(MSI-H);8例胃癌僅有1個微衛(wèi)星位點(diǎn)突變,為低頻率微衛(wèi)星不穩(wěn)定(MSI-L);39例胃癌無微衛(wèi)星位點(diǎn)突變,為微衛(wèi)星不穩(wěn)定性陰性(MSI-陰性)。結(jié)果顯示:77.8%的MSI-H胃癌發(fā)生hMLH1基因的甲基化;75%的MSI-L胃癌發(fā)生hMLH1基的甲基化;僅23%的MSI-陰性胃癌有hMLH1基因的甲基化。而且,發(fā)生hMLH1基因甲基化的胃癌僅表達(dá)少量的hMLH1蛋白,而未發(fā)生hMLH1基因甲基化的胃癌表達(dá)豐富的hMLH1蛋白[2]。這些數(shù)據(jù)表明:hMLH1基因甲基化可導(dǎo)致DNA錯配修復(fù)缺陷,并且與胃癌的MSI密切相關(guān)。 Leung等的研究不僅證實(shí)hMLH1基因甲基化與胃癌MSI-H密切相關(guān),還證實(shí)hMLH1蛋白的丟失與浸潤性腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。還發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增加,hMLH1甲基化的頻率顯著增加,提示其在老年人胃癌的發(fā)生過程起著重要作用[3]。 Kang等研究發(fā)現(xiàn)hMLH1甲基化可能包含在早期胃癌發(fā)展過程中,如hMLH1甲基化在癌組織中出頻率為42.2%,比腸化生2.1%和腺瘤11.5%更頻繁。研究表明,hMLH1在慢性胃炎、腸化生、胃腺瘤和胃癌的甲基化頻率逐漸升高,反映了癌的變化過程[4]。
MGMT(Methylguanine DNA methyltransferase)定位于染色體10q26,編碼甲基鳥嘌呤DNA甲基轉(zhuǎn)移酶,是一種DNA修復(fù)蛋白,可對烷基化合物損傷的DNA進(jìn)行修復(fù),而研究發(fā)現(xiàn)胃癌由于其甲基化頻率低以致于MGMT表達(dá)較高,對烷基化療藥物不是很敏感[5]。
研究發(fā)現(xiàn)APC/E-cadherin信號通路的失活在胃癌的發(fā)生進(jìn)展中起著重要作用,其中APC基因是位于5q的抑癌基因,其蛋白參與修飾轉(zhuǎn)錄活化和細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)。通過對胃癌APC基因的分析發(fā)現(xiàn):用特異化甲基PCR(MSP)對胃癌標(biāo)本和胃癌細(xì)胞株的分析發(fā)現(xiàn):82.5%的原發(fā)性胃癌,97.5%胃癌患者的癌旁胃黏膜和10個胃癌細(xì)胞株APC啟動子1A呈高甲基化,而啟動子1B卻沒有發(fā)生甲基化。由于甲基化,在10個細(xì)胞株中,外顯子1A沒有出現(xiàn)APC表達(dá),而外顯子1B卻出現(xiàn)APC表達(dá)。說明APC啟動子1A甲基化在胃癌形成的早期就出現(xiàn),可成為有用的生物標(biāo)記[6]。有研究表明:APC在慢性胃炎、腸化生、胃腺瘤和胃癌中的甲基化頻率均較高,在腸化生中可高達(dá)80.7%,這說明它可能是胃癌發(fā)生的早期事件。E-cadherin在胃癌中的表達(dá)與腫瘤的浸潤、轉(zhuǎn)移呈負(fù)相關(guān)。在約50%的未分化型胃癌中,E-cadherin有突變,從而被滅活。Tamura等的研究顯示,E-cadherin基因啟動子的甲基化可導(dǎo)致其表達(dá)降低,而且發(fā)生于胃癌的早期,他們用甲基化特異性PCR-SCP及直接測序PCR產(chǎn)物的方法,來研究E-cadherin基因啟動子的甲基化情況,該技術(shù)可以檢測出啟動子內(nèi)所有被甲基化的胞嘧啶。對53例原發(fā)性胃癌檢測結(jié)果顯示,51%的胃癌有甲基化,未分化型胃癌的甲基化率(83%)明顯高于其他組織類型的胃癌(34%);早期胃癌與進(jìn)展期胃癌的甲基化率相似,對4例進(jìn)展期胃癌和2例早期胃癌的DNA經(jīng)硫化處理后進(jìn)行了測序分析,發(fā)現(xiàn)這6例胃癌的E-cadherin基因,在靠近轉(zhuǎn)錄起始部位的CpG均發(fā)生甲基化,經(jīng)Western印跡雜交檢測,證實(shí)有4例腫瘤的E-cadherin蛋白表達(dá)消失或明顯減少[7]。因此可見, E-cadherin基因啟動子的甲基化與胃癌密切相關(guān)。
