表觀遺傳藥物在結(jié)直腸癌治療中的研究進展

朱波，劉經(jīng)緯，豆建，李日恒

(河北大學附屬醫(yī)院胃腸外科，河北 保定 071000)

結(jié)直腸癌是常見的消化道惡性腫瘤之一，其患病率和病死率均呈逐年上升趨勢，嚴重威脅人類健康[1-2]。由于結(jié)直腸癌早期缺乏特異性癥狀，大多數(shù)患者首次就診時已達III、IV期，喪失了接受標準治療的機會，5年生存率僅為40%[3]。盡管靶向藥物治療、免疫治療等綜合治療手段可以適當延長結(jié)直腸癌患者的中位生存期，但仍需尋找新的治療手段以改善目前結(jié)直腸癌患者的生存狀態(tài)[4-5]。近年來，表觀遺傳治療除了在初治以及難治復發(fā)性骨髓增生異常綜合征(myelodysplastic syndrome,MDS)等惡性血液病患者的治療中取得了顯著的效果，在結(jié)直腸癌等惡性實體腫瘤的臨床研究也在廣泛開展中[6]。本文旨在從表觀遺傳調(diào)控的分子機制、與結(jié)直腸癌的關系等方面對目前表觀遺傳藥物應用于結(jié)直腸癌治療中的研究進展作一簡要綜述。

1 表觀遺傳學

表觀遺傳學是研究在DNA的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，通過有絲分裂和減數(shù)分裂等在細胞或個體間引起可遺傳的基因表達或細胞表型變化的學科[7]。表觀遺傳學的研究內(nèi)容包括DNA甲基化、組蛋白修飾以及非編碼RNA調(diào)控等[8-9]。與經(jīng)典遺傳學不同，表觀遺傳學改變具有可逆性的特點，這為結(jié)直腸癌等惡性腫瘤的治療提供了新的思路和途徑。近年來，越來越多的研究[10-11]證實表觀遺傳學改變在結(jié)直腸癌的啟動和進展過程中發(fā)揮著更重要的作用。因此，探究表觀遺傳調(diào)控的分子機制，分析其與結(jié)直腸癌的發(fā)生、發(fā)展關系，將有助于展開更完善且有效的診療方法，從而達到逆轉(zhuǎn)當前治療困境的目的。此外，由于表觀遺傳調(diào)控的異常改變通常發(fā)生于惡性腫瘤的早期階段，因此可以作為早期診斷的分子標志物以提高診斷的準確性。

1.1 DNA甲基化

DNA甲基化是指CpG雙核苷酸的胞嘧啶在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferases，DNMTs)的催化作用下，以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)為甲基供體，通過共價鍵結(jié)合的方式，獲得一個甲基基團的化學修飾過程。DNA甲基化是最早被發(fā)現(xiàn)，也是最為常見的表觀遺傳現(xiàn)象，在真核生物維持基因組穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)細胞周期、凋亡以及胚胎發(fā)育等重要生理功能方面起著重要作用。然而異常的DNA甲基化往往能夠通過引起DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性以及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，進而調(diào)控基因的表達水平，成為誘導結(jié)直腸癌等惡性腫瘤發(fā)生的重要因素[12-13]。低水平的DNA甲基化不但能夠?qū)е禄蚪M穩(wěn)定性的降低和突變率的增加，還可以通過異常激活多種原癌基因的表達從而導致惡性腫瘤的發(fā)生[14-15]。與DNA低甲基化相比，高水平的DNA甲基化往往能夠通過降低腫瘤抑制基因的轉(zhuǎn)錄活性繼而對該基因的表達產(chǎn)生影響，例如表達降低、表達沉默，從而間接地誘導惡性腫瘤的發(fā)生[16]。腫瘤抑制基因啟動子區(qū)域CpG島的高甲基化導致其自身轉(zhuǎn)錄沉默與結(jié)直腸癌等腫瘤疾病的發(fā)生、發(fā)展有著密切的聯(lián)系，近年來已被認為是惡性腫瘤發(fā)生的一個共同特征[17-19]。

