表观遗传学与肿瘤

1、表观遗传学与肿瘤7009021 杨豪前言： 本文通过表观遗传学的基本知识的介绍，结合表观遗传学在人类疾病中的作用，重点介绍表观遗传学在人类肿瘤疾中的相干知识。正文：表观遗传学是基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。不依赖与DNA序列的遗传现象。经典遗传学认为遗传的分子基础是核酸, 生命的遗传信息储存在核酸的碱基序列上, 碱基序列的改变会引起生物体表现型的改变, 而这种改变可以从上一代传递到下一代。然而, 随着遗传学的发展,人们发现, DNA、组蛋白、染色质水平的修饰也会造成基因表达模式的变化, 并且这种改变是可以遗传的。这种基因结构没有变化, 只

2、是其表达发生改变的遗传变化叫表观遗传改变。表观遗传学是一门研究生命有机体发育与分化过程中, 导致基因发生表观遗传改变的新兴学科。它的主要论点是, 生命有机体的大部分性状是由DNA 序列中编码蛋白质的基因传递的, 但是DNA 序列以外的化学标记编码的表观遗传密码, 对于生命有机体的健康及其表型特征, 同样也有深刻的影响。鉴于表观遗传信息能够明显地影响生命有机体的健康及表型特征, 其中有一部分甚至可以从亲代传给子代, 而且它们基本的DNA 序列也没有改变, 所以人们也称表观遗传信息为表观遗传标记。 表观遗传学主要包括DNA 甲基化作用、组蛋白修饰作用、染色质重塑、遗传印记、随机染色体( X) 失活

3、及RNA世界等。与表观遗传学相关的疾病主要有肿瘤、心血管病、精神病和自身免疫系统性病等表观遗传修饰：表观遗传修饰可以划分为五种类型:DNA的生化修饰, 如高等真核细胞基因组CpG岛中胞嘧啶的甲基化修饰作用；中心组氨酸蛋白的修饰, 即组氨酸尾部特异残基上的生化修饰。不同类型的组氨酸的改变, 染色体中组氨酸及其不同亚基组分的改变与一个给定基因座位的转录状态有密切的关系。DNA环化及形成自身构像，DNA环化被认为与给定基因座位表达的调控因子的作用密切相关。高度有序的染色质结构, 基因的表达要求转录因子与调控顺序结合, 它不仅与核小体的状态有关, 也涉及基因所在的染色质区段的高级结构。当染色质处在致密

4、收缩状态时, 转录因子无法与染色质包裹的DNA接触,，基因被关闭。1 DNA 甲基化异常与肿瘤发生DNA 甲基化修饰在肿瘤形成和发展中扮演重要角色，这里所指的DNA 异常甲基化可分为高甲基化和低甲基化，前者指正常组织细胞中DNA 不发生甲基化的位点被甲基化，后者是指在正常组织细胞中应发生甲基化的位点去甲基化。1.1 DNA 低甲基化导致肿瘤的发生1.1 1 增加基因组的不稳定性对人类肿瘤的研究发现，肿瘤细胞整个基因组中普遍存在 低甲基化。广泛的低甲基化可引起染色质结构的改变，使染色质凝聚程度降低，增加基因组的不稳定性，从而导致肿瘤的发生。正常细胞染色体着丝粒上的卫星DNA 序列都是呈高甲基化状

5、态的， 但在许多肿瘤模型中都观察到高频率(4090)出现的低甲基化的卫星DNA序列。由于卫星DNA 序列约占基因组的10左右，可以认为该序列的低甲基化是导致肿瘤细胞中基因组整体水平低甲基化的主要原因之一。这种广泛的低甲基化是基因组和染色体不稳定的基础。1.1 2 导致转座子的异常表达有研究证明， 动物肿瘤细胞中， 中等程度和高频繁的DNA 重复序列中5-甲基胞嘧啶的含量大幅度减少(约减少3040)7。这些DNA 重复序列主要为转座子。在正常情况下，转座子呈甲基化状态而转录关闭，但在肿瘤细胞中，转座子 因低 甲基化而被激活， 可转移至其他位点引起突变。长散在元件1(LINE-1) 作为转座子之被

