DNA甲基化与肿瘤

1、精品文档DNA甲基化与肿瘤DNA甲基化（DNA methylation）是指在DNA甲基化转移酶（DNMT）催化下，以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体，将活性甲基转移至DNA链中特定碱基上的化学修饰过程。哺乳动物基因组中，DNA甲基化多发生在CpG二核苷酸中的胞嘧啶的5位碳原子。DNA甲基化是一种表观（epigenetic）修饰，它在不改变DNA序列的情况下，对个体的生长、发育、基因表达模式以及基因组的稳定性起到重要的调控作用，并且这种修饰在发育和细胞增殖的过程中是可以稳定传递的。近年来的大量研究表明，DNA异常甲基化与肿瘤的发生、发展、细胞癌变有着密切的联系。肿瘤DNA甲基化的变化表现在基因组总体

2、甲基化水平的降低和某一些基因启动子区域CpG岛甲基化水平的升高：抑癌基因和DNA修复基因的甲基化使得抑癌基因沉默和修复基因失活，因而对于肿瘤的抑制作用丧失，同时基因损伤增加；而基因组总体甲基化水平的降低，使原癌基因和反转录转座子活化，染色体稳定性下降。1. 高甲基化1.1 抑癌基因高甲基化正常细胞中，由于抑癌基因处于较高的转录表达水平，因而维持了细胞的正常状态。但在肿瘤细胞中，抑癌基因启动子区域的CpG岛处于高甲基化状态，因而抑癌基因沉默，使得细胞脱离正常的细胞周期，进入肿瘤发生过程。抑癌基因CpG岛甲基化最在发现于Rb基因（retinoblastoma, 视网膜母细胞瘤），此后在肿瘤细胞中陆

3、续发现一些细胞周期调控相关蛋白（p16INK4a、p15INK4a、p14ARF、RASSF 1A 等）、细胞凋亡基因（DAPK、TMS1等）等的高甲基化现象。其中p16、p53、RASSF 1A等在多种肿瘤细胞中均表现为高甲基化状态，而其他某些基因仅在特定的肿瘤细胞中维持高甲基化。1.2 DNA修复基因高甲基化DNA错配修复系统（mismatch repair system, MMR）是在人类细胞中存在的一种修复DNA碱基错配的自身保障体系，由一系列特异修复DNA错配的酶组成，它不同于其它抑制基因对细胞的无序增长具有直接的作用，而是通过修复DNA复制过程中产生的错误，维持基因组的稳定性，避免

4、突变，间接抑制肿瘤的发生。目前已发现人类的MMR系统含有9个错配修复基因，其中以hMLH1和hMSH2功能最为重要。MMR基因保证了DNA复制的高度保真，一旦MMR基因发生突变或启动子甲基化引起错配修复基因失活，导致机体错配修复功能的降低，进而导致整个基因组的不稳定，从而使某些癌基因和抑癌基因的突变在体内得到快速聚集，肿瘤由此发生，表现为肿瘤细胞的DNA多为二倍体或近二倍体的含量。MMR基因启动子高甲基化在结直肠癌、胃癌、脑胶质瘤等肿瘤细胞中均有报道。表1 常见的被甲基化抑癌基因与修复基因及其部分相关肿瘤启动子CpG岛甲基化抑制基因的转录通过以下途径：1) DNA甲基化阻止转录因子与其识别位点

5、的结合；2) DNA甲基化使其更易与转录抑制蛋白结合，使该基因转录失活；3)甲基化的CpG岛使其招募组蛋白脱乙酰酶(HDAC)家族成员而改变染色体状态，从而影响基因转录。2. 低甲基化2.1 原癌基因激活正常细胞中，由于甲基化作用原癌基因多处于沉默状态，但在多种肿瘤细胞中，均发现原癌基因处于低甲基化状态，并且低甲基化状态与其蛋白表达升高密切相关，表明低甲基化状态可使原癌基因激活。2.2 转座子活化转座子是可移动的基因序列，包括LINE-1、HERV-K等，在人类基因组中含量丰富，正常情况下处于被甲基化状态而转录沉默。而在肿瘤细胞中，由于基因组总体甲基化水平的降低，这些序列也因去甲基化而活化，转

6、移位置导致基因片段的插入和缺失。2.3 诱导染色体不稳定性肿瘤细胞中基因组总体甲基化水平的降低，导致高频率的染色体重组或杂合性丢失（loss of heterozygosis, LOH），使得基因组不稳定性增加，Science与2003年刊登的3篇论著认为这可能是导致肿瘤发生的原因之一。3. DNA甲基化导致基因突变基因突变普遍存在于生物体细胞中，但在正常情况下，基因突变发生的频率非常低，而在肿瘤细胞中，基因突变发生的频率大大提高。肿瘤细胞中由于DNA甲基化的位点多在CpG岛5胞嘧啶，甲基化的5-mCpG二核苷酸中的5-mC能以较高的速率脱氨基转换成T，所以该位点是基因突变的常见位点。4. m

