DNA甲基化在甲狀腺癌中的作用及機(jī)制研究進(jìn)展

趙柯郁，蘇秀蘭*

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)研究中心，內(nèi)蒙古醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010050）

甲狀腺癌是常見的內(nèi)分泌腫瘤之一，過去30年間，甲狀腺癌發(fā)病在世界范圍內(nèi)呈逐年遞增趨勢[1]。根據(jù)全球癌癥報(bào)告（2018年）數(shù)據(jù)顯示，2018年全球甲狀腺癌新增病例56萬例，死亡4萬例，排名癌癥發(fā)病第九位[2]。甲狀腺癌發(fā)生有多種機(jī)制參與，其中遺傳學(xué)變化是重要原因之一，包括基因突變及基因重排等，常見的如BRAF（B-Raf proto-oncogene, serine/threonine kinase）、RAS基因突變，RET/PTC重排。還有近年研究較多的如端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶（telomerase Reverse transcriptase，TERT），其啟動(dòng)子突變在在侵襲性和未分化腫瘤中廣泛存在，目前已作為生物學(xué)指標(biāo)在臨床應(yīng)用[3-6]。除基因本身改變，遺傳學(xué)變化的重要組成部分-表觀遺傳學(xué)，也在甲狀腺癌中發(fā)揮著重要作用，表觀遺傳修飾包括多種類型如DNA甲基化、m6A以及組蛋白修飾等，其中DNA甲基化是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)也是研究最廣泛的表觀遺傳學(xué)修飾[7]。隨著研究深入，DNA甲基化在甲狀腺癌中的作用和機(jī)制逐漸被闡明，下文將就最近幾年甲狀腺癌與DNA甲基化相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，對DNA甲基化在甲狀腺癌中的功能與機(jī)制以及篩查與應(yīng)用進(jìn)行詳述。

1 DNA甲基化及其在甲狀腺癌中的作用

DNA甲基化由DNA甲基化酶（DNA methyltransferases，Dnmts）家族催化，將一個(gè)甲基從S-腺苷甲硫氨酸（S-adenyl methionine, SAM）轉(zhuǎn)移到DNA胞嘧啶5號位碳端，形成5-甲基胞嘧啶（5mC），通常發(fā)生在CpG二核苷酸位點(diǎn)[8,9]。DNA甲基化在基因表達(dá)調(diào)控、遺傳印跡以及X染色體失活等細(xì)胞過程中具有關(guān)鍵作用[10]。研究表明，DNA甲基化狀態(tài)與甲狀腺癌發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，如RAP1 GTP酶激活蛋白（RAP1 GTPase activating protein，RAP-1GAP），Ras激活物類似物1（RAS activator like 1，RASAL1）, REC8以及Ras關(guān)聯(lián)域蛋白1（Ras association domain family member 1，RASSF1）等多個(gè)抑癌基因啟動(dòng)子甲基化水平升高，NOTCH4、MAP17以及 TCL1B等基因甲基化水平降低[11-14]。另外，與甲狀腺功能相關(guān)基因促甲狀腺激素受體（thyroid stimulating hormone receptor, TSHR）基因和，NK2同源盒1（NK2 homeobox 1, NKX2-1）基因，也發(fā)現(xiàn)在甲狀腺癌中高度甲基化[15,16]。Ceolin等[17]對42名患者進(jìn)行了總體DNA甲基化水平對比研究，發(fā)現(xiàn)髓樣甲狀腺癌（medullary thyroid cancer，MTC）患者相比甲狀腺乳頭狀癌（papillary thyroid carcinoma，PTC）患者擁有更高的DNA甲基化水平，表明不同甲狀腺癌類型具有不同DNA甲基化水平，未來或可利用其進(jìn)行分型。Qu等[16]通過對14個(gè)研究的914例樣本進(jìn)行了Meta分析，發(fā)現(xiàn)在PTC中TSHR甲基化水平更高且與PTC發(fā)病相關(guān)。可見DNA甲基化可以通過影響相關(guān)基因表達(dá)，促進(jìn)甲狀腺癌發(fā)生發(fā)展。在臨床應(yīng)用方面，DNA甲基化具有作為診斷篩查標(biāo)記物以及治療靶點(diǎn)的潛力[18]。