6、证实在许多肿瘤细胞中，其甲基化程度较正常组织有所降低。LINE - 1 低甲基化可促进其发生转录， 同时也为它提供了转座和再结合的机会。事实上，在变性细胞中外源性的LINE-1 表达都是伴随着LINE-1 转座而发生的。1.1 3 造成基因印记的丢失哺乳动物某些组织和细胞中，控制某一表型的一对等位基因由于 亲 源不同而差异性表达，即机体只表达来自亲本一方的等位基因，而另一方不表达或很少表达，这就称为基因组印记。其中父(母)系等位基因不表达者，就称为父(母)系印记。人类基因组中有约上百个基因的两个等位基因中只有一个是表达的，何者表达取决于其遗传自父方或者母方。胰岛素样生长因子2(IGF2)就是其

7、中之一，该基因只在来源于父系的等位基因上获得表达(母系印记)。IGF2 在母系等位基因呈甲基化状态不表达。在父系等位基因 呈去甲基化状态而表达。当IGF2 被印记的母系等位基因发生去甲基化后，则会使之活化，称为印记丢失。这会造成原本不表达的等位基因也出现了表达，从而可导致肿瘤的发生。研究显示许多肿瘤中都存在IGF2 基因印记丢失，95 的病例与母方IGF2 基因的印记丢失有关。1.2 DNA 高甲基化导致肿瘤的发生基因启动子区的Cp G岛在正常状态下一般是非甲基化的， 当其发生甲基化时，常导致基因转录沉寂， 使一些重要基因如抑癌基因、DNA 修复基因等丧失功能，从而导致正常细胞的生长分化调控失

8、常以及DNA 损伤不能被及时修复， 这与多种肿瘤形成密切相关。发生在抑癌基因启动子及附近区域的DNA 甲基化可直接阻碍转录因子AP-2、c-M y c M y n、CREB、E2F 和NF-B 与启动子结合，从而使抑癌基因不能转录或转录水平降低。同时基因5 端调控序列甲基化后能与特定甲基化Cp G 序列结合蛋白(methylCp G binding proteins，MB Ps)结合，间接地阻止转录因子与启动子形成转录复合体。因此，抑癌基因启动子区DNA 高甲基化可导致该基因的失活， 从而诱发肿瘤的发生。2 组蛋白修饰与肿瘤发生组蛋白的N 末端可通过乙酰化、甲基化、磷酸化、泛 素化等进行翻译后

9、修饰， 其中以乙酰化和甲基化修饰尤为重要。组蛋白乙酰化状态受组蛋白乙酰化酶(H A T s) 和组蛋白去乙酰化酶(H D A C s)双重调节。修饰部位可发生在N 端保守。的赖氨酸残基上， 如组蛋白H3 Lys9、14、18、23 及H4 Lys5、8、12、16。组蛋白乙酰化为一 可逆过程，乙酰化和去乙酰化的动态平衡影响染色质的结构和基因表达。HAT 将乙酰辅酶A 上的疏水乙酰基转移到组蛋白的N 端赖氨酸残基，中和掉一个正电荷，使DNA 与组蛋白之间相互作用减弱，染色质呈转录活性结构，DNA 易于解聚、舒展， 有利于转录因子与DNA 模板相结合从而激活转录； 而HDAC 通过组蛋白N 端的去

10、乙酰化，使组蛋白带正电荷，从而与带负电荷的DNA 紧密结合，染色质呈致密卷曲的阻抑结构，抑制转录。通常认为组蛋白氨基末端赖氨酸残基的高乙酰化与染色质松散及基因转录激活有关，而低乙酰化与基因沉默或抑制有关。研究表明，HDAC 异常结合到特定的启动子区从而抑制正常功能基因的转录可能是恶性肿瘤发生的制之一。在急性早幼粒细胞白血病中由于染色体易位形成维甲酸受体a(RA Re)融合蛋白(PML-R AR a 或PLZF-RA R a)，与含有HDAC 的辅抑制复合物相互作用，造成维甲酸受体a 靶基因的转录抑制，致使粒细胞成熟障碍导致白血病的发生15。BRCA1 蛋白通过募集H D A Cs 于配体非依赖

11、性的雌激素受体(E Ra) 基因的启动子区，导致雌激素受体基因的转录抑制，从而导致乳腺癌及卵巢 癌的发生。因此，由HAT 和HDAC 异常引起的组蛋白乙酰化的失衡可影响正常功能的基因表达，导致肿瘤的发生。甲基化也是组蛋白修饰的重要方式，组蛋白甲基化位点多位H3、H4 的赖氨酸和精氨酸残基上。组蛋白甲基化修饰可调节相应位点的基因表达及维持染色质结构，一个组蛋白上的赖氨酸残基最多可被3 个 甲基修饰，通过不同位置的甲基化标记可以判断基因是被激活还是被抑制， 如H3-K9？H4-K20 甲基化与基因沉默有关， 而H3-K4、K36、K79 甲基化却可以使基因活化。组蛋白甲基化和DNA 甲基化可联合作

