表觀遺傳學(xué)與腫瘤

1、表觀遺傳學(xué)與腫瘤7009021 楊豪前言： 本文通過(guò)表觀遺傳學(xué)的基本知識(shí)的介紹，結(jié)合表觀遺傳學(xué)在人類疾病中的作用，重點(diǎn)介紹表觀遺傳學(xué)在人類腫瘤疾中的相干知識(shí)。正文：表觀遺傳學(xué)是基因的DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因的表達(dá)水平與功能發(fā)生改變，并產(chǎn)生可遺傳的表型。不依賴與DNA序列的遺傳現(xiàn)象。經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為遺傳的分子基礎(chǔ)是核酸, 生命的遺傳信息儲(chǔ)存在核酸的堿基序列上, 堿基序列的改變會(huì)引起生物體表現(xiàn)型的改變, 而這種改變可以從上一代傳遞到下一代。然而, 隨著遺傳學(xué)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn), DNA、組蛋白、染色質(zhì)水平的修飾也會(huì)造成基因表達(dá)模式的變化, 并且這種改變是可以遺傳的。這種基因結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化, 只

2、是其表達(dá)發(fā)生改變的遺傳變化叫表觀遺傳改變。表觀遺傳學(xué)是一門研究生命有機(jī)體發(fā)育與分化過(guò)程中, 導(dǎo)致基因發(fā)生表觀遺傳改變的新興學(xué)科。它的主要論點(diǎn)是, 生命有機(jī)體的大部分性狀是由DNA 序列中編碼蛋白質(zhì)的基因傳遞的, 但是DNA 序列以外的化學(xué)標(biāo)記編碼的表觀遺傳密碼, 對(duì)于生命有機(jī)體的健康及其表型特征, 同樣也有深刻的影響。鑒于表觀遺傳信息能夠明顯地影響生命有機(jī)體的健康及表型特征, 其中有一部分甚至可以從親代傳給子代, 而且它們基本的DNA 序列也沒(méi)有改變, 所以人們也稱表觀遺傳信息為表觀遺傳標(biāo)記。 表觀遺傳學(xué)主要包括DNA 甲基化作用、組蛋白修飾作用、染色質(zhì)重塑、遺傳印記、隨機(jī)染色體( X) 失活

3、及RNA世界等。與表觀遺傳學(xué)相關(guān)的疾病主要有腫瘤、心血管病、精神病和自身免疫系統(tǒng)性病等表觀遺傳修飾：表觀遺傳修飾可以劃分為五種類型:DNA的生化修飾, 如高等真核細(xì)胞基因組CpG島中胞嘧啶的甲基化修飾作用；中心組氨酸蛋白的修飾, 即組氨酸尾部特異殘基上的生化修飾。不同類型的組氨酸的改變, 染色體中組氨酸及其不同亞基組分的改變與一個(gè)給定基因座位的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)有密切的關(guān)系。DNA環(huán)化及形成自身構(gòu)像，DNA環(huán)化被認(rèn)為與給定基因座位表達(dá)的調(diào)控因子的作用密切相關(guān)。高度有序的染色質(zhì)結(jié)構(gòu), 基因的表達(dá)要求轉(zhuǎn)錄因子與調(diào)控順序結(jié)合, 它不僅與核小體的狀態(tài)有關(guān), 也涉及基因所在的染色質(zhì)區(qū)段的高級(jí)結(jié)構(gòu)。當(dāng)染色質(zhì)處在致密

4、收縮狀態(tài)時(shí), 轉(zhuǎn)錄因子無(wú)法與染色質(zhì)包裹的DNA接觸,，基因被關(guān)閉。1 DNA 甲基化異常與腫瘤發(fā)生DNA 甲基化修飾在腫瘤形成和發(fā)展中扮演重要角色，這里所指的DNA 異常甲基化可分為高甲基化和低甲基化，前者指正常組織細(xì)胞中DNA 不發(fā)生甲基化的位點(diǎn)被甲基化，后者是指在正常組織細(xì)胞中應(yīng)發(fā)生甲基化的位點(diǎn)去甲基化。1.1 DNA 低甲基化導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生1.1 1 增加基因組的不穩(wěn)定性對(duì)人類腫瘤的研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞整個(gè)基因組中普遍存在 低甲基化。廣泛的低甲基化可引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，使染色質(zhì)凝聚程度降低，增加基因組的不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。正常細(xì)胞染色體著絲粒上的衛(wèi)星DNA 序列都是呈高甲基化狀

