表觀遺傳學(xué)變化在胃癌診斷和預(yù)后中的應(yīng)用

張 雯，陳香宇，郭明洲，段芳齡

1.中國人民解放軍總醫(yī)院消化科，北京100853;2.鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院消化科;3.鄭州大學(xué)第二附屬醫(yī)院

胃癌在全球腫瘤致死原因中排名第二位，其5年生存率為10%左右，其發(fā)生率雖然在西方國家呈下降趨勢，但在亞洲仍居第二位［1-2］。表觀遺傳學(xué)是一門研究基因表達的學(xué)科，它是指基因表達的變化依賴于DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑，而不是基因序列的改變。表觀遺傳學(xué)在胃癌中的變化可能成為胃癌早期診斷和預(yù)后的標(biāo)志物及治療的靶標(biāo)。

1 表觀遺傳學(xué)的概念

表觀遺傳學(xué)是沃丁頓(waddingtong)于1939年第一次提出，他在研究生物體的基因型與表型之間的關(guān)系時指出，基因型的遺傳是遺傳學(xué)研究主旨，而基因型產(chǎn)生表型的過程則屬于表觀遺傳學(xué)研究范疇。受精卵在產(chǎn)生各種類型的細胞時，細胞內(nèi)的整套基因始終是保持恒定的，即基因表達同分化發(fā)育之間的關(guān)系是通過表觀遺傳來調(diào)控的［3］，這也解釋了為何同卵雙生的雙胞胎雖然具有相同的DNA序列，卻存在表型的差異和疾病易感性的差異。Holliday進一步指出，基因表達活性的變化不僅發(fā)生在發(fā)育過程中，而且也發(fā)生在生物體已分化細胞中，并且這種變化可通過有絲分裂的細胞遺傳下去。這是一種“不以DNA序列的差別為基礎(chǔ)的細胞核遺傳”［4］。表觀遺傳學(xué)對基因的表達調(diào)控可分為:(1)基因選擇性表達的調(diào)控，包括DNA的甲基化和組蛋白的乙酰化和甲基化。(2)基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，包括小干擾RNA(small interfering RNA，SiRNA)和微小RNA(micro RNA);染色質(zhì)重塑、基因印記亦屬于表觀遺傳學(xué)范疇。本文主要介紹DNA甲基化、組蛋白修飾在胃癌中的作用。

2 胃癌與DNA甲基化

DNA甲基化(DNA methylation)是最早發(fā)現(xiàn)的表觀遺傳改變現(xiàn)象之一，也是研究最多的內(nèi)容之一。其在維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、X染色體失活、基因印記、胚胎發(fā)育、細胞分化及腫瘤的發(fā)生等方面均具有重要作用［5］。DNA 甲基化主要發(fā)生于胞嘧啶［6］，DNA 在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase，DNMT)的作用下，由S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，將CpG二核苷酸中5'端的胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)?'甲基胞嘧啶。研究表明，DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變［7-9］，阻止轉(zhuǎn)錄因子與啟動子區(qū)結(jié)合，基因轉(zhuǎn)錄被抑制從而影響基因表達?；騿幼訁^(qū)CpG島的異常甲基化在人類腫瘤中廣泛存在，這種改變可使抑癌基因失活并繼而影響腫瘤細胞的增殖和分化。

2.1 E-cadherin/CHD1 Lauren將胃癌分為兩大類，彌散型和腸型，這兩種腫瘤類型的發(fā)生是由不同遺傳途徑引起的［10］，遺傳和表觀遺傳事件，包括1q雜合子缺失(LOH)、微衛(wèi)星不穩(wěn)定性和甲基化已在腸型胃癌及癌前病變中大量報道，而17P LOH和E-cadherin的表達缺失與彌散型胃癌的發(fā)展密切相關(guān)。E-cadherin是鈣依賴性的跨膜附著糖蛋白超家族中的一員，不僅能作為細胞黏附分子發(fā)揮作用，在發(fā)育、組織完整性、穩(wěn)定細胞形態(tài)和極化等過程中有著重要的作用。Becker等［11］報道，大約25% ～40%的具有遺傳傾向的彌慢性胃癌E-cadherin發(fā)生種系突變或甲基化而使其表達缺失。E-cadherin的表達減少與胃癌的轉(zhuǎn)移與浸潤有關(guān)，表達E-cadherin的患者其生存期較缺失表達患者可延長3～5年［12］。Erike等檢測到63.3%胃炎患者E-cadherin發(fā)生甲基化，并且其中95%的患者幽門螺桿菌感染陽性，提示E-cadherin甲基化與幽門螺桿菌感染相關(guān)。