p14INK4a/ARF(CDKN2A) 定位于染色體9p21,編碼2種不同的蛋白質(zhì),一個為細(xì)胞周期依賴性激酶抑制劑p16INK4a;另一個產(chǎn)物為其可變讀框基因(alter ativereading frame,ARF)編碼,產(chǎn)生一個由132個氨基酸組成Mr1390的P14蛋白,p14蛋白能穩(wěn)定和提高細(xì)胞p53水平,增強(qiáng)p53在G1S期和G2M期的限制點(diǎn)效應(yīng),最終使細(xì)胞阻滯于G1期和G2期。因此p14屬于腫瘤抑制基因,具有顯著的細(xì)胞周期負(fù)調(diào)控作用。目前認(rèn)為,惡性腫瘤中p14主要由于p14啟動子甲基化而失活。 Iida等發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散型胃癌p14啟動子甲基化率45.5%。同時(shí),因p14啟動子甲基化而失活者,在細(xì)胞質(zhì)中可以發(fā)MDM2(murinedoublegene 2),而且p53表達(dá)失活,用去甲基化試劑處理后,MDM2又回到細(xì)胞核而且p53也表達(dá)[8]。Esteller等對胃癌細(xì)胞株的分析發(fā)現(xiàn),7個細(xì)胞株中有5個不表達(dá)p14 mRNA,對不表達(dá)者進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)其啟動子高甲基化。有研究表明:p14在胃腺瘤和胃癌中的甲基化頻率比在胃炎和腸化生中明顯升高[9]。
還有些基因的異常甲基化與胃癌有關(guān)。CD44 基因定位于染色體11p13,長約50~60kb,由兩組外顯子(1~20) 組成。一組(由外顯子1~5 和16~20 組成) 共同剪切形成轉(zhuǎn)錄體,稱為標(biāo)CD44(CD44s)。它編碼產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)型CD44蛋白。另一組為10個變體外顯子6~15(v1~v10) 選擇性剪切,在5~16外顯子之間的一個插入位點(diǎn)插入一般的外顯子。含有v 區(qū)外顯子的CD44 轉(zhuǎn)錄子統(tǒng)稱為變異型CD44(CD44v),它編碼產(chǎn)生變異型CD44 蛋白。研究表明CD44表達(dá)與胃癌發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),CD44基因的異常往往影響CD44蛋白的表達(dá)。Satos等通過Northern blotting和RT-PCR技術(shù)檢測8種胃癌細(xì)胞系,發(fā)現(xiàn)僅MKN-28細(xì)胞系未表達(dá)CD44,進(jìn)而研究發(fā)現(xiàn)主要是由于CD44基因啟動子區(qū)域發(fā)生甲基化而抑制了CD44的表達(dá)[10]。抑癌基因RUNX3是調(diào)控細(xì)胞生長信號通路的重要調(diào)控因子,研究表明DNA的高甲基化導(dǎo)致其表達(dá)過少可能是參與胃癌進(jìn)展的重要因素[11]。研究發(fā)現(xiàn)通過測定來源于42個胃癌患者的組織和8個細(xì)胞系中RARbeta、CRBP1和TIG1三種基因的情況,發(fā)現(xiàn)7個胃癌細(xì)胞系CRBP1基因發(fā)生甲基化且CRBP1轉(zhuǎn)錄取失活,6個胃癌細(xì)胞系TIG1基因甲基化且TIG1轉(zhuǎn)錄取失活利用5-aza-2’-脫氧胞苷酸治療可以恢復(fù)兩者的轉(zhuǎn)錄;42例胃癌標(biāo)本中RARbeta、CRBP1和TIG1基因的甲基化分別為15例(36%)、14例(33%)和4例(10%),而在癌旁組織中分別為6例(20%)、0例和1例 (3%),10例來源于正常健康的年輕人的胃黏膜組織中三個基因均未發(fā)現(xiàn)甲基化[12]。