2 DNA甲基化與甲狀腺癌信號通路

DNA甲基化在甲狀腺癌信號通路調(diào)控中發(fā)揮重要的作用，DNA甲基化會(huì)影響信號通路相關(guān)調(diào)控基因的表達(dá)從而調(diào)節(jié)信號通路活性。絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號通路以及磷脂酰肌醇3-激酶（Phosphoinositide 3-kinase，PI3K）信號通路是目前研究發(fā)現(xiàn)與甲狀腺癌相關(guān)的兩條主要信號通路，在調(diào)控甲狀腺癌細(xì)胞生長、分化、轉(zhuǎn)移和生存中具有重要作用。Lee等[19]發(fā)現(xiàn)，MAPK通路抑制基因絲氨酸蛋白酶抑制劑肽酶分化枝A成員5（serpin peptidase inhibitor A member 5 ，SERPINA5）在甲狀腺癌中由于甲基化導(dǎo)致表達(dá)水平降低[20]，提示其可能是導(dǎo)致MAPK通路異常的重要因素之一。甲狀腺癌中PI3K通路可由于AKT1、PIK3CA以及Ras突變，雙鏈復(fù)合蛋白8/過氧化物酶體增殖物激活受體（paired box 8/peroxisome proliferator-activated receptor，PAX8/PPAR）重排等被異常激活[21]。Alvarez-Nunez[22]及Hou[23]等先后發(fā)現(xiàn)在多種甲狀腺癌，特別是在甲狀腺濾泡狀癌（follicular thyroid carcinoma，F(xiàn)TC）和未分化甲狀腺癌（anaplastic thyroid carcinoma，ATC）中，抑癌基因磷酸酯酶與張力蛋白同源物（phosphatase and tensin homolog，PTEN）會(huì)發(fā)生異常甲基化而表達(dá)下降，并最終作用于PI3K/Akt信號通路。Wang等[24]在PTC組織和細(xì)胞系的研究中發(fā)現(xiàn)T-box轉(zhuǎn)錄因子家族的TBX1基因啟動(dòng)子甲基化水平顯著升高。甲狀腺癌細(xì)胞系中通過去甲基化重新活化的TBX1基因靶向PI3K/AKT以及MAPK/ERK通路調(diào)控基因A激酶錨定蛋白12（A-kinase anchoring protein 12 ，AKAP12），環(huán)指蛋白41（ring finger protein 41，RNF41），ABI家族成員3結(jié)合蛋白（ABI family member 3 binding protein，ABI3BP）等，從而降低PI3K/AKT以及MAPK/ERK通路活性，抑制甲狀腺癌細(xì)胞生長、誘導(dǎo)凋亡、抑制癌細(xì)胞的遷移侵襲和上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）。此外，Ravi等[25]對ATC和正常組織的RNA表達(dá)以及85萬個(gè)CpG位點(diǎn)甲基化水平進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)子低甲基化且表達(dá)升高的基因191個(gè)，基因體（gene body）DNA甲基化升高且表達(dá)升高的基因32個(gè)（基因體DNA高甲基化與基因表達(dá)升高相關(guān)[26]），基因體低甲基化且表達(dá)下降的基因226個(gè)，此外還發(fā)現(xiàn)9390個(gè)增強(qiáng)子區(qū)域低甲基化CpG島與鄰近基因高表達(dá)相關(guān)?；蛲分饕患诩?xì)胞粘附、激酶和細(xì)胞周期。其中最顯著的包括致癌基因雷帕霉素機(jī)能靶位點(diǎn)（mechanistic target of rapamycin，mTOR）以及神經(jīng)源性基因Notch同源蛋白1 靶點(diǎn)（neurogenic locus notch homolog protein 1，NOTCH1）。其中mTOR主要通過PI3K/AKT/mTOR通路促進(jìn)甲狀腺癌發(fā)生發(fā)展并具有作為治療靶點(diǎn)的潛力[6,27]。

除MAPK和PI3K通路外，p53和Wnt/β‐catenin通路在甲狀腺低分化癌和未分化癌中發(fā)揮重要作用。White等[28]對PTC的DNA甲基化研究，分析與疾病相關(guān)通路時(shí)發(fā)現(xiàn)wnt/β‐catenin和p53與PTC發(fā)生發(fā)展顯著相關(guān)。Hippo信號通路是包括甲狀腺癌在內(nèi)的多種癌癥的關(guān)鍵調(diào)控因子，在Peng[29]的研究中，lncRNA TNRC6C-AS1通過提高Hippo信號通路關(guān)鍵蛋白絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶4（serine/threonine‐protein kinase 4，SKT4）啟動(dòng)子甲基化水平導(dǎo)致其表達(dá)降低，進(jìn)而通過活化Hippo信號通路促進(jìn)甲狀腺癌的發(fā)展。