5、態(tài)的， 但在許多腫瘤模型中都觀察到高頻率(4090)出現(xiàn)的低甲基化的衛(wèi)星DNA序列。由于衛(wèi)星DNA 序列約占基因組的10左右，可以認(rèn)為該序列的低甲基化是導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞中基因組整體水平低甲基化的主要原因之一。這種廣泛的低甲基化是基因組和染色體不穩(wěn)定的基礎(chǔ)。1.1 2 導(dǎo)致轉(zhuǎn)座子的異常表達(dá)有研究證明， 動(dòng)物腫瘤細(xì)胞中， 中等程度和高頻繁的DNA 重復(fù)序列中5-甲基胞嘧啶的含量大幅度減少(約減少3040)7。這些DNA 重復(fù)序列主要為轉(zhuǎn)座子。在正常情況下，轉(zhuǎn)座子呈甲基化狀態(tài)而轉(zhuǎn)錄關(guān)閉，但在腫瘤細(xì)胞中，轉(zhuǎn)座子 因低 甲基化而被激活， 可轉(zhuǎn)移至其他位點(diǎn)引起突變。長(zhǎng)散在元件1(LINE-1) 作為轉(zhuǎn)座子之被

6、證實(shí)在許多腫瘤細(xì)胞中，其甲基化程度較正常組織有所降低。LINE - 1 低甲基化可促進(jìn)其發(fā)生轉(zhuǎn)錄， 同時(shí)也為它提供了轉(zhuǎn)座和再結(jié)合的機(jī)會(huì)。事實(shí)上，在變性細(xì)胞中外源性的LINE-1 表達(dá)都是伴隨著LINE-1 轉(zhuǎn)座而發(fā)生的。1.1 3 造成基因印記的丟失哺乳動(dòng)物某些組織和細(xì)胞中，控制某一表型的一對(duì)等位基因由于 親 源不同而差異性表達(dá)，即機(jī)體只表達(dá)來(lái)自親本一方的等位基因，而另一方不表達(dá)或很少表達(dá)，這就稱為基因組印記。其中父(母)系等位基因不表達(dá)者，就稱為父(母)系印記。人類基因組中有約上百個(gè)基因的兩個(gè)等位基因中只有一個(gè)是表達(dá)的，何者表達(dá)取決于其遺傳自父方或者母方。胰島素樣生長(zhǎng)因子2(IGF2)就是其

7、中之一，該基因只在來(lái)源于父系的等位基因上獲得表達(dá)(母系印記)。IGF2 在母系等位基因呈甲基化狀態(tài)不表達(dá)。在父系等位基因 呈去甲基化狀態(tài)而表達(dá)。當(dāng)IGF2 被印記的母系等位基因發(fā)生去甲基化后，則會(huì)使之活化，稱為印記丟失。這會(huì)造成原本不表達(dá)的等位基因也出現(xiàn)了表達(dá)，從而可導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。研究顯示許多腫瘤中都存在IGF2 基因印記丟失，95 的病例與母方IGF2 基因的印記丟失有關(guān)。1.2 DNA 高甲基化導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生基因啟動(dòng)子區(qū)的Cp G島在正常狀態(tài)下一般是非甲基化的， 當(dāng)其發(fā)生甲基化時(shí)，常導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄沉寂， 使一些重要基因如抑癌基因、DNA 修復(fù)基因等喪失功能，從而導(dǎo)致正常細(xì)胞的生長(zhǎng)分化調(diào)控失

8、常以及DNA 損傷不能被及時(shí)修復(fù)， 這與多種腫瘤形成密切相關(guān)。發(fā)生在抑癌基因啟動(dòng)子及附近區(qū)域的DNA 甲基化可直接阻礙轉(zhuǎn)錄因子AP-2、c-M y c M y n、CREB、E2F 和NF-B 與啟動(dòng)子結(jié)合，從而使抑癌基因不能轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄水平降低。同時(shí)基因5 端調(diào)控序列甲基化后能與特定甲基化Cp G 序列結(jié)合蛋白(methylCp G binding proteins，MB Ps)結(jié)合，間接地阻止轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體。因此，抑癌基因啟動(dòng)子區(qū)DNA 高甲基化可導(dǎo)致該基因的失活， 從而誘發(fā)腫瘤的發(fā)生。2 組蛋白修飾與腫瘤發(fā)生組蛋白的N 末端可通過(guò)乙酰化、甲基化、磷酸化、泛 素化等進(jìn)行翻譯后