1.2 組蛋白修飾

組蛋白的修飾作用作為另一類調(diào)節(jié)基因表達的表觀遺傳學分子機制，因其修飾作用與結(jié)直腸癌在內(nèi)的多種惡性腫瘤的發(fā)生密切相關而受到人們關注。組蛋白在真核生物中與DNA共同組成核小體結(jié)構(gòu)，其氨基末端在相關酶的催化作用下可進行多種共價修飾，包括乙?；?、甲基化、巴豆?；?、泛素化以及磷酸化等，這些修飾方式在基因表達調(diào)控中起著不同的作用[20]。目前為止，在組蛋白的多種修飾方式中，乙?；图谆畛Ｒ?。組蛋白乙?；侵冈诮M蛋白乙酰化酶(histone acetyltransferase，HAT)的催化作用下，以乙酰輔酶A(CoA)為供體，將乙?；鶊F轉(zhuǎn)移到組蛋白氨基末端的賴氨酸殘基上的過程。在HAT的催化作用下，乙?；鶊F與賴氨酸側(cè)鏈所帶的正電荷相互抵消，導致組蛋白與DNA的親和力降低并且分離開來，使得染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變得松馳，繼而DNA更容易與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合促進基因的轉(zhuǎn)錄[21-22]。組蛋白甲基化由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(histone methyltransferase，HMT)介導，通常發(fā)生在組蛋白氨基末端的賴氨酸和精氨酸殘基上[23]。與精氨酸殘基只能發(fā)生單甲基化和雙甲基化不同，賴氨酸殘基的甲基化方式包括單甲基化、雙甲基化以及三甲基化。與此同時，由于氨基酸的類型以及甲基化方式的各不相同，使得組蛋白修飾調(diào)節(jié)基因表達的機制也變得更為復雜。此外，組蛋白修飾不但能夠通過使染色質(zhì)構(gòu)型發(fā)生改變以調(diào)控基因的表達，更在于可以通過招募蛋白復合體參與細胞分裂、細胞凋亡等過程，從而來影響機體的免疫系統(tǒng)以及炎癥反應[24]。

1.3 非編碼RNA調(diào)控

非編碼RNA(non-coding RNA，ncRNA)是指除了mRNA外大多數(shù)(約占98%)不具備翻譯成蛋白質(zhì)功能的RNA的統(tǒng)稱[25-26]。它們能夠通過DNA轉(zhuǎn)錄而來，但并不通過合成蛋白質(zhì)、多肽等來表達信息，而是在分子水平上行使各自的生物學功能，例如通過影響細胞代謝、細胞分化以及信號通路等來促進或者抑制腫瘤的發(fā)生、發(fā)展[27-28]。已知功能的ncRNA具有多種，按所含堿基數(shù)目主要分為小分子ncRNA和大分子長鏈ncRNA(long non-coding RNA，lncRNA)，除此之外還有很多未知功能的ncRNA。其中，lncRNA因其數(shù)量龐大并且近年來在結(jié)直腸癌等惡性腫瘤中發(fā)揮越來越重要的作用而成為研究熱點[29-30]。

2 結(jié)直腸癌

結(jié)直腸癌是發(fā)生于結(jié)直腸上皮的惡性腫瘤，病理類型以腺癌最為常見，極少數(shù)為鱗癌。盡管愈創(chuàng)木脂糞便隱血試驗、乙狀結(jié)腸鏡檢查等早期篩查方法逐漸得到重視，以腹腔鏡結(jié)直腸癌根治術(shù)為主、新輔助放化療、免疫治療以及中醫(yī)藥治療等為輔的綜合治療手段得到顯著提升，全世界結(jié)直腸癌的患病率和病死率仍在飆升，降低結(jié)直腸癌的發(fā)病與死亡成為世界性的共同問題。結(jié)直腸癌的演變過程較漫長，從增生性息肉到腺瘤再發(fā)展為腺癌，整個過程5～15年，其發(fā)生、發(fā)展是一個多因素、多階段的復雜過程，涉及一系列的經(jīng)典遺傳學和表觀遺傳學事件的積累。近年來，表觀遺傳學改變在結(jié)直腸癌發(fā)生、發(fā)展過程中的作用逐漸得到重視。通過對結(jié)直腸癌患者表觀遺傳調(diào)控的早期監(jiān)測，可以對結(jié)直腸癌患者進行早期治療，這樣不但可以明顯改善患者的臨床治療效果，而且可以改善患者的預后情況。

3 表觀遺傳藥物在結(jié)直腸癌中的作用

針對異常的DNA甲基化和組蛋白修飾現(xiàn)象，已有多種表觀遺傳藥物應用于臨床試驗，近年來越來越多的研究開始關注其在結(jié)直腸癌治療中的應用。

3.1 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑

目前已通過臨床審批的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑(DNA methyltransferase inhibitor，DNMTi)根據(jù)其化學結(jié)構(gòu)不同分為核苷類抑制劑和非核苷類抑制劑。

