TET蛋白家族和5-羥甲基胞嘧啶在腫瘤發(fā)病中的研究進(jìn)展

郭 嚴(yán)，王 斌，王 軍(綜述)，陳東風(fēng)(審校)

(第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所消化內(nèi)科，重慶400042)

表觀遺傳學(xué)是研究基因的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達(dá)了可遺傳的變化的遺傳學(xué)機(jī)制。表觀遺傳的現(xiàn)象包括DNA胞嘧啶甲基化、基因組印跡、組蛋白修飾、染色體重塑等。其中，DNA的胞嘧啶甲基化在基因組印跡、基因表達(dá)調(diào)節(jié)、X染色體失活、癌癥發(fā)生等發(fā)面發(fā)揮重要作用［2］。DNA胞嘧啶甲基化是一個(gè)動(dòng)態(tài)可逆的過程，其在特定位點(diǎn)生成的 5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mc)可經(jīng) ten eleven translocation(TET)蛋白家族羥化后生成5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine，5hmc)，這一研究極大地拓展了對(duì)DNA去甲基化的認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)對(duì)TET蛋白家族和5hmc在胖瘤發(fā)病中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 概述

DNA的胞嘧啶5-甲基化是一種重要的表觀遺傳學(xué)修飾，它在生物發(fā)育和基因調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要的作用，不同細(xì)胞或組織的不同發(fā)育階段，基因組存在不同的甲基化分布［1］。在哺乳動(dòng)物的發(fā)育過程中，DNA甲基化組除有譜系特異性外，目前報(bào)道的還有兩種發(fā)生DNA甲基化部位:一種是受精卵，另一種是初級(jí)生殖細(xì)胞發(fā)育［1］。催化DNA甲基化的酶是DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferases，DNMTs):DNMT1、DNMT3A、DNMT3B和調(diào)節(jié)的亞基DNMT3L。但是，全基因組DNA甲基化怎樣分別調(diào)節(jié)并動(dòng)態(tài)調(diào)控生物發(fā)育仍是一個(gè)疑問。可以肯定的是，DNA甲基化調(diào)控的程度可能與下游基因表達(dá)程序有關(guān)。

研究表明，5mc甲基化修飾是一個(gè)可逆的過程［2］。DNA中還存在5mc的羥基化修飾形式——5hmc［2］。5hmc最初是在T偶數(shù)噬菌體中被發(fā)現(xiàn)，隨后又在脊椎動(dòng)物的大腦和其他組織中檢測出5hmc大量存在［3］。這說明5hmc在脊椎動(dòng)物的生長發(fā)育中發(fā)揮重要的生物學(xué)作用。5hmc在鼠類的胚胎干細(xì)胞中含量很高，其含量隨胚胎干細(xì)胞的分化而逐漸減少［4］，但在終末分化細(xì)胞中再次升高，如浦肯野神經(jīng)元。如果下調(diào) 5mc，5hmc在小鼠、牛以及兔的雄性原核中存在特殊的聚集［5］，這一現(xiàn)象說明5hmc的一個(gè)潛在的生物學(xué)功能和其在早期發(fā)育過程中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)DNA甲基化。

最近研究發(fā)現(xiàn)，TET蛋白家族具有催化5mc羥基化的酶活性。哺乳動(dòng)物的TET蛋白家族包括3個(gè)成員:TET1、TET2、TET3，它們在靠近C端的位置擁有1個(gè)催化結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域具有3個(gè)Fe2+和1個(gè)α-銅戊二酸(α-ketoglutarate，α-KG)的結(jié)合位點(diǎn)，催化結(jié)構(gòu)域前還擁有一段富含半胱氨酸區(qū)［6］。TET家族的發(fā)現(xiàn)揭示5hmc作為中間體調(diào)控DNA的甲基化，但在發(fā)育過程中的5hmc和TET家族的生物學(xué)功能和調(diào)控機(jī)制尚不明確。研究發(fā)現(xiàn)，TET蛋白可以氧化5mc或5hmc，從而將其轉(zhuǎn)化為5fc(5-formylcytosine)和(或)5caC(5-carboxylcytosine)［7-8］，進(jìn)一步說明 TET 蛋白家族和5hmc在發(fā)育過程中的表觀遺傳學(xué)調(diào)控的功能。