12、用共同参与抑癌基因沉默而诱发肿瘤。3 染色质重塑与肿瘤的发生染色质重塑(remodeling)是指染色质位置、结构的变化，主要包括紧缩的染色质丝在核小体连接处发生松动造成染色质的解压缩，从而暴露了基因转录启动子区中的顺式作用元件，为反式作用因子与之的结合提供了可能18。染色体重塑的过程由两类结构所介导：ATP 依赖型的核小体重塑复合体和组蛋白共价修饰复合体。前者通过水解的作用改变核小体构型； 后者则对核心组蛋白N 末端尾部的共价修饰进行催化。这种修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白提供了和DNA 作用的结合位点L2519。动态的染色质重塑是大多数以DNA 为模板的生物学过程的基础，比如基因的

13、转录、DNA的复制与修复、染色体的浓缩以及分离和细胞凋亡，而这些生物学过程的混乱都与肿瘤的发生、发展直接相关。因此，染色质重塑不仅仅能够调节基因的转录，同时还参与了与肿瘤发生密切相关的那些最基础的细胞生理过程。但是，不同的染色质重塑能够导致不同的肿瘤，这又提示我们这些生理过程并不是独立地起作用。尽管有大量的数据显示不同的染色质重塑途径之间存在着相互作用，但是这些。途径之间的确切关系，尤其是它们在肿瘤发生过程中的确切关系，仍然有待于人们去进一步地探索。4 非编码RNA 与肿瘤真核生物体内一类重要的非编码RNA 就是mi RNA。Mi RNA 是一类长约22 nt 的单链RNA 分子，广泛存在于从

14、植物、线虫、人类的细胞中。miRNA 的生成起始于Pri- mi RNA(由编码mi RNA 的基因转录生成，长度为几百到几千个核苷酸)的产生；随后pri- mi RNA 在核内被RNa se 核酸酶加工成长约70 nt 的发夹pre-mi RNA；最后pre-mi RNA 在RanGTP 依赖的核质 细胞质转运蛋白exportin 5 的作用下，从核内运输到胞质中；胞质中在Dicer 酶的作用下，pre-miRNA 被切割成双链的miRNA(miRNA 配对分子)，然后成熟的miRNA分子被解链， 单链的miRNA 进入一个核糖蛋白复合体miRNP(也称为RISC)，通过与靶基因的3 UTR

15、 区互补配对，指导miRNP 复合体对靶基因mRNA 进行切割或翻译抑制。miRNA 与肿瘤形成、癌症发生密切相关。有研究显示，淋巴瘤中miRNA 的一类miR17-92 可能是潜在的致癌基因，并且转录因子cMyc 能够调节miRNA21；通过对来自肺部、胸部、胃部、前列腺、结肠和胰腺等处的540 份癌细胞样品进行分析，人们发现了由过量表达的部分mi R NAs 组成的实体癌症miRNA 信号， 其中包括miR-17-5p、miR-20a、miR-21、miR-92、miR-106a 和miR-155。除此之外，还通过对遗传性非息肉性结、直肠癌发生过程中的miRNA 变化情况进行了研究，发现了

16、一些可能在遗传性非息肉性结、直肠癌发生、发展中起重要作用的miRNA， 同样说明了miRNA 在癌症的发病机制中发挥着重要的作用。肿瘤表观遗传学机制贯穿肿瘤发生、发展的整个过程，并具有一定的广泛性和组织特异性，因此对肿瘤的表观遗传学进行深入的研究对肿瘤的临床诊断、治疗和预防都具有重要的指导意义。总之，尽管肿瘤表观遗传学得研究进展十分迅速，仍有许多分子机制和人类肿瘤发生演进的关系有待更深入的了解，表观遗传学的研究为进一步了解，表观遗传学的研究为进一步了解肿瘤各种特性，优化肿瘤的早期诊断，丰富肿瘤的治疗方式，改善肿瘤的预后提供新的策略，具有重要的临床治疗意义。参考文献： 生物技术通报2011年第1期表观遗传学研究进展表观遗传学遗