甲基化与肿瘤

1、甲基化与肿瘤 甲基化与肿瘤 甲基化与肿瘤 甲基化与肿瘤 内容提纲内容提纲 DNADNA甲基化及其与肿瘤的关系甲基化及其与肿瘤的关系 组蛋白甲基化及其与肿瘤的关系组蛋白甲基化及其与肿瘤的关系 甲基化与肿瘤 DNADNA甲基化甲基化 概念：DNA甲基化（DNA methylation)是指在DNA甲 基转移酶（DNMTs）的作用下，将一个甲基添加在 DNA分子中的碱基上，最常见的是加在胞嘧啶上，由 此形成5-甲基胞嘧啶（5mC）。 甲基化与肿瘤 甲基化与肿瘤 1、DNA甲基化位点：CpG岛或富含CpG岛的区域 2、CpG岛特征： A、 CpG岛主要位于基因的启动子区，部分位于基 因的第一个外显子区

2、； B、 CpG岛甲基化可以直接导致相关基因的表观遗 传学沉默。 DNA甲基化 甲基化与肿瘤 3、 DNA甲基化的生物学意义 DNA甲基化直接制约基因的活化状态。在进化和 生命体活动中，DNA甲基化的生物学意义在于基 因表达的时空调控，以及保护基因组的稳定性。 例如，基因在不同时期特异表达，有些基因在发 育早期甲基化，发育晚期被诱导去甲基化；管家 基因低甲基化；印记基因高甲基化等。 甲基化与肿瘤 4、DNA甲基化抑制基因转录的机制： (1) 干扰转录因子对DNA元件的识别和结合 甲基化与肿瘤 (2)序列特异性的甲基化序列特异性的甲基化DNADNA结合蛋白与启动结合蛋白与启动 子区甲基化子区甲基

3、化CpGCpG岛结合，募集组蛋白去乙酰岛结合，募集组蛋白去乙酰 化酶化酶(HDAC)(HDAC)，形成转录抑制复合物，阻止转，形成转录抑制复合物，阻止转 录因子与启动子区靶序列的结合，从而影响录因子与启动子区靶序列的结合，从而影响 基因的转录。基因的转录。 甲基化与肿瘤 Gene expression is affected by nearby DNA sequences called promoters, which often include CpG islands. When MeCP2 binds to the CpG island in a promoter (bottom), as

4、sociated proteins act to prevent expression of the gene. 甲基化与肿瘤 （3）DNA甲基化通过改变染色质结构，抑制基因 表达。染色质构型的变化伴随着组蛋白的乙酰 化和去乙酰化，以调控基因转录的“开”和“ 关”。 甲基化与肿瘤 DNA甲基化与肿瘤 相关基因的低甲基化 抑癌基因的过甲基化 甲基化与肿瘤 肿瘤中重复序列DNA的低甲基化 肿瘤中单拷贝基因的低甲基化 人类基因组中与癌症相关的人类基因组中与癌症相关的低甲基化低甲基化： 甲基化与肿瘤 肿瘤中重复序列DNA的低甲基化 长散在核苷元件（LINE）和Alu等重复序列及某些 内源性逆转录病毒元

5、件在多种肿瘤中存在低甲基化现 象。LINE-1是人类基因组中最活跃、最丰富的可移动 DNA或转座子序列。这些可移动DNA的低甲基化可以 引起癌基因转录激活且发生于许多肿瘤中。此外，可 移动DNA的低甲基化也能破坏邻近基因的正常表达。 例如， LINE-1的突变性插入破坏了大肠癌和乳腺癌中 抑癌基因APC和C-MYC的表达，导致肿瘤的发生。 甲基化与肿瘤 肿瘤中单拷贝基因的低甲基化 人类肿瘤中发现了一些与肿瘤或增殖有关的基因的 甲基化。原癌基因HOX11在一些T细胞型淋巴母细胞白 血病中和肿瘤抗原基因MN/CA49在一些肾癌细胞癌中， 都已发现有低甲基化现象。在结肠癌、直肠癌中癌基 因C-MYC

6、 Hapa2位点也观察到低甲基化。另外，一些 肿瘤标志基因如编码肿瘤特异性的MAGE、LAGE和 GAGE的成员及一些印记基因如IGF2、H19等在某些肿 瘤中也程现低甲基化状态。 甲基化与肿瘤 总之，两个主要的机制均暗示DNA低甲基 化可能导致癌症。 第一，它可能改变单基因表达，例如癌基因的 过量表达，对癌症直接发挥作用，或者，它可 以打断肿瘤抑制基因，破坏体内的抗肿瘤机制。 第二，DNA低甲基化可能导致染色体不稳定， 增加肿瘤易感性。 甲基化与肿瘤 人类癌症中具有高甲基化CpG岛的基因 基因基因功能功能定位定位肿瘤类型肿瘤类型 结论结论 p16INK4a周期依赖激酶抑制剂9p21多种肿瘤细