研究發(fā)現(xiàn)感染幽門螺旋桿菌的非腫瘤胃粘膜中p16, Ecad和DAPK基因的CPG島高甲基化患胃癌的危險(xiǎn)性顯著增大[13]。pS2定位于第21號染色體,含有3個外顯子和2個內(nèi)顯子,編碼一含有信號肽的84個氨基酸的多肽,成熟后為一個60個氨基酸的分泌型胞外多肽。pS2主要分布在胃腸道的黏液分泌細(xì)胞,維持黏液分泌穩(wěn)定。pS2在胃腸道黏膜受到急性損傷時(shí)表達(dá)增高,刺激胃腸道黏膜細(xì)胞的增生、修復(fù)、維護(hù)胃腸道黏膜的屏蔽作用。pS2曾被認(rèn)為是胃癌特異的腫瘤抑癌基因,F(xiàn)ujimoto等檢測了胃癌、腺瘤和非腫瘤性黏膜的pS2啟動子的甲基化情況,結(jié)果顯示:其主要發(fā)生在分化好的胃癌和腸化生黏膜中,發(fā)生pS2甲基化的胃癌不表達(dá)pS2蛋白。因此他們認(rèn)為,pS2啟動子甲基化參與早期胃癌的發(fā)生[14]。
1.3DNA甲基化與胃癌診斷某些基因DNA甲基化在胃癌細(xì)胞中表達(dá)水平異常,可能是胃癌發(fā)生發(fā)展分化程度的標(biāo)志。研究發(fā)現(xiàn)p16基因在胃癌組織和血清中甲基化為44.2%和26.9%,且p16蛋白的表達(dá)減少和p16基因的甲基化正相關(guān),提示血清中p16基因甲基化檢測可能是早期發(fā)現(xiàn)診斷胃癌的重要分子標(biāo)志物[15]。Oue N等通過對75例胃癌標(biāo)本中12個腫瘤相關(guān)基因甲基化分析,發(fā)現(xiàn)高甲基化在Ⅲ/Ⅳ期胃癌出現(xiàn)的頻率(26/40,65.0%)比Ⅰ/Ⅱ胃癌 (13/35,37.1%,P= 0.029)高,可以作為對胃癌臨床分期診斷重要的標(biāo)準(zhǔn)[16]。鈣粘蛋白家族的一個基因CDH4 (編碼R- cadherin),在95%的胃癌中發(fā)生甲基化,且在腫瘤新生物附近的正常組織也發(fā)生了甲基化, 可以說明CDH4甲基化是胃癌發(fā)生的一個早期事件。同時(shí)證實(shí)胃癌患者的外周血中可以檢測到CDH4甲基化[17],因此可以設(shè)想CDH4是胃癌的一個抑癌基因,可以作為胃癌早期診斷重要的標(biāo)記分子。
1.4DNA甲基化與胃癌的治療和預(yù)后學(xué)者已經(jīng)在細(xì)胞水平上使甲基化的基因再活化,從而改善細(xì)胞的功能,然而發(fā)現(xiàn)對于人體治療還難度很大。原因是使用DNA去甲基化的藥物是非特異性的,如5-aza-cytidine或5-aza-2,deoxycytidine 抑制了DNA甲基轉(zhuǎn)移酶而導(dǎo)致總體的低甲基化水平,不能對特定的基因產(chǎn)生作用。另外一個原因是大劑量的去甲基化藥物不僅殺傷腫瘤細(xì)胞,對正常的細(xì)胞也有毒性作用。雖然這些藥物有其弱點(diǎn),但還是在臨床上應(yīng)用這些藥物治療骨髓增生異常綜合征及急性髓性白血病上取得了成功。而在胃癌方面,有學(xué)者測定了胃癌患者腫瘤和外周血基因的異常甲基化,p16甲基化的出現(xiàn)率分別為66.7%和51.9%,而正常對照為陰性。結(jié)果表明血清中基因異常甲基化能如實(shí)的反映腫瘤中基因異常甲基化的情況,可作為胃癌患者的治療篩選指標(biāo)。另外,研究發(fā)現(xiàn)利用去甲基化藥物處理胃癌細(xì)胞,使其R-RAS癌基因的第一個內(nèi)含子的特異性CpG位點(diǎn)去甲基化從而使得R-RAS活化,參與了胃癌的發(fā)展。R-RAS表達(dá)沉默的胃癌細(xì)胞會導(dǎo)致其粘附性降低,這說明通過藥物治療抑制R-RAS信號通路是治療胃癌很好的途徑[18]。相信不遠(yuǎn)的將來,更有效的去甲基化藥物的開發(fā)會給胃癌的治療帶來希望。
