表觀遺傳學(xué)與腫瘤

王艷梅，馬文雙，白 靜，趙寶華

(1. 解放軍255醫(yī)院，河北 唐山 063000；2. 河北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050024)

表觀遺傳學(xué)因其在生命活動中，相應(yīng)的遺傳基因表達發(fā)生了變化，而 DNA序列沒有發(fā)生改變，通過這一情形而被定義，并與許多人類疾病有關(guān)聯(lián)，如癌癥、心血管疾病、自身免疫疾病等.1942年，Waddington首先在《現(xiàn)代遺傳學(xué)導(dǎo)論》一書中提出表觀遺傳學(xué)概念，當(dāng)時將表觀遺傳認為是基因型產(chǎn)生表型的過程[1]，該過程于 1986年由巴克和奧斯蒙德的胚胎與環(huán)境的對應(yīng)關(guān)系實驗得到證實.這種基因型不變而表型發(fā)生改變的現(xiàn)象，沒有直接涉及基因序列的信息，而是通過“表觀”體現(xiàn)的，即在基因表達過程中，對親代和子代的表現(xiàn)型都有著很重要的影響[2].此發(fā)現(xiàn)，為遺傳學(xué)的研究又開辟了一個新的領(lǐng)域——表觀遺傳學(xué).

隨著遺傳學(xué)的快速發(fā)展，人們對傳統(tǒng)意義上的癌癥有了新的認識，癌癥的產(chǎn)生不僅是一種遺傳表現(xiàn)，也同樣受到表觀遺傳修飾的影響.研究表明，在癌癥發(fā)生之前，存在著一定的表觀遺傳學(xué)的變化.所以，通過對表觀遺傳修飾的改變，可以進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，這將會為癌癥等疾病的研究和治療起到重要的作用.因此，在近幾年的研究熱潮中，表觀遺傳學(xué)在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域受到了很大的重視，并將為世界疾病研究及治療領(lǐng)域帶來深遠的影響.本文對表觀遺傳學(xué)的主要研究內(nèi)容及其對相關(guān)疾病的研究途徑及進展做一綜述.

1 表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容

表觀遺傳學(xué)是遺傳學(xué)的一門分支學(xué)科，其內(nèi)容包括：DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA調(diào)控、染色質(zhì)重塑、基因沉默等.

1.1 DNA甲基化

DNA甲基化是表觀遺傳學(xué)修飾的主要形式之一，對維持基因組DNA的基因組印跡，染色體的穩(wěn)定性及重復(fù)基因的轉(zhuǎn)錄沉默是至關(guān)重要的.DNA甲基化是指在 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，以 S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，將胞嘧啶轉(zhuǎn)變成 5-甲基胞嘧啶.發(fā)生在胞嘧啶殘基的 5’位點，序列 5’-CG- 3’范圍內(nèi)，因此被稱為CpG二核甘酸.其存在形式分為2種：一種散步存在于DNA中，以甲基化形式存在的占大多數(shù)；另一種因為基因組的轉(zhuǎn)錄活性區(qū)域富含CpG二核甘酸，呈高密度聚集狀態(tài)，因此稱為CpG島[3].而CpG位點的甲基化是影響基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵因素之一，在相應(yīng)的轉(zhuǎn)錄過程中，DNA的甲基化會導(dǎo)致基因沉默，一旦轉(zhuǎn)錄沉默，就會喪失基因的部分功能，如抑癌基因等[4].當(dāng)然在一些特殊的啟動子里，也存在著 DNA甲基化的獲得.正常狀態(tài)下的區(qū)域，無論是甲基化缺失還是獲得，都會影響到基因功能的喪失，從而會導(dǎo)致細胞生長過程中的失調(diào)和失衡[5]7.

1.2 組蛋白修飾

翻譯后的組蛋白修飾，是表觀遺傳學(xué)中調(diào)節(jié)基因表達的一種重要的機制，多發(fā)生在組蛋白-N末端，如乙?；⒓谆?、磷酸化等共價修飾.組蛋白是真核細胞中一種豐富的保守蛋白，DNA與核心組蛋白八聚體纏繞(2分子H1, H2A, H2B, H3)，構(gòu)成染色體的基本單位——核小體，核小體與DNA、組蛋白連接構(gòu)成染色質(zhì)纖維，所以組蛋白不僅能夠影響染色體的組裝，而且是基因調(diào)控的主要樞紐[6].組蛋白翻譯后修飾可以調(diào)節(jié)染色質(zhì)的活性狀態(tài)，也能夠產(chǎn)生特異性結(jié)合蛋白，如轉(zhuǎn)錄因子、染色體重塑、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白等.