7、iRNA的超甲基化肿瘤细胞另一个重要的特点是miRNA表达水平的整体下降，通常也是由于miRNA启动子区域高甲基化造成的。这种miRNA表达失活不仅与肿瘤的发生发展有关，而且与肿瘤的转移密切相关。如肿瘤细胞中miR-148a、miR-34b/c、miR-9这三种miRNA都发生了明显得超甲基化，同时外源表达这三种miRNA均可抑制肿瘤细胞的生长和转移。肿瘤发生是一个涉及多基因、多步骤的复杂过程，越来越多的研究表明DNA甲基化在肿瘤的发生、发展、转移中起到了重要的作用，特征性甲基化位点对于肿瘤的诊断、分型、预后及治疗具有重要意义。甲基化与肿瘤侵袭和转移DNA甲基化（DNA methylation

8、）是指在DNA甲基化转移酶（DNMT）催化下，以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体，将活性甲基转移至DNA链中特定碱基上的化学修饰过程。哺乳动物基因组中，DNA甲基化多发生在CpG二核苷酸中的胞嘧啶的5位碳原子。DNA甲基化是一种表观（epigenetic）修饰，它在不改变DNA序列的情况下，对个体的生长、发育、基因表达模式以及基因组的稳定性起到重要的调控作用，并且这种修饰在发育和细胞增殖的过程中是可以稳定传递的。近年来的大量研究表明，DNA异常甲基化与肿瘤的发生、发展、细胞癌变有着密切的联系。恶性肿瘤细胞从肿瘤原发部位，经过淋巴道、血管或体腔等途径，到达身体其他部位继续生长，称为肿瘤转移。肿瘤转移是

9、肿瘤治疗中的最大障碍，也是目前肿瘤患者死亡的主要原因。近年来，临床上为了成功进行肿瘤治疗，对肿瘤的侵袭和转移进行了大量的研究，发现其中有很多方面和DNA甲基化相关。上皮-间质转化（epithelial mesenchymal transition, EMT）指上皮细胞向间质细胞转化的现象，研究表明EMT在肿瘤形成和转移过程中也发挥了非常重要的作用。EMT时上皮组织基本结构消失，如失去细胞间粘附和细胞极性、细胞内骨架重排等，获得间质细胞特性（如细胞迁移能力、侵袭能力、抗凋亡能力等）。EMT最初是在细胞体外培养过程中发现的，随着人们对人体肿瘤和实验动物模型的观察越来越深入，发现EMT过程与肿瘤发生

10、过程密切相关。尤其是EMT过程对于肿瘤浸润（invasion）、转移（metastatic dissemination）以及药物耐受等都有关系，而与EMT过程相对的间质-上皮转化（mesenchymal epithelial transition, MET）过程则似乎是在肿瘤细胞播散之后形成转移灶过程中起到重要作用。DNA甲基化在肿瘤转移过程中发挥着重要作用，如有研究发现了数个可以诱导EMT的转录因子，在正常细胞中它们表现为高甲基化水平因而其表达受到抑制，但在肿瘤细胞中它们的甲基化水平偏低而出现高表达。利用DNA甲基转移酶（methyltransferase）抑制剂5-氮杂胞苷（5-aza-c

11、ytidine）处理MCF-7乳腺癌细胞，使其维持低甲基化状态，结果显示与EMT过程相关的促细胞侵袭基因（pro-invasive EMT-associated gene）表达上调，细胞的侵袭能力和转移能力增强。此类研究结果值得我们深思，采用DNA甲基转移酶抑制剂来治疗肿瘤固然可能抑制原癌基因的表达，但也可能造成肿瘤细胞转移播散增加的风险。上皮型钙黏附素（E-cadherin）是介导细胞间粘附的一种跨膜糖蛋白，其编码基因CDH-1属于肿瘤侵袭转移抑制基因。在肿瘤组织中，E-cadherin表达的下调或沉默可导致细胞间相互黏附力减弱，造成肿瘤细胞的分散，脱离原发灶处而转移。而E-cadherin

12、下调的因素之一就是其启动子区域CpG岛的超甲基化。肿瘤细胞突破血管内皮及基底膜进入血循环是肿瘤细胞侵袭和转移的重要步骤。基底膜组成蛋白Nidogen的缺失将严重影响基底膜的完整性，有利于肿瘤细胞顺利通过进入血循环进而发生侵袭转移。有研究表明，Nidogen基因启动子在肿瘤细胞中表现出很高的甲基化水平，而在正常细胞中却极少或没有发生甲基化。另外，某些miRNA（如MiR-148a、miR-34b/c、miR-9）能够起到抑制肿瘤细胞生长和转移的作用，而在肿瘤细胞中，这些miRNA通常由于发生超甲基化而沉默。甲基化与肿瘤治疗DNA甲基化（DNA methylation）是指在DNA甲基化转移酶（D