3.1.1 核苷類DNMTi

核苷類抑制劑包括地西他濱、阿扎胞苷、折布拉林以及法扎拉濱等。地西他濱在幾種核苷類抑制劑中具有最強的去甲基化作用，并且被用于初治以及難治復發(fā)MDS患者以及急性髓細胞白血病(acute myeloid leukemia，AML)等惡性血液病患者的治療[31-32]，但由于常導致惡性血液病患者出現(xiàn)嚴重的胃腸道反應和表現(xiàn)出骨髓毒性而限制了其廣泛的臨床應用[33-34]。核苷類抑制劑的作用機制可能為在體內(nèi)通過代謝形成三磷酸脫氧核苷，進而在DNA復制的過程中摻入新合成的DNA分子替代胞嘧啶，競爭性地抑制DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的活性，使得DNA甲基轉(zhuǎn)移酶失活，從而阻斷DNA甲基化的過程。雖然地西他濱在MDS、AML等非實體惡性腫瘤的治療取得了不錯的效果，但對于結(jié)直腸癌等實體惡性腫瘤尚無更好的進展。近年來有研究[35]發(fā)現(xiàn)，應用低劑量的地西他濱對結(jié)直腸癌LS180、SW1116等多種細胞系進行化療前的預處理后，可以與順鉑發(fā)生協(xié)同效應，從而提高順鉑的化療效果；接著通過裸鼠成瘤體內(nèi)實驗進一步驗證了低劑量的地西他濱和順鉑的聯(lián)合應用與單獨應用化療藥物順鉑相比能夠明顯抑制腫瘤細胞的增殖，從而延長小鼠的生存期。此外，還有研究[36]發(fā)現(xiàn)，低劑量的地西他濱聯(lián)合PD-1單抗作用于結(jié)直腸癌CT26細胞成瘤的小鼠體內(nèi)后，能夠明顯延長小鼠的生存時間；并且發(fā)現(xiàn)低劑量的地西他濱可以提高結(jié)直腸癌細胞的免疫原性。這些都為未來地西他濱等核苷類抑制劑應用于結(jié)直腸癌的臨床試驗提供了強有力的理論依據(jù)。

3.1.2 非核苷類DNMTi

非核苷類抑制劑根據(jù)其化學結(jié)構(gòu)不同主要分為氨基苯甲酸類、茶多酚類、肼類以及鄰苯二酰胺類等[37]。非核苷類抑制劑由于不摻入新合成的DNA分子，因此細胞毒性較核苷類抑制劑小。近年來，氨基苯甲酸類的代表藥物鹽酸普魯卡因被發(fā)現(xiàn)是一種較為安全的去甲基化藥物，能直接作用于富含CpG的DNA序列，特異性地抑制DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1的活性，進而逆轉(zhuǎn)包括結(jié)直腸癌等多種實體腫瘤的惡性生物學行為。高曰文等[38]通過研究發(fā)現(xiàn)普魯卡因能夠逆轉(zhuǎn)Syk基因啟動子區(qū)域CpG島甲基化，使Syk基因的表達水平上調(diào)，進而抑制HT-29細胞的增殖。梁田田等[39]研究發(fā)現(xiàn)普魯卡因可部分逆轉(zhuǎn)結(jié)直腸癌細胞中PAQR3甲基化狀態(tài)，上調(diào)PAQR3蛋白表達量。另外，有研究發(fā)現(xiàn)普魯卡因在一定范圍內(nèi)能抑制結(jié)腸癌細胞的增殖和運動能力[40]。由于其毒副作用小、價格便宜、特異性強等優(yōu)點，具有更廣闊的臨床應用前景。此外，研究發(fā)現(xiàn)茶多酚類的代表表沒食子兒茶素沒食子酸酯(epigallocatechin gallate，EGCG)，作為綠茶茶多酚的主要組成成分，可以抑制結(jié)腸癌細胞生長所需要的tNOX酵素，同樣也具有抗感染、抗病毒以及抗腫瘤的作用[41]。因此，非核苷類抑制劑未來有望成為基于表觀遺傳學結(jié)直腸癌等惡性腫瘤治療的安全候選藥物。