1.3 非編碼RNA調(diào)控

非編碼RNA的調(diào)控機制，起到調(diào)控細胞表觀遺傳學(xué)狀態(tài)的作用.非編碼RNA中有許多種小RNA，它們組成了細胞中高度復(fù)雜的 RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，在調(diào)節(jié)細胞增殖、腫瘤的發(fā)生發(fā)展、干細胞分化及抗病毒等多個細胞水平中，起著重要的調(diào)控作用.

非編碼RNA根據(jù)大小可分為：長鏈非編碼RNA和短鏈非編碼RNA.長鏈非編碼RNA(IncRNAs)在整個基因水平發(fā)揮順式調(diào)節(jié)作用，一些IncRNAs的轉(zhuǎn)錄可導(dǎo)致核結(jié)構(gòu)的形成或改變[7].而在非編碼小RNA的研究中，小干擾RNA(siRNA)和微小RNA(miRNA)的研究起步較早、研究也較深入，但相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)還存在與前兩種小 RNA長度不同的另一類非編碼小 RNA，即為 piRNA.其中 siRNA是一類約 21～25 nt的RNA分子，由 Dicer(RNAaseⅢ家族中對雙鏈 RNA具有特異性的酶)加工而成，通過完全互補配對的方式與目標(biāo)mRNA結(jié)合，最終引起其降解，從而導(dǎo)致靶基因的的沉默.miRNA是一種長度為18～25 nt的單鏈小分子RNA，存在 Drosha酶和剪接作用途徑.它廣泛存在于真核生物中，主要通過與靶標(biāo)基因不完全互補結(jié)合，進而抑制翻譯或促進miRNA聚腺苷酸尾巴的去除等方式調(diào)控靶基因的表達[8].miRNA的異常，會導(dǎo)致腫瘤抑制基因的沉默，激活致癌因子或者生長因子等.piRNA因其與 Piwi蛋白家族蛋白相互作用而被命名，長度約為30nt，該Piwi-piRNA復(fù)合物可直接影響組蛋白修飾和DNA甲基化，具有轉(zhuǎn)錄后調(diào)控作用[9].

1.4 染色質(zhì)重塑

染色質(zhì)重塑包括兩種類型：一種為依賴 ATP水解釋放的能量，來改變?nèi)旧|(zhì)構(gòu)象的物理修飾，主要為染色質(zhì)絲發(fā)生松動現(xiàn)象，所導(dǎo)致的順式作用元件的暴露[10]；另一種為依賴共價結(jié)合反應(yīng)的化學(xué)修飾，包括甲基化、乙?；?、泛素化等.這種修飾在一定程度上影響到核小體的結(jié)構(gòu)，并且為其他蛋白提供了和DNA作用的位點[11].

2 表觀遺傳學(xué)與腫瘤

表觀遺傳學(xué)的基因調(diào)控著正常與異常細胞，因此與疾病的產(chǎn)生息息相關(guān)，尤其是腫瘤.目前，對于腫瘤的治療，越來越多地通過表觀遺傳現(xiàn)象，做出定向判斷，更加明確地進行靶向目標(biāo)治療.下面我們將講述幾種與表觀遺傳修飾相關(guān)的腫瘤表象.

2.1 腎上腺皮質(zhì)腫瘤

腎上腺皮質(zhì)腫瘤是一種常見的腫瘤，雖然大多數(shù)是良性腫瘤，但是，腎上腺皮質(zhì)癌卻是一種罕見的疾病，除了利用手術(shù)切除，并沒有有效的治療方法.腎上腺皮質(zhì)腫瘤的分子遺傳學(xué)仍然知之甚少.幾十年來，分子遺傳學(xué)研究僅依賴于少數(shù)樣品，且針對目的基因.在這種方法的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)腎上腺皮質(zhì)腫瘤是一種表觀遺傳現(xiàn)象，是在一些通路過程中發(fā)生變化而導(dǎo)致的功能性分子的變化，如IGF通路等.因此，在表觀遺傳學(xué)基礎(chǔ)上研究腎上腺皮質(zhì)癌，更有利于通過靶向作用于目的基因，對于此腫瘤的治療將會有很大的發(fā)展空間.