2.2 PRDM PRDM(PRDI-BFI and RIZ domain containing)蛋白屬于鋅指蛋白家族，有一個進化保守的N-端PR結(jié)構(gòu)域，其后跟隨16個重復(fù)鋅指結(jié)構(gòu)［13］，這個PR結(jié)構(gòu)域是一個典型的C2-H2鋅指模型，與SET(surar3-9、enhancer of zeste、trithorax)在結(jié)構(gòu)域上有高度同源性，因此參與染色質(zhì)介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控［14］。到目前為止，17種人類PRDM成員已被確認在腫瘤細胞中有抑制生長功能。PRDM5是新近被鑒定的成員，是一些腫瘤的候選抑癌基因。Shu等［15］發(fā)現(xiàn)PRDM5啟動子區(qū)在原發(fā)性胃癌及胃癌細胞株中高度甲基化，用5-aza-2-deoxycytidine處理胃癌細胞株導(dǎo)致PRDM5啟動子去甲基化而恢復(fù)表達，提示CpG島甲基化在PRDM5的表達調(diào)控中起重要作用。進一步的研究發(fā)現(xiàn)PRDM5是一個應(yīng)激反應(yīng)基因，但是它的應(yīng)激反應(yīng)在啟動子區(qū)甲基化后遭到破壞。

2.3 hMLH1 微衛(wèi)星為遍布于人類基因組中的簡單重復(fù)序列，在人群中，它們呈現(xiàn)高度多態(tài)性，并且穩(wěn)定遺傳，微衛(wèi)星的高度多態(tài)性是微衛(wèi)星不穩(wěn)定性的表現(xiàn)，它與錯配修復(fù)基因的缺陷有關(guān)。錯配修復(fù)基因超家族屬于管家基因(Housekeeping genes)，它們可發(fā)現(xiàn)并糾正DNA復(fù)制及DNA損傷過程中出現(xiàn)的未配或錯配的堿基，維持基因組穩(wěn)定性。該基因家族的突變將導(dǎo)致突變表型，表現(xiàn)為微衛(wèi)星不穩(wěn)定性增加以及活性基因的高突變。以往報道盡管在胃癌中發(fā)現(xiàn)高頻率的微衛(wèi)星不穩(wěn)定性，DNA錯配修復(fù)基因hMSH2、hMLH1的突變很罕見，然而 Fleisher等［16］報道大多數(shù)胃癌患者hMLH1啟動子區(qū)CpG島甲基化，使得hMLH1表達缺失，呈現(xiàn)出微衛(wèi)星不穩(wěn)定性。

2.4 MAGE 黑色素瘤抗原編碼基因(melanoma antigen-encoding genes，MAGE)，通過啟動子區(qū)CpG島的去甲基化作用，在多種腫瘤中表達，除了睪丸與胎盤組織，它在所有正常組織中沉默。MAGE肽的腫瘤特異性表達，在免疫療法中有明確的重大意義。MAGE A1和A3啟動子區(qū)的去甲基化在胃癌患者中常常發(fā)生，患者表現(xiàn)出較高的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移率。此外，MAGE A1和A3啟動子區(qū)的去甲基化發(fā)生在胃癌的進展階段，是預(yù)后不良傾向的標(biāo)志，因此，可以作為胃癌患者預(yù)后的評價指標(biāo)［17］。