13、NMT）催化下，以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体，将活性甲基转移至DNA链中特定碱基上的化学修饰过程。哺乳动物基因组中，DNA甲基化多发生在CpG二核苷酸中的胞嘧啶的5位碳原子。DNA甲基化是一种表观（epigenetic）修饰，它在不改变DNA序列的情况下，对个体的生长、发育、基因表达模式以及基因组的稳定性起到重要的调控作用，这种修饰是可逆的，并且这种修饰在发育和细胞增殖的过程中是可以稳定传递的。近年来的大量研究表明，DNA异常甲基化与肿瘤的发生、发展、细胞癌变有着密切的联系。DNA甲基化在肿瘤中的作用主要表现在以下几个方面：一是甲基化的CpG岛二核苷酸中的胞嘧啶以较高的频率脱氨基变成胸腺嘧啶，

14、造成碱基突变；二是抑癌基因和DNA修复基因由于超甲基化而沉默；三是癌基因甲基化水平降低而活化；四是基因组总体甲基化水平降低使转座子、重复序列活化导致染色体稳定性下降。这些因素是导致肿瘤发展、转移、恶化最终导致患者死亡的重要原因。其中后三个方面源于甲基化水平的改变，而甲基化的过程是可逆的，因此可以甲基化位点为靶点，靶向用药进行肿瘤的预防、治疗。肿瘤预防和治疗的一个手段是通过去甲基化恢复某些关键的抑癌基因或DNA修复基因的活性，目前研究最多的是DNMTs抑制剂，它通过抑制DNMT活性以逆转异常的DNA甲基化。第一个表型修饰药物为5-azacytidine及其类似物5-aza-2-deoxycyti

15、dine（5-aza-CdR），这类药物已经美国FDA批准用于白血病前骨髓增生异常综合征的治疗。5-aza-CdR是胞嘧啶的类似物，在DNA复制过程中可以掺入到DNA链中，一方面它可以降低DNA接收甲基的能力，另一方面它抑制DNMT活性，导致DNA甲基化水平的降低。体外和体内试验均表明，5-aza-CdR具有降低超甲基化的抑癌基因甲基化水平从而抑制肿瘤的能力，临床表明应用5-aza-CdR可提高部分IV期小细胞肺癌患者生存率，但该药也存在着不可忽视的毒副作用（如特异性不强，不能针对某一特定抑癌基因进行靶向治疗；高剂量的5-aza-CdR可能诱发肿瘤的转移），因此其在临床上的应用受到了很大限制。

16、也有研究表明，低剂量的As2O3可起到治疗肝癌的目的。相比于上述手段更为有效的策略是针对肿瘤相关癌基因启动子低甲基化而进行的靶向甲基化治疗，包括DNA和RNA介导的甲基化治疗。1）DNA介导的DNA甲基化：DNMT1最适底物为带复制叉样结构的半甲基化DNA，据此Yao等设计了一段22nt的甲基化脱氧寡核苷酸MON1，MON1可以诱导IGF2启动子区域特定的胞嘧啶发生甲基化，体外实验证明其可抑制裸鼠肝脏肿瘤细胞生长，延长荷裸鼠存活期。2）RNA介导的DNA甲基化：双链RNA可以介导启动子区域DNA甲基化，从而抑制基因的转录表达。针对癌基因启动子区域人工设计一段双链RNA分子，便可招募DNMT转移

17、甲基使癌基因沉默，抑制肿瘤细胞增殖，这一机制在乳腺癌病例中已得到验证。另外，还可以通过人工介导上调DNMT或抑制DNA去甲基化酶实现肿瘤的甲基化治疗。目前，针对肿瘤的甲基化治疗出现不久，但已展现出良好的应用前景，针对这一领域的深入研究有望为临床预防和治疗提供高效低毒的抗肿瘤药物。DNA甲基化作为肿瘤生物标志物目前对于早期肿瘤患者，通过靶向治疗等手段，可以显著延长其寿命，但对于晚期恶性肿瘤患者，并无行之有效的治疗手段。因此，肿瘤的早期诊断、分型成为肿瘤预付、治疗的关键。DNA甲基化目前已成为多种肿瘤诊断和预后的生物标志物。DNA甲基化（DNA methylation）是指在DNA甲基化转移酶（D

18、NMT）催化下，以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体，将活性甲基转移至DNA链中特定碱基上的化学修饰过程。哺乳动物基因组中，DNA甲基化多发生在CpG二核苷酸中的胞嘧啶的5位碳原子。DNA甲基化是一种表观（epigenetic）修饰，它在不改变DNA序列的情况下，对个体的生长、发育、基因表达模式以及基因组的稳定性起到重要的调控作用。DNA甲基化在肿瘤中的作用主要表现在以下几个方面：一是甲基化的CpG岛二核苷酸中的胞嘧啶以较高的频率脱氨基变成胸腺嘧啶，造成基因突变；二是抑癌基因和DNA修复基因由于超甲基化而沉默；三是癌基因甲基化水平降低而活化；四是基因组总体甲基化水平降低使转座子、重复序列活化导致染色体稳定性下降。这些因素是导致肿瘤发展、转移、恶化最终导致患者死亡的重要原因。DNA总体甲基化水平（即甲基化谱）和特定基因甲基化程度改变可作为肿瘤诊断指标。RNA和蛋白质是目前研究最多的