對腎上腺皮質(zhì)癌的研究中發(fā)現(xiàn)，H19啟動子發(fā)生甲基化現(xiàn)象，導(dǎo)致在ACC中的H19和IGF2基因表達異常，并且在細胞凋亡和腫瘤抑制基因處存在甲基化現(xiàn)象，如 CDKN2A、GATA4、DLEC1等[12]，而高甲基化現(xiàn)象導(dǎo)致之后的轉(zhuǎn)錄沉默.在治療此類癌癥時，就可以通過分子標(biāo)記選擇特定性治療劑，這種手段必將促進腎上腺皮質(zhì)癌的治療，使其發(fā)展到一個更高的水平.

2.2 結(jié)直腸癌

結(jié)直腸癌是常見的人類惡性腫瘤之一，有著極為復(fù)雜的發(fā)生機制，然而研究表明其表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象涉及到癌基因的甲基化異常以及組蛋白修飾.

結(jié)直腸癌癌基因中，包含有一種重要的調(diào)控基因 p16，其為一種廣譜的癌特異性甲基化基因.p16在正常人的結(jié)腸粘膜中不發(fā)生甲基化，而在結(jié)直腸腫瘤中發(fā)現(xiàn)p16發(fā)生甲基化[13]187.因為，當(dāng)p16基因的CpG島發(fā)生甲基化，則會使得p16的表達缺失，從而該基因在一定程度上失活.該過程一般發(fā)生在結(jié)直腸癌的早期，因此可以用以預(yù)測結(jié)直腸癌的發(fā)生[14].所以充分利用表觀遺傳學(xué)與結(jié)直腸癌的關(guān)系，可以在早期就做出相應(yīng)的治療.

結(jié)直腸癌的發(fā)生過程中也包含組蛋白的修飾.在人結(jié)直腸癌細胞株 ING1b基因中的低乙?；赡苁菍?dǎo)致該基因沉默的原因，因而提高其基因的乙酰化狀態(tài)，可以阻止基因沉默，抑制癌細胞的生長[13]189.陳縈亙等[15]發(fā)現(xiàn)，在人的結(jié)直腸癌細胞系中SW1116和Colo320基因中，提高p21WAF1基因相關(guān)染色質(zhì)的乙?；剑梢陨险{(diào)p21WAF1基因的轉(zhuǎn)錄并相應(yīng)地導(dǎo)致結(jié)腸癌細胞生長停滯.

2.3 淋巴造血系統(tǒng)腫瘤

造血是一個動態(tài)的、高度復(fù)雜的發(fā)展過程，使得人類產(chǎn)生了多種類型的細胞循環(huán).在血液系統(tǒng)腫瘤中發(fā)現(xiàn)了 miRNA的表達異常，可見 miRNA和腫瘤或許存在著相關(guān)性.Bueno[16]等研究發(fā)現(xiàn)，miRNA-203基因缺失或者啟動子區(qū) CpG島高甲基化導(dǎo)致表達沉默，引起其靶基因 ABL1、BCR-ABL1的表達上調(diào)，從而導(dǎo)致一系列白血病的產(chǎn)生，如B細胞白血病，而通過聯(lián)合使用去甲基化藥物和去乙?；敢种苿┛苫謴?fù)miRNA-203的表達，從而抑制腫瘤細胞表達[17].該研究結(jié)果證明，通過淋巴造血系統(tǒng)腫瘤與表觀遺傳學(xué)的關(guān)系，利用異常基因表達的過程回復(fù)，可以為治療腫瘤提供輔助作用.

2.4 甲狀腺腫瘤

甲狀腺是內(nèi)分泌系統(tǒng)中最常見的惡性腫瘤，也是人體所有惡性腫瘤中一級親屬患病率最高的腫瘤[18]，近幾年由于環(huán)境及其他因素的影響，伴隨甲狀腺部位出現(xiàn)多種不良癥狀，其發(fā)病率呈逐年上升趨勢，其中乳頭狀甲狀腺瘤是很嚴重的一種惡性腫瘤，因其具有較高的遺傳性狀，要深入了解腫瘤，就必須了解其表觀遺傳學(xué)機制.

基因組廣泛低甲基化是腫瘤的一個普遍特征，其與染色體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定有關(guān)，在甲狀腺的研究中發(fā)現(xiàn)甲基化在不同的基因中表現(xiàn)為：TIMP3基因的缺失，5’端 CpG島的甲基化抑制了基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯；MLH1基因的錯配；CDH1高甲基化導(dǎo)致的功能性沉默已經(jīng)組蛋白乙?；榷紝?dǎo)致了甲狀腺腫瘤的發(fā)生.因為如果通過有效的過程修復(fù)或阻攔，都會在腫瘤的治療中起到良好的作用，例如 HDAC抑制劑丁酸鈉和丁氨酸聯(lián)合維甲酸誘導(dǎo)的促分化，均可使腫瘤細胞恢復(fù)攝碘能力，為相應(yīng)的患者提供有效的I治療[19].