2.5 SFRP2 Wnt信號通路的異?；罨蜕险{(diào)是許多癌癥的主要特點，APC、Axin、Axin-2和β-TrCP基因的失活突變或β-catenin基因的激活已經(jīng)在70%以上的良性和惡性腫瘤中確認，Wnt信號通路抑制因子在腫瘤形成中的作用現(xiàn)已明確［18］。Wnt信號抑制因子-1(WIF-1)通過與Wnt蛋白結(jié)合，導(dǎo)致β-catenin累積進入胞核，與T-cell factor組成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，參與下游基因表達的調(diào)節(jié)。sFRP屬于分泌型糖蛋白家族，該家族有5個成員，被認為是Wnt信號通路的負性調(diào)節(jié)因子［19］。Cheng等［20］在原發(fā)性胃癌中篩選 sFRP 成員(sFRP1，2，4，5)的表達及甲基化狀態(tài)時發(fā)現(xiàn)只有sFRP2與鄰近非癌組織相比表達是下調(diào)的。甲基化率在胃癌中占73.3%，腸上皮化生中占37.5%，鄰近非癌組織中占20%。因此，sFRP2甲基化在胃癌的發(fā)生過程中起重要作用。

3 組蛋白修飾

組蛋白(histones)是真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，大多數(shù)是由一球狀區(qū)和突出于核小體外的組蛋白尾組成的堿性氨基酸組成，有5種類型:H1、H2A、H2B、H3和H4。除H1的N端富含疏水氨基酸、C端富含堿性氨基酸之外，其余4種都是N端富含堿性氨基酸(如精氨酸、賴氨酸)，C端富含疏水氨基酸(如纈氨酸、異亮氨酸)。在組蛋白中帶有折疊基序(motif)的C端結(jié)構(gòu)域與組蛋白分子間發(fā)生相互作用，并與DNA的纏繞有關(guān)，而N端可同其他調(diào)節(jié)蛋白和DNA作用，且富含賴氨酸，具有高度精細的可變區(qū)，組蛋白N端尾部的15～38個氨基酸殘基是翻譯后修飾的主要位點，調(diào)節(jié)DNA的生物學(xué)功能。2001年，Jenuwein等［21］提出“組蛋白密碼(histone code)”學(xué)說后，關(guān)于組蛋白修飾的研究受到更廣泛的重視。

組蛋白翻譯后修飾包括乙?；c去乙酰化、磷酸化與去磷酸化、甲基化與去甲基化、泛素化與去泛素化等，單一組蛋白的修飾往往不能獨立地發(fā)揮作用，一個或多個組蛋白尾部的不同共價修飾依次發(fā)揮作用或組合在一起，形成一個修飾的級聯(lián)，它們通過協(xié)同或拮抗來共同發(fā)揮作用，這些多樣性的修飾以及它們時間和空間上的組合與生物學(xué)功能的關(guān)系可作為一種重要的表觀遺傳學(xué)標(biāo)志或語言，也被稱為“組蛋白密碼”。其中以乙?；难芯孔疃?，越來越多的實驗證明，組蛋白乙?；c抑癌基因沉默或抑制有關(guān)。Kim等［22］研究發(fā)現(xiàn)，在含有非甲基化等位基因的SNU-5和SNU-668的胃癌細胞系中加入去乙酰化抑制劑trichostatin A(TSA)可使與DLC-1啟動子相關(guān)的乙?；M蛋白H3和H4積聚，并可誘導(dǎo)DLC-1 mRNA的表達。并通過實驗進一步闡明其分子機制，TSA是通過Sp1(specificity protein 1)定位于轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的-219和-174位來激活DLC-1基因啟動子活性［23］。進一步研究組蛋白修飾與基因調(diào)控的分子機制，有利于開發(fā)新的抗腫瘤藥物。

表觀遺傳學(xué)生物標(biāo)志物的研究對于胃癌早期診斷、監(jiān)測胃癌的復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移及預(yù)后評估具潛在的應(yīng)用價值。表觀遺傳治療將成為未來的研究熱點。

［1］Nardane G.Review article:molecular basis of gastric carcinogenesis［J］.Aliment Pharmacol Ther，2003，17 Suppl 2:75-81.

［2］SatoF，Meltzer SJ.CpG island hypermethylation in progression on esophageal and grastic cancer［J］.Cancer，2006，106(3):483-493.