9、修飾， 其中以乙?；图谆揎椨葹橹匾?。組蛋白乙?；癄顟B(tài)受組蛋白乙?；?H A T s) 和組蛋白去乙酰化酶(H D A C s)雙重調(diào)節(jié)。修飾部位可發(fā)生在N 端保守。的賴氨酸殘基上， 如組蛋白H3 Lys9、14、18、23 及H4 Lys5、8、12、16。組蛋白乙酰化為一 可逆過(guò)程，乙酰化和去乙?；膭?dòng)態(tài)平衡影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)。HAT 將乙酰輔酶A 上的疏水乙酰基轉(zhuǎn)移到組蛋白的N 端賴氨酸殘基，中和掉一個(gè)正電荷，使DNA 與組蛋白之間相互作用減弱，染色質(zhì)呈轉(zhuǎn)錄活性結(jié)構(gòu)，DNA 易于解聚、舒展， 有利于轉(zhuǎn)錄因子與DNA 模板相結(jié)合從而激活轉(zhuǎn)錄； 而HDAC 通過(guò)組蛋白N 端的去

10、乙酰化，使組蛋白帶正電荷，從而與帶負(fù)電荷的DNA 緊密結(jié)合，染色質(zhì)呈致密卷曲的阻抑結(jié)構(gòu)，抑制轉(zhuǎn)錄。通常認(rèn)為組蛋白氨基末端賴氨酸殘基的高乙?；c染色質(zhì)松散及基因轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)，而低乙酰化與基因沉默或抑制有關(guān)。研究表明，HDAC 異常結(jié)合到特定的啟動(dòng)子區(qū)從而抑制正常功能基因的轉(zhuǎn)錄可能是惡性腫瘤發(fā)生的制之一。在急性早幼粒細(xì)胞白血病中由于染色體易位形成維甲酸受體a(RA Re)融合蛋白(PML-R AR a 或PLZF-RA R a)，與含有HDAC 的輔抑制復(fù)合物相互作用，造成維甲酸受體a 靶基因的轉(zhuǎn)錄抑制，致使粒細(xì)胞成熟障礙導(dǎo)致白血病的發(fā)生15。BRCA1 蛋白通過(guò)募集H D A Cs 于配體非依賴

11、性的雌激素受體(E Ra) 基因的啟動(dòng)子區(qū)，導(dǎo)致雌激素受體基因的轉(zhuǎn)錄抑制，從而導(dǎo)致乳腺癌及卵巢 癌的發(fā)生。因此，由HAT 和HDAC 異常引起的組蛋白乙?；氖Ш饪捎绊懻９δ艿幕虮磉_(dá)，導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。甲基化也是組蛋白修飾的重要方式，組蛋白甲基化位點(diǎn)多位H3、H4 的賴氨酸和精氨酸殘基上。組蛋白甲基化修飾可調(diào)節(jié)相應(yīng)位點(diǎn)的基因表達(dá)及維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，一個(gè)組蛋白上的賴氨酸殘基最多可被3 個(gè) 甲基修飾，通過(guò)不同位置的甲基化標(biāo)記可以判斷基因是被激活還是被抑制， 如H3-K9？H4-K20 甲基化與基因沉默有關(guān)， 而H3-K4、K36、K79 甲基化卻可以使基因活化。組蛋白甲基化和DNA 甲基化可聯(lián)合作

12、用共同參與抑癌基因沉默而誘發(fā)腫瘤。3 染色質(zhì)重塑與腫瘤的發(fā)生染色質(zhì)重塑(remodeling)是指染色質(zhì)位置、結(jié)構(gòu)的變化，主要包括緊縮的染色質(zhì)絲在核小體連接處發(fā)生松動(dòng)造成染色質(zhì)的解壓縮，從而暴露了基因轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用因子與之的結(jié)合提供了可能18。染色體重塑的過(guò)程由兩類結(jié)構(gòu)所介導(dǎo)：ATP 依賴型的核小體重塑復(fù)合體和組蛋白共價(jià)修飾復(fù)合體。前者通過(guò)水解的作用改變核小體構(gòu)型； 后者則對(duì)核心組蛋白N 末端尾部的共價(jià)修飾進(jìn)行催化。這種修飾直接影響核小體的結(jié)構(gòu)，并為其他蛋白提供了和DNA 作用的結(jié)合位點(diǎn)L2519。動(dòng)態(tài)的染色質(zhì)重塑是大多數(shù)以DNA 為模板的生物學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)，比如基因的