3 表觀遺傳學(xué)的發(fā)展前景

表觀遺傳學(xué)在一定意義上補充了“中心法則”的范圍，解決了兩個問題：核酸并不是存儲遺傳信息的唯一載體及正常的基因轉(zhuǎn)錄和翻譯是由某些因素決定的，同時解釋了 DNA序列所不能解釋的奇怪現(xiàn)象等[20].因此隨著表觀遺傳學(xué)的發(fā)展，人們開始通過研究表觀遺傳學(xué)各種現(xiàn)象及機理，來處理相應(yīng)的腫瘤或疾病，這在腫瘤治療方面將會有很大的發(fā)展前景.目前，表觀遺傳學(xué)的診斷和治療過程中，通常使用蛋白質(zhì)作為腫瘤標(biāo)志物，如癌胚抗原(CEA)和α-甲胎蛋白(AFP)；使用特定分子用于癌癥分子的針對性治療，如細胞表面受體.例如，根據(jù)乳腺癌組織中HER2的表達狀態(tài)，與曲妥珠單抗的靶向抑制反應(yīng)預(yù)測HER2的功能.

表觀遺傳學(xué)中 DNA甲基化已經(jīng)在癌癥診斷中得到研究并應(yīng)用.例如，檢測血漿/血清中循環(huán) DNA (游離DNA )，在通常情況下，癌癥患者的血清/血漿中循環(huán)DNA的水平比健康人高.該循環(huán)DNA被認為是腫瘤細胞的凋亡或衍生壞死產(chǎn)生的.一些報道表明，在一系列腫瘤類型的不同基因中，某些腫瘤組織中的啟動子發(fā)生了甲基化.在癌癥中，存在某些基因的甲基化，這些甲基化的基因似乎是特異性針對某些類型的腫瘤.不同的腫瘤類型，DNA甲基化異常將導(dǎo)致基因組的不穩(wěn)定或者腫瘤抑制基因的失活[5]8.一般情況下，在血清或者血漿中，原發(fā)腫瘤與 DNA的甲基化具有一致性；而在大多數(shù)情況下，如果檢測到血清或血漿中 DNA甲基化，則原發(fā)腫瘤也將會發(fā)生正相關(guān)的變化.因此根據(jù)研究報道的發(fā)現(xiàn)，可以通過檢測血清或血漿中的 DNA甲基化的變化，確定癌癥患者；對腫瘤組織做分子診斷，也可以進行癌癥的靶向治療.

應(yīng)用于癌癥治療的藥物研究，主要是一些DNA甲基化抑制劑，包括地西他濱、嘧啶胞苷(Dacogen核苷類似物)、阿扎胞苷和非核苷抑制劑肼苯噠嗪.阿扎胞苷和地西他濱已被批準(zhǔn)用于骨髓增生異常綜合征(MDS)的治療，包括難治性貧血和慢性髓性白血病(CML).

表觀遺傳學(xué)和新陳代謝也有著高度的關(guān)聯(lián)，異常代謝酶可能改變養(yǎng)分的供應(yīng)狀態(tài)，從而導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境的變化以至癌基因突變.酶介導(dǎo)的細胞表觀遺傳，是通過組蛋白修飾和 DNA基因翻譯后修飾表達來影響代謝，反之新陳代謝的異常又在腫瘤的發(fā)生過程中起到了致病作用.這在一定程度上為腫瘤的治療提供了一條新的途徑，即針對腫瘤細胞微環(huán)境重新建立正常的新陳代謝，例如應(yīng)用化學(xué)制劑和天然化合物，如葉酸、膽堿、黃酮類化合物等[21].

腫瘤病因及其發(fā)病機制相對復(fù)雜，雖然我們對腫瘤與表觀遺傳修飾及表觀遺傳機理的關(guān)系了解相對較少，但在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中，可以通過研究表觀遺傳的變化，進行早期診斷及之后的判斷.同時，由于表觀遺傳修飾具有可逆性，可以通過一些藥物治療等手段，將異常修飾調(diào)控基因恢復(fù)正常，從而起到抗腫瘤的作用.盡管我們對表觀遺傳的研究和應(yīng)用還不夠純熟，仍有一些待于深入探討的問題，但是一些腫瘤治療藥物已經(jīng)得到了臨床應(yīng)用.所以，腫瘤的表觀遺傳治療為我們提供了一個全新的視野，擁有著廣闊的應(yīng)用前景，并將成為腫瘤治療的一部分.

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