［3］Waddington CH.Preliminary notes on the development of the Wings in normal and mutant strains of drosophila［J］.Proe Natl Acad Sci U S A，1939，25(7):299-307.

［4］Holliday R.Epigenetics:an overview ［J］.Dev Genet，1994，15(6):453-457.

［5］Jones PA，Baylin SB.The epigenomics of cancer［J］.Cell，2007，128(4):683-692.

［6］Klose RJ，Bid AP.Genomic DNA methylation:the mark and its mediators［J］.Trends Biochem Sci，2006，31(21):89-97.

［7］God A，Xicola RM，Nguyen TP，et al.Aberrant DNA mcthylation in hereditary nonpo lyposis colorectal cancer without mismatch repair deficiency［J］.Gastroenterology，2010，138(5):1854-1862.

［8］Chcung HH，Lee TL，Davis AJ，et al.Genome-wide DNA methylation profiling reveals novel epigenetieally regulated genes and non-coding RNAs in human testieular cancer［J］.Br J Cancer，2010，102(2):419-427.

［9］Worthley DL，Whitehall VL，Buttenshaw RL，et al.DNA methylation wi thin the normal colorectal mucosa is associated with pathway-specific predisposition to cancer［J］.Oncogene，2010，29(11):1653-1662.

［10］Tahara E.Genetic pathways of two types of gastric cancer［J］.IARC Sci Publ，2004，(157):327-349.

［11］Becker KF，Keller G，Hoefler H.The use of molecular biology in diagnosis and prognosis of gastric cancer［J］.Surg Oncol，2000，9(1):5-11.

［12］Graziano F，Arduini F，Ruzzo A，et al.Prognostic analysis of E-cadherin gene promoter hypermethylation in patients with surgically resected，nodepositive，diffuse gastric cancer ［J］.Clin Cancer Res，2004，10(8):2784-2789.

［13］Kinameri E，Inoue T，Aruga J，et al.Prdm proto-oncogene transcription factor family expression and interaction with the Notch-Hes pathway in mouse neurogenesis［J］.PLoS One，2008，3(12):e3859.

［14］Kim KC，Huang S.Histone methyltransferases in tumors suppression［J］.Cancer Biol Ther，2003，2(5):491-499.

［15］Shu XS，Geng H，Li L.The epagenetic Modifier PRDM5 Functions as a Tumor Suppressor through Modulating Wnt/β-catenin signaling and is Frequently silienced in Mutiple Tumors ［J］.PLoS One，2011，6(11):e27346.

［16］Fleisher AS，Esteller M，Tamura G，et al.Hypermethylation of the hMLH1 gene promoter is associated with microsatellite instability in early human gastric neoplasia［J］.Oncogene，2001，20(3):329-335.

［17］Honda T，Tamara G，Waki T，et al.Demethylation of MAGE promoters during gastric cancer progression ［J］.Br J Cancer，2004，90(4):838-843.

［18］Polakis P.The many ways of Wnt in cancer［J］.Curr Opin Genet Dev，2007，17(1):45-51.

［19］Heller RS，Dichmann DS，Jensen J，et al.Expression patterns of Wnts，F(xiàn)rizzleds，SFRPs，and misexpression in transgenic mice suggesting a role for Wnts in pancreas and foregut pattern formation［J］.Dev Dyn，2002，225(3):260-270.

［20］Cheng YY，Yu J，Wong YP，et al.Frequent epigenetic inactivation of secreted frizzled-related-protein2(SFRP2)by promoter methylation in human grastic cancer［J］.British J Cancer，2007，97(7):895-901.

［21］Jenuwein T，Allis CD.Translating the histone code［J］.Science，2001，293(5532):1074-1080.

［22］Kim TY，Jong HS，Song SH，et al.Transcriptional silencing of the DLC-1 tumor suppressor gene by epigenetic mechanism in gastric cancer cells［J］.Oncogene，2003(22):3943-3951.

［23］Kim TY，Kim IS，Jong HS，et al.Transcriptional induction of DLC-1 gene through Sp1 sites by histone deacetylase inhibitors in gastric cancer cells［J］.Exp Mol Med，2008，40(6):6639-6646.