2 TET蛋白和5hmc與腫瘤的發(fā)生

2.1 TET蛋白家族在腫瘤發(fā)生中的作用 TET蛋白家族與5hmc不僅調(diào)控哺乳動(dòng)物的生長發(fā)育，已有研究發(fā)現(xiàn)，其在腫瘤發(fā)生和發(fā)展過程中均發(fā)揮重要作用［9］。作為染色體異位的結(jié)果，TET1在急性髓性白血病(acute myelocytic leukemia，AML)患者中存在t(10;11)(q22;q23)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶和混合性白血病(mixed-lineage leukemia，MLL)基因融合現(xiàn)象。除了t(10;11)(q22;q23)異位，TET1尚無其他異位部位被報(bào)道。MLL-TET1融合蛋白相對(duì)分子質(zhì)量大約為204 000，由MLL的N端部分和TET1的C端部分融合而成。其產(chǎn)物蛋白包含AT鉤區(qū)(AT hook)，局限的亞核化區(qū)域和MLL結(jié)構(gòu)融合成TET1的催化核心區(qū)域的CXXC。MLL-TET1融合蛋白催化活性尚不清楚，它可能有TET1和MLL都不具有的新功能或是既沒有TET1也沒有MLL的功能，從而導(dǎo)致癌癥的產(chǎn)生。但無論是哪種機(jī)制，MLL異位均與ALL和AML患者預(yù)后差有關(guān)［10-11］。

與TET1相類似，TET2也是4q24染色體受累基因。TET2在骨髓增生性腫瘤存在突變已得到證實(shí)［12］。同時(shí)，TET2突變也在骨髓增生異常綜合征、紅細(xì)胞增多癥、原發(fā)性血小板增多癥、骨髓纖維化、母細(xì)胞性漿細(xì)胞樣樹突細(xì)胞瘤中被發(fā)現(xiàn)［13-17］。

TET2的突變范圍從無義密碼子和錯(cuò)誤突變到移碼和缺失。這些突變均被認(rèn)為是TET2酶失活的結(jié)果。在骨髓增生性腫瘤患者中檢測到許多常見的突變均受TET2活性的影響，包括 W1291R、E1318G、P1367S、I1873T 和 G1913D［18］。所有這些突變位于富含半胱氨酸的區(qū)域或人TET2催化結(jié)構(gòu)域。TET2突變常常發(fā)生在單個(gè)或兩個(gè)等位基因，說明TET2突變可能存在抑癌基因單倍體不足或是獲得致癌的功能。有文獻(xiàn)指出TET2類似于抑癌基因，特別是在造血干細(xì)胞中［17，19］。但是，在其他一些重要的旁路中(如 JAK 激酶和p53)，TET2突變可能不足以導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)化。

TET2可能直接導(dǎo)致骨髓細(xì)胞生成，下調(diào)TET2可以改變骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的分化。此外，在大鼠中選擇性敲除或降低TET2的表達(dá)會(huì)導(dǎo)致造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞不成比例的擴(kuò)增，分化成髓細(xì)胞和淋巴細(xì)胞［20］。研究發(fā)現(xiàn)，TET2突變與AML存活時(shí)間下降［21］和單核細(xì)胞性白血病低存活率有關(guān)［22］。但在MDS患者中，TET2突變會(huì)增加存活率，減少向AML轉(zhuǎn)化的風(fēng)險(xiǎn)［23］。TET酶需要輔因子催化，其中之一為α-銅戊二酸。α-銅戊二酸由細(xì)胞質(zhì)中的異檸檬酸脫氫酶1(isocitrate dehydrogenase，IDH1)和其線粒體同源的 IDH2產(chǎn)生［24］。IDH1和IDH2在5hmc和TET表達(dá)增多的疾病中存在突變，如膠質(zhì)瘤、白血病、星形細(xì)胞瘤和骨髓增生性腫瘤，這些突變不僅相互排斥，同時(shí)還伴隨TET2的突變。