13、轉(zhuǎn)錄、DNA的復(fù)制與修復(fù)、染色體的濃縮以及分離和細(xì)胞凋亡，而這些生物學(xué)過(guò)程的混亂都與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展直接相關(guān)。因此，染色質(zhì)重塑不僅僅能夠調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄，同時(shí)還參與了與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)的那些最基礎(chǔ)的細(xì)胞生理過(guò)程。但是，不同的染色質(zhì)重塑能夠?qū)е虏煌哪[瘤，這又提示我們這些生理過(guò)程并不是獨(dú)立地起作用。盡管有大量的數(shù)據(jù)顯示不同的染色質(zhì)重塑途徑之間存在著相互作用，但是這些。途徑之間的確切關(guān)系，尤其是它們?cè)谀[瘤發(fā)生過(guò)程中的確切關(guān)系，仍然有待于人們?nèi)ミM(jìn)一步地探索。4 非編碼RNA 與腫瘤真核生物體內(nèi)一類重要的非編碼RNA 就是mi RNA。Mi RNA 是一類長(zhǎng)約22 nt 的單鏈RNA 分子，廣泛存在于從

14、植物、線蟲、人類的細(xì)胞中。miRNA 的生成起始于Pri- mi RNA(由編碼mi RNA 的基因轉(zhuǎn)錄生成，長(zhǎng)度為幾百到幾千個(gè)核苷酸)的產(chǎn)生；隨后pri- mi RNA 在核內(nèi)被RNa se 核酸酶加工成長(zhǎng)約70 nt 的發(fā)夾pre-mi RNA；最后pre-mi RNA 在RanGTP 依賴的核質(zhì) 細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白exportin 5 的作用下，從核內(nèi)運(yùn)輸?shù)桨|(zhì)中；胞質(zhì)中在Dicer 酶的作用下，pre-miRNA 被切割成雙鏈的miRNA(miRNA 配對(duì)分子)，然后成熟的miRNA分子被解鏈， 單鏈的miRNA 進(jìn)入一個(gè)核糖蛋白復(fù)合體miRNP(也稱為RISC)，通過(guò)與靶基因的3 UTR

15、 區(qū)互補(bǔ)配對(duì)，指導(dǎo)miRNP 復(fù)合體對(duì)靶基因mRNA 進(jìn)行切割或翻譯抑制。miRNA 與腫瘤形成、癌癥發(fā)生密切相關(guān)。有研究顯示，淋巴瘤中miRNA 的一類miR17-92 可能是潛在的致癌基因，并且轉(zhuǎn)錄因子cMyc 能夠調(diào)節(jié)miRNA21；通過(guò)對(duì)來(lái)自肺部、胸部、胃部、前列腺、結(jié)腸和胰腺等處的540 份癌細(xì)胞樣品進(jìn)行分析，人們發(fā)現(xiàn)了由過(guò)量表達(dá)的部分mi R NAs 組成的實(shí)體癌癥miRNA 信號(hào)， 其中包括miR-17-5p、miR-20a、miR-21、miR-92、miR-106a 和miR-155。除此之外，還通過(guò)對(duì)遺傳性非息肉性結(jié)、直腸癌發(fā)生過(guò)程中的miRNA 變化情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了

16、一些可能在遺傳性非息肉性結(jié)、直腸癌發(fā)生、發(fā)展中起重要作用的miRNA， 同樣說(shuō)明了miRNA 在癌癥的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著重要的作用。腫瘤表觀遺傳學(xué)機(jī)制貫穿腫瘤發(fā)生、發(fā)展的整個(gè)過(guò)程，并具有一定的廣泛性和組織特異性，因此對(duì)腫瘤的表觀遺傳學(xué)進(jìn)行深入的研究對(duì)腫瘤的臨床診斷、治療和預(yù)防都具有重要的指導(dǎo)意義?？傊?，盡管腫瘤表觀遺傳學(xué)得研究進(jìn)展十分迅速，仍有許多分子機(jī)制和人類腫瘤發(fā)生演進(jìn)的關(guān)系有待更深入的了解，表觀遺傳學(xué)的研究為進(jìn)一步了解，表觀遺傳學(xué)的研究為進(jìn)一步了解腫瘤各種特性，優(yōu)化腫瘤的早期診斷，豐富腫瘤的治療方式，改善腫瘤的預(yù)后提供新的策略，具有重要的臨床治療意義。參考文獻(xiàn)： 生物技術(shù)通報(bào)2011年第1期表觀遺傳學(xué)研究進(jìn)展表觀遺傳學(xué)遺