7、胞周期入 口 P14ARFMDM2抑制剂9p21结肠癌、胃癌、 肾癌 p53下游基因 P15LNK4b周期依赖激酶抑制剂9p21白血病细胞周期入 口 hMLH1DNA错配修复3p21.3结肠癌、子宫内 膜癌、胃癌 移码突变 BRCA1DNA修复、转录17q21乳腺癌、卵巢癌双链打断 抑癌基因抑癌基因过甲基化过甲基化与肿瘤有关与肿瘤有关 甲基化与肿瘤 1.细胞周期 2.P53网络 3.激素应答 4.细胞因子信号 抑癌基因抑癌基因过甲基化过甲基化与肿瘤发生的机制与肿瘤发生的机制 甲基化与肿瘤 细胞周期 在许多人类的主要肿瘤和细胞系中，细胞循 环抑制物p16INK4a均被过甲基化，使癌细胞易脱 离衰

8、老并增殖。同样，RB基因和细胞循环抑制 物p15INK4b也经常遭遇到异常高甲基化。 甲基化与肿瘤 p53网络 人类癌症中，p53是突变频率最高的肿瘤抑 制基因；但是，一般的人类原发肿瘤是p53的野生 型。另一个使p53失活的方式是通过甲基化调节使 肿瘤抑制基因p14ARF沉默，这条途径可使MDM2癌基 因蛋白脱离P14ARF抑制，自由引发p53退化。在白血 病中，p53的同源基因p73也被过甲基化。 甲基化与肿瘤 激素应答 雌激素、孕酮、雄激素和泌乳刺激素受体异 常甲基化发生在乳腺和子宫肿瘤中，可能导致这 些癌细胞不对此类激素发生应答。表现出视黄酸 受体2和细胞视黄醇结合蛋白的启动子过甲基

9、化的肿瘤可能废止类维生素A的分化作用。 甲基化与肿瘤 细胞因子信号 几条细胞因子通路负调控中的发现均暗示 细胞因子信号抑制剂（SOCS）家族蛋白的存在， 特别是转录活性转录体Jak/STAT通路的受体相 关酪氨酸/信号变化器和激活剂。在人类癌症中， SOCS-1和SOCS-3经历了甲基化相关的沉默。 甲基化与肿瘤 总之，与低甲基化相比，高甲基 化是一个较简单的现象，经常出现在特殊 基因的调控/启动区域，随癌症种类的不同 而不同。很清楚，和低甲基化一样，很多 与人类癌症相关的基因中存在高甲基化现 象，而这种基因的数目还在成倍增加。 甲基化与肿瘤 组蛋白甲基化 1.概念：指发生在H3和H4组蛋白N

10、端精氨酸 和赖氨酸残基上的甲基化，由组蛋白甲基转 移酶介导催化。 2.分类：24个组蛋白甲基化位点，其中17个 位于赖氨酸，7个位于精氨酸。 甲基化与肿瘤 组蛋白甲基化 3.相关酶： 蛋白质精氨酸甲基转移酶 精氨酸 SET家族 赖氨酸 组蛋白甲 基转移酶 （HMTs） 组蛋白去 甲基化酶 LSD1 JmjC家族蛋白 PADI4 （赖氨酸特异性去甲基化酶1） （精氨酸肽基脱亚胺酶） 甲基化与肿瘤 组蛋白甲基化 甲基化与肿瘤 组蛋白甲基转移酶特点 A：组蛋白赖氨酸的甲基化是可逆的 B：分两个家族，即组蛋白赖氨酸甲基转移酶和组蛋白精氨 酸甲基转移酶 C：组蛋白甲基化标记对基因表达调控的作用可以完全相

11、反， 有时促进基因表达，有时却抑制基因表达，调控作用取决于 甲基化的位点和甲基化的程度 D：修饰的复杂性，即某一特定残疾可以结合不同数目的残 基，赖氨酸残基能够单、双、三甲基化，精氨酸残疾能够单、 双甲基化，极大地增加了组蛋白甲基化修饰调控的复杂性 甲基化与肿瘤 组蛋白甲基化功能 组蛋白甲基化与异染色质形成 组蛋白甲基化与基因印记 组蛋白甲基化与X染色体失活 甲基化与肿瘤 组蛋白甲基化与异染色质形成 SUV39H1和SUV39H2甲基转移酶对异染色质的形 成具有重要作用。将两个基因突变后，H3K9的甲基 化会减少一半，这样出生的小鼠有丝分裂中染色体 的分离有缺陷。在裂殖酵母中H3K9位点的甲基