3 DNA甲基化與甲狀腺癌基因突變

基因突變是引起甲狀腺癌的重要原因之一，在PTC中，致癌基因BRAFV-600E突變會(huì)驅(qū)動(dòng)Ras/Raf/MEK/ERK（MAPK）信號通路，RAS基因突變、RET/PTC、TRK基因融合等也均會(huì)引起MAPK通路激活，促進(jìn)甲狀腺癌發(fā)生[30-32]。Hu等發(fā)現(xiàn)在BRAF突變型PTC中，基質(zhì)金屬蛋白酶組織抑制因子-3（tissue inhibitor of metalloproteinase 3，TIMP3）, 溶質(zhì)載體家族5成員8（solute carrier family 5 member 8，SLC5A8），死亡相關(guān)蛋白激酶（death-associated protein kinase，DAPK）以及視黃酸受體β2（retinoic acid receptor β2，RARβ2）甲基化水平升高[33]。Zhang等發(fā)現(xiàn)DAPK1和RASSF1A基因甲基化與BRAFV-600E突變顯著相關(guān)[34]。此外，基質(zhì)金屬蛋白酶2（matrix metallopeptidase 2，MMP-2）、Ras家族基因以及磷脂酰肌醇-3-激酶催化亞基α（phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase catalytic subunit α，PIK3CA）等同樣發(fā)現(xiàn)與BRAF突變相關(guān)[35]。髓樣細(xì)胞表達(dá)觸發(fā)受體（triggering receptor expressed on myeloid cells-1，TREM-1）基因是Xie等[36]通過生物信息學(xué)方法發(fā)現(xiàn)的基因，通過分析發(fā)現(xiàn)其與不良預(yù)后、T分級和N分級相關(guān)，并增加BRAF突變情況下甲狀腺癌的發(fā)病率，且具有作為診斷標(biāo)記物的潛力，而其具體的功能和實(shí)際應(yīng)用潛力，還需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以上研究表明基因突變與DNA甲基化具有密切關(guān)聯(lián)，目前有研究結(jié)合突變與DNA甲基化進(jìn)行精確診斷和治療，然而突變基因引起甲基化異常的機(jī)制，尚待闡明。

4 DNA甲基化與甲狀腺癌的篩查和診斷

甲狀腺癌精確診斷是目前臨床挑戰(zhàn)之一，包括甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性判斷以及甲狀腺癌分類等。所以迫切需要一種可靠、實(shí)用的標(biāo)記物對甲狀腺癌進(jìn)行診斷。DNA甲基化作為潛在標(biāo)記物，已在多種癌癥中進(jìn)行了研究，在甲狀腺癌中亦有報(bào)道[37]。Stephen等通過對329名患者進(jìn)行DNA甲基化分析來區(qū)分FTC/PTC以及良性甲狀腺結(jié)節(jié)，可利用TPO和UCHL1基因區(qū)分FTC和濾泡腺瘤（FA（follicular adenomas, FA），RASSF1和TPO區(qū) 分FTC和 正常，TSHR區(qū)分PTC和FTC，TIMP3, SERPINB5和TSHR等區(qū)分PTC和正常甲狀腺。Park等[38]同樣從DNA甲基化入手探索新的診斷生物標(biāo)記物，發(fā)現(xiàn)cg10705422, cg17707274和cg26849382三個(gè)位點(diǎn)用以區(qū)分分化型非惡性腫瘤和分化型甲狀腺癌。除了對標(biāo)記物的篩選，研究人員還開發(fā)出了基于DNA甲基化的診斷方法。Barros-Filho等[39]基于全基因組甲基化測序和TCGA數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，選取5個(gè)CpG位點(diǎn)建立甲狀腺癌診斷模型，對于良性和惡性腫瘤區(qū)分可以達(dá)到82.4%的特異性。Yim等[40]開發(fā)一種新的表觀遺傳學(xué)分析方法Diagnostic DNA Methylation Signature (DDMS），以DNA甲基化作為對甲狀腺結(jié)節(jié)診斷的標(biāo)準(zhǔn)，特異性可以達(dá)到97%，將診斷準(zhǔn)確性進(jìn)一步提升?？梢娎肈NA甲基化對甲狀腺癌進(jìn)行直接或輔助診斷，具有較高的特異性和敏感性，和較大的應(yīng)用潛力。

5 總結(jié)與展望

本文從基因組DNA甲基化、DNA甲基化對信號通路的影響、基因突變與DNA甲基化的關(guān)聯(lián)以及在診斷和治療中的應(yīng)用幾個(gè)方面進(jìn)行了闡述。甲狀腺癌中基因組DNA甲基化往往會(huì)發(fā)生變化，此外基因突變與DNA甲基化密切相關(guān)。甲狀腺癌中甲基化水平的變化會(huì)影響多種通路的活性，且存在多種表觀修飾共同作用，例如LINC00313可募集DNMT1和DNMT3B促進(jìn)ALX4基因啟動(dòng)子區(qū)域甲基化，激活A(yù)KT/mTOR信號通路促進(jìn)甲狀腺癌發(fā)展[41]。目前研究大多仍處于單基因甲基化影響，其明確的功能、完整的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和機(jī)制尚待深入研究，基因突變與甲基化之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制也有待詳述，與其他表觀遺傳學(xué)之間的共同作用也需深入研究。另外重要的是，DNA甲基化具有診斷標(biāo)記物的潛力，可作為精準(zhǔn)診斷的依據(jù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，DNA甲基化與其他多組學(xué)檢測結(jié)合可能將會(huì)成為未來診斷和治療的發(fā)展方向。