IDH1和IDH2突變會(huì)獲得表型功能，從而導(dǎo)致α-銅戊二酸表達(dá)減少，并突變成2-羥基戊二酸［25］。突變的IDH過表達(dá)會(huì)導(dǎo)致整體甲基化增高，但與TET2同時(shí)過表達(dá)則不會(huì)引起5hmc水平增高［24］。免疫組織化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)瘤、星形細(xì)胞瘤、膠質(zhì)母細(xì)胞瘤組織中都存在IDH1突變導(dǎo)致的5hmc表達(dá)下降和5mc表達(dá)增高［26］，Xu等［27］也在液相質(zhì)譜分析中發(fā)現(xiàn)，IDH突變導(dǎo)致5hmc下降。這些研究表明，5hmc的下降既直接破壞了TET酶，同時(shí)也改變了相關(guān)的輔助因子，它的變化可能參與腫瘤及相關(guān)疾病的發(fā)生、發(fā)展。

2.2 5hmc與腫瘤的發(fā)生 假設(shè)5hmc是去甲基化過程的中間產(chǎn)物，它作為TET蛋白功能破壞的結(jié)果可能導(dǎo)致超甲基化。急性髓細(xì)胞白血病患者中特定位點(diǎn)廣泛的超甲基化伴隨著TET2突變已經(jīng)被報(bào)道［22］。另一研究發(fā)現(xiàn)白血病患者中TET2突變，與5hmc表達(dá)減少和局部 DNA甲基化有關(guān)［18］。Kraus等［28］研究發(fā)現(xiàn)，腦部病變，尤其是星形細(xì)胞瘤和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，其5hmc均與腫瘤的分級(jí)呈負(fù)相關(guān)。此外，多種腫瘤均出現(xiàn)較正常組織中5hmc下降的情況［29］。整體低羥甲基化在腫瘤和與TET突變的關(guān)系尚不明確，可能依賴于腫瘤的類型和分級(jí)。在臨床研究中，超甲基化基因最初在MDS和白血病患者中被檢測出來。TET突變率在上述兩種疾病中升高明顯，說明TET突變與臨床治療有效率存在某種關(guān)系。

除了腦膠質(zhì)瘤和造血系統(tǒng)腫瘤，5hmc還在多種腫瘤，如乳腺癌、結(jié)腸癌、膀胱癌、肝癌、肺癌及胰腺癌中表達(dá)降低［30-31］。這種5hmc表達(dá)水平與腫瘤形成的負(fù)相關(guān)說明5hmc在腫瘤發(fā)生中的表觀遺傳的修飾作用。同時(shí)，TET蛋白家族的3個(gè)成員(TET1、TET2、TET3)在腫瘤中的表達(dá)，如乳腺癌、肝癌均較正常組織降低。值得注意的是，3種TET蛋白的在腫瘤組織的表達(dá)降低不盡相同:TET1下降最為顯著，其次是TET2、TET3［30］。研究表明，5hmc在腫瘤表達(dá)下降的機(jī)制有兩種:一是TET2突變導(dǎo)致功能丟失，二是由IDH1/2突變導(dǎo)致TET本身活性受抑制，從而阻止5mc向5hmc轉(zhuǎn)化［27］。這些研究說明，5hmc在腫瘤表達(dá)減少的機(jī)制除TET2和IDH1/2基因突變，還有一種全新的機(jī)制可以阻止5mc向5hmc轉(zhuǎn)化——TET轉(zhuǎn)錄失活。

3 展望

TET蛋白和5hmc在生物進(jìn)化和疾病中的作用是目前表觀遺傳學(xué)研究的一大熱點(diǎn)。雖然大量的研究表明5hmc在血液系統(tǒng)和實(shí)體腫瘤發(fā)病過程中具有表觀遺傳調(diào)控功能，從而阻止腫瘤發(fā)生，但減少5hmc表達(dá)水平是否可以預(yù)防腫瘤發(fā)生仍不明確，這也將是未來研究的重點(diǎn)。同時(shí)，TET蛋白家族在5mc轉(zhuǎn)化為5hmc過程中的羥基化修飾，為認(rèn)識(shí)DNA甲基化修飾的機(jī)制和復(fù)雜性提供了基礎(chǔ)，深化了對(duì)生物進(jìn)化和腫瘤發(fā)生的認(rèn)識(shí)，從而為疾病的診斷、預(yù)防和治療提供了新的靶點(diǎn)。

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