12、化可 以将常染色质和异染色质在特定区域分开。在形成 异染色质的过程中，Su（var）3-9通过与异染色质 蛋白1（HP1）相互作用来控制蛋白质的定位。 甲基化与肿瘤 组蛋白甲基化与基因印记 基因印记是指一对等位基因中，一条来自父方，一 条来自母方，其中任何一方基因表达处于抑制状态， 就被称为基因印记。组蛋白甲基转移酶在基因印记 中发挥重要作用，缺少组蛋白甲基转移酶会导致基 因印记丢失。最近，有两项在大鼠7号染色体中的研 究都发现组蛋白甲基化可能是除了DNA甲基化以外 维持基因印记的另一种重要途径。 甲基化与肿瘤 组蛋白甲基化与X染色体失活 雌性哺乳动物的剂量补偿是由X染色体失活和Xist非编

13、码RNA决定的。在胚胎干细胞分化过程中，Xist表达 和H3K27me3、H4K20me1、DAN甲基化有关。胚胎 组织随机X染色体失活是由DNA甲基化控制的，而胚 外组织对于已经印记的X染色体失活的维持是依赖 Eed的功能和Xist的表达，与DAN甲基化无关。由此 可见，X染色体失活和基因印记可能由同样的机制引 起，这些机制中就包括组蛋白甲基化。 甲基化与肿瘤 组蛋白甲基化与肿瘤 组蛋白的甲基化状态与基因表达有关， 因此肿瘤细胞也存在组 蛋白甲基化的异常，如下表。 甲基化与肿瘤 组蛋白甲基化与肿瘤 RIZ1（PRDM2）具有H3K9位甲基转移酶活性，研究发现在 某些肿瘤，如乳腺癌、肝癌、结肠

14、癌、神经母细胞瘤中，该 基因发生基因突变而失去活性，而其失活有引起G2-M期的 细胞周期延长，凋亡抑制，因此推测H3K9位组蛋白甲基转 移酶可能具有肿瘤抑制功能，它的功能缺失可能参与癌症的 发生过程。 甲基化与肿瘤 组蛋白甲基化与肿瘤 Suv39h1/2剔除的鼠基因不稳定，染色体错误分离，导致B细 胞淋巴瘤。人的Suv39h1/2与视网膜胶质瘤蛋白RB共同调节 周期蛋白E（cycline E）的基因表达， Suv39h1/2的功能下调 可能导致增殖失控而发生癌变，如霍奇金淋巴瘤。另外， H4R3位甲基化影响白血病细胞的分化。 MLL1甲基转移酶突变与多种类型白血病有关。结肠癌和肝癌 细胞中SM

15、YD3甲基转移酶过表达，前列腺癌、淋巴瘤、乳腺 癌中EZH2甲基转移酶高表达，这些研究说明组蛋白甲基转移 酶异常可能从参与实体肿瘤的发生。 甲基化与肿瘤 肿瘤表观遗传学的临床意义 一、CpG岛高甲基化用于肿瘤的诊断 近年来的广泛定位确定了越来越多的癌症中异常过甲基 化的基因CpG岛，包含了多数人类癌症的形成。这些DNA 甲基化图使人们发现定义不同癌症发生的甲基化CpG岛 的独特外形，从而可能制作一个全面的人类每种癌症的 “甲基型”或“DNA甲基化签名”。例如，直结肠癌中 p16INK4a、p14ARF、APC和MGMT存在过甲基化，而非典型子 宫内膜增生中hMLH1异常甲基化。所以，异常CpG岛甲基 化的存在可用于早期筛查，在家族癌症发生高危人群中 甲基化与肿瘤 尤其有用，因为它们有和散发病例相似的CpG岛过甲基化。 二、CpG岛高甲基化用于预测肿瘤疗效 MGMT蛋白（O-6-甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶）在DNA鸟 嘌呤额外烷基化中直接起作用。该碱基是DNA中几个烷基化化 疗药物的首选靶点，如BCNU（卡氮芥）、丙卡巴肼、替莫唑胺。 所以，因过甲基化而失去MGMT的肿瘤可能对这些烷化剂更敏 感，因为在癌细胞中，它们的DNA损害不可能被修复，从而导 致细胞死亡。这个假说确实被证实了，而且MGMT启动子甲基 化有效地预测了化疗药物卡莫司汀的良好疗效，更高