3.2 組蛋白靶點抑制劑

目前為止，對于組蛋白靶點抑制劑的研究主要在組蛋白去乙?；敢种苿?histone deacetylase inhibitor，HDACi)和組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑(histone methytransferase inhibitor，HMTi)兩個方面。

3.2.1 HDACi

組蛋白的乙酰化是一個由HAT和組蛋白去乙?；?histone deacetylase，HDAC)2種作用完全相反的酶所共同催化介導可逆的動態(tài)平衡過程。而HDACi則能夠通過打破這種動態(tài)平衡進而影響細胞調(diào)節(jié)的功能。在腫瘤細胞中，HDAC的過度表達會加速組蛋白的去乙酰化作用，使組蛋白和DNA的親和力增高，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變得緊密起來，導致包括抑癌基因等在內(nèi)的管家基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯受阻，進而通過使抑癌基因沉默等機制引起惡性腫瘤的發(fā)生[42]。越來越多的研究表明，組蛋白的異常去乙?；c結(jié)直腸癌的啟動過程和進展有著密切的關系[43-45]。HDACi可以通過靶向HDAC而使沉默的腫瘤抑制基因恢復活性和表達，抑制腫瘤細胞的增殖和誘導其凋亡，因其毒副作用小并且可以特異性結(jié)合HDAC而備受人們關注。HDACi根據(jù)其化學結(jié)構(gòu)的不同主要分為短鏈脂肪酸類、聯(lián)苯酰胺類、環(huán)肽類以及羥肟酸類等，包括已經(jīng)臨床審核批準的藥物恩替諾特、貝立司他以及丁鹽酸等[46]。Sonnemann等[47]發(fā)現(xiàn)恩替諾特可以通過介導腫瘤抑制基因的損傷應答來發(fā)揮抑制結(jié)直腸癌細胞生長的作用。Tumber等[48]通過應用貝立司他在體外處理結(jié)腸癌HCT116細胞，發(fā)現(xiàn)對該細胞的增殖具有抑制作用。Bultman等[49]通過在結(jié)直腸癌細胞和裸鼠成瘤實驗中的研究指出低濃度的丁鹽酸可以抑制結(jié)直腸細胞的增殖。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)丁鹽酸可以通過促進轉(zhuǎn)錄因子SP1的乙?；?，進而阻滯結(jié)直腸癌的細胞生長周期來抑制其增殖[50]。雖然HDACi在結(jié)直腸癌的治療方面表現(xiàn)出了一定的潛在作用，但目前仍需要更多的研究來證實其作用效果以及安全性。

3.2.2 HMTi

目前為止，已報道的HMTi應用于結(jié)直腸癌的抗腫瘤作用較少。最近有研究[51]發(fā)現(xiàn)，與癌旁正常組織相比，HMT SETDB1在結(jié)腸癌癌組織標本中呈高表達狀態(tài)，同時在體外試驗通過小干擾RNA(small interfering RNA，siRNA)沉默HMT SETDB1后，可以明顯抑制結(jié)腸癌LoVo細胞的增殖，誘導其凋亡。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)HMT SETDB1高表達的結(jié)腸癌SW480細胞，其增殖和遷移能力同樣也會增高[52]。這些都為日后HMTi的研發(fā)與應用于結(jié)直腸癌的治療提供了強有力的實驗數(shù)據(jù)。

4 小結(jié)與展望

表觀遺傳藥物的發(fā)現(xiàn)為目前結(jié)直腸癌的治療提供了一個極具吸引力的靶點，受到了國內(nèi)外許多學者的廣泛關注。目前還有多種DNMTi和HDACi正處于研發(fā)過程中并且取得了一定的療效，但由于缺乏特異性和存在一些不良反應，因此仍需進一步研究。另外，在臨床實踐中，表觀遺傳藥物不僅可以單獨使用，還可與新興抗腫瘤藥物聯(lián)合使用，在提高療效的同時也能很大程度降低抗腫瘤藥物的毒副作用。既往研究發(fā)現(xiàn)，低劑量的地西他濱可增強PD-1阻斷劑的抗腫瘤作用，為微衛(wèi)星不穩(wěn)定性結(jié)直腸癌患者提供更有效的免疫應答及臨床益處[53]。

總的來說，表觀遺傳學分子機制深入研究，對結(jié)直腸癌病因和發(fā)病機制的認識不再局限于基因水平的改變，相信未來表觀遺傳藥物的進一步發(fā)掘能夠為結(jié)直腸癌的治療帶來光明的前景。