在真核生物中,染色質(zhì)由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成,其中組蛋白是真核細(xì)胞中特有的成分,富含帶正電荷的精氨酸和賴氨酸,可以與帶有負(fù)電荷的DNA分子緊密結(jié)合。組蛋白的N2末端可通過乙?;⒓谆?、泛素化、磷酸化、糖基化、ADP核糖基化等進(jìn)行翻譯后的修飾,這些修飾信息稱為組蛋白密碼,其中以組蛋白乙?;c腫瘤發(fā)生有著最為密切的聯(lián)系。組蛋白的乙?;徽J(rèn)為在轉(zhuǎn)錄子的調(diào)控中發(fā)揮著重要作用,而組蛋白去乙?;瘜?dǎo)致抑癌基因轉(zhuǎn)錄阻滯從而在腫瘤中發(fā)揮著作用。p21(WAF1/CIP1) 是一種抑癌基因,研究發(fā)現(xiàn)胃癌標(biāo)本中該基因的啟動子區(qū)域組蛋白H3去乙?;?,且此去乙?;cp21(WAF1/CIP1)蛋白低表達(dá)呈正相關(guān)。進(jìn)而利用染色質(zhì)共沉淀方法對29例胃癌標(biāo)本檢測,發(fā)現(xiàn)p21(WAF1/CIP1)啟動子與編碼區(qū)域中組蛋白H3去乙酰化均為10例(34.5%)。p21(WAF1/CIP1)啟動子與編碼區(qū)域中組蛋白H4去乙?;謩e為6例(20.7%)和16例(55.2%)。p21(WAF1/CIP1) mRNA 水平與p21(WAF1/CIP1)啟動子區(qū)域組蛋白H3乙?;癄顟B(tài)呈正相關(guān)(P= 0.047)。在胃癌細(xì)胞系中加入組蛋白去乙?;铚┣乓志谹,發(fā)現(xiàn)可以促進(jìn)p21(WAF1/CIP1)蛋白的表達(dá)。并且發(fā)現(xiàn)p21(WAF1/CIP1) 啟動子區(qū)域組蛋白H3的超乙?;c其蛋白表達(dá)正相關(guān),而跟組蛋白H4的超乙酰化無關(guān);但p21(WAF1/CIP1)編碼區(qū)的組蛋白H3和H4的超乙酰化都能促進(jìn)蛋白的表達(dá)[19]。這說明組蛋白的乙?;接绊懼职┗騪21(WAF1/CIP1)的表達(dá)從而參與胃癌的進(jìn)展。有學(xué)者發(fā)現(xiàn),SLC5A8基因的H3組蛋白的去乙酰化以及PINX1基因5’ UTR區(qū)域組蛋白H4去乙?;绊慡LC5A8和 PINX1的表達(dá),從而在胃癌中發(fā)揮著作用。有學(xué)者將曲古抑菌素A作用于胃癌細(xì)胞系SGC-7901,發(fā)現(xiàn)可以抑制胃癌細(xì)胞生長和誘導(dǎo)凋亡,進(jìn)而研究發(fā)現(xiàn)主要是通過調(diào)控如Bcl-2,Bax 和survivin等凋亡相關(guān)基因,并不是通過激活經(jīng)典的半胱天冬酶凋亡信號途徑[20]。為了進(jìn)一步提高胃癌的化療效果,研究人員將組蛋白去乙?;种苿?TSA),胃癌細(xì)胞系OCUM-8 和MKN-74以及抗癌藥物如5-氟尿嘧啶(5-FU)、紫杉醇(PTX)、奧沙利鉑 (OXA)、依立替康(SN38) 和吉西他濱(GEM) 共同培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)可以顯著提高化療效果。同時(shí)發(fā)現(xiàn)經(jīng)TSA處理過的胃癌細(xì)胞系中p21、 p53、DAPK-1和DAPK-2高表達(dá)。這說明TSA和抗癌藥物5-FU、 PTX及SN38聯(lián)合應(yīng)用治療胃癌很有前景,其主要機(jī)制可能和TSA的協(xié)同效應(yīng)引起的p21、p53、DAPK-1 和DAPK-2上調(diào)表達(dá)有關(guān)[21]。
表觀遺傳學(xué)與胃癌的發(fā)生發(fā)展如此密切,且表觀基因改變是可逆的,能被治療劑所逆轉(zhuǎn)甚至可通過飲食預(yù)防,因此相信不久的將來會更廣泛地應(yīng)用到臨床。
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