表观遗传学与肿瘤.ppt

1、a，1，表观遗传学和肿瘤，a，2，表观遗传学的概念，表观遗传学是研究不包括DNA序列的变化，可遗传基因表达调节方式的学科。一般来说，细胞的基因组除了DNA和RNA序列外，还有很多控制基因表达的信息，本身并不能改变基因的序列，但可以通过DNA的修改、蛋白质和蛋白质、DNA及其他分子之间的作用来影响和调节基因的功能，属于表观遗传学的研究范畴，通过细胞的分裂和增殖周期来影响遗传。a，3，后性别概念和机制，后性别遗传是指基因表达或蛋白质表达改变不涉及基因DNA序列的变化，但通过细胞分裂和增殖稳定遗传的现象。表观遗传机制是某些正常细胞生理功能，如x染色体失活，由表观遗传决定，对人类多细胞的生长和分化有重

2、要作用。随着年龄的增长或环境的影响，细胞的正常表观遗传状态会被打破，肿瘤基因的异常激活或肿瘤抑制基因的失活，促进肿瘤形成等。表观遗传修饰主要包含与DNA密切相关的一些蛋白质的化学修饰，一些非编码RNA在表观遗传修饰中起着重要作用。因此，表观遗传转化从DNA、组蛋白、染色质、RNA等多个方面调节基因表达。典型的表观遗传转化机制包括基因组印迹、DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA、染色质重塑、a、4、1、DNA甲基化和肿瘤、早期发育阶段甲基化和甲基化转移是细胞生长和分化的关键程序，在保证细胞正常发育和基因组稳定性的正常细胞内，启动子区域的CpG(CpG)DNA甲基化一般与基因的沉默有关，未甲基化

3、与基因的激活有关，去甲基化通常与沉默基因的康复有关。a，5，正常甲基化是维持身体功能的必要条件，如基因印迹，x染色体停用，细胞分化，胚胎发育。异常DNA甲基化会引起疾病甚至肿瘤，异常CpG甲基化通常是人类癌症发生的早期特征，在人类肿瘤细胞株中，很多与肿瘤相关的基因5段启动子区CpG岛会发生特定的肿瘤抑制基因、细胞周期调节基因、肿瘤转移抑制基因、DNA还原基因、血管生成抑制基因等甲基化。有的在其他癌症中甲基化，有的仅在特定癌症中甲基化；恶性肿瘤的另一个特征是卫星DNA或寄生DNA甲基化程度的减少，低甲基化基因组不稳定，容易突变；在很多癌症中，细胞整体呈现低甲基化水平，随着肿瘤的进行，低甲基化水平

4、会加强。基因整体甲基化水平降低后，ras、myc等原癌基因激活等特定基因表达增加，突变热点、转座子异常表达、基因不稳定等形成，从而促进肿瘤发生，a、6、Paz等在人类12种肿瘤70多个肿瘤细胞系中进行了15个基因的系统分析。也就是说，对于每个肿瘤，至少有一个基因启动子区域发生了高甲基化。这种启动子甲基化具有肿瘤类型的特异性。大肠癌DNA不匹配恢复基因(hMLH1)、O6-甲基转移酶(O6-MGMT)、脱蛋白酶组织抑制剂3(TIMP)乳腺癌刚O6-MGMT基因高甲基化信号途径主要位置基因异常甲基化是该途径的异常激活或Wnt途径中的Wnt抑制因子该基因的异常甲基化与鼻咽癌、膀胱癌、食管癌等多种肿瘤

5、的发生有关。a，7，基因的CpG部位是自发突变的重要部位，25%的人肿瘤P53基因突变发生在该部位，50%的大肠癌患者，a，8，DNA甲基化和早期诊断：通过检测体液中特定基因的异常甲基化状态，可以对肿瘤进行早期诊断。肺癌患者痰中P16甲基化状态检测为肺癌的辅助诊断，结直肠癌分泌的卷曲相关蛋白2基因甲基化状态诊断结直肠癌的DNA甲基化和肿瘤发育及预后结肠腺瘤性息肉基因(APC)启动子甲基化与宫颈癌转移和复发，以及高危肝癌细胞中cadherin基因甲基化和血管浸润和肿瘤转移相关基因的异常甲基化与染色体缺失共同抑制基因表达的相互作用基因甲基化及该部位染色体缺失的患者一年总生存率约为75%。基因未甲基

6、化，该部位染色体缺失的患者，一年整体存活率达40%，而基因甲基化，该部位染色体缺失的患者，一年整体存活率只有15%。a，10、组蛋白修饰和肿瘤、染色质通常由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成，组蛋白是染色质的基本结构蛋白。组蛋白的N-端可以通过甲基化、乙酰化、磷酸化、泛光化等进行翻译后修改，改变DNA和组蛋白之间的相互作用，影响染色质的松弛和收缩，从而激活或抑制转录，其中组蛋白甲基化、乙酰化尤为重要。组蛋白乙酰化是由组蛋白乙酰转移酶(HAT)和组蛋白脱乙酰酶(HDAC)的协调催化剂完成的。受精部位一般位于H3的9号和14号，H4的5号、8号、12号、16号等N-端的赖氨酸残基上。a，11

7、，组蛋白乙酰化是调节基因转录的可逆运动过程；组蛋白的末端赖氨酸残留高乙酰化与染色质松弛和转录激活有关，低乙酰化与基因沉默或抑制有关。组蛋白乙酰转移酶在组蛋白尾部催化赖氨酸残基的乙酰化，释放局部DNA和组蛋白辛烯的紧密纠缠，多种转录因子与DNA调控因子结合，促进基因转录。组蛋白去乙酰化酶异常结合启动子区抑制正常功能基因转录也可能是恶性肿瘤的机制之一。a，12，组蛋白甲基化位点主要位于组蛋白H3，H4的赖氨酸或精氨酸残基，由组蛋白赖氨酸甲基转移酶催化，脱甲基化由赖氨酸脱甲基酶催化。赖氨酸可以单、双、三甲基化、精氨酸，可以单、双甲基化，增加组蛋白修饰的复杂性，可以通过组蛋白甲基化的位置判断基因是否被

8、激活或抑制；H3-K9和H4-K20甲基化与基因沉默有关；H3-K4，K36，K79甲基化影响基因激活组蛋白修饰对细胞核结构的改变和染色质重塑，各种转录因子和DNA的结合，基因转录。组蛋白乙酰化是维持组蛋白功能和DNA转录的必要条件，组蛋白乙酰化的不平衡引起相应染色体结构和基因转录水平的变化，影响细胞周期、分化和细胞凋亡，影响肿瘤的发生，a，13，染色质重塑：染色质位置，结构变化，与细胞核连接处的紧密染色质丝解开，染色质提取，基因转录启动子部位两种结构参数：ATP依赖核小体重塑复合物，通过水解改变核小体构型；组蛋白共价复合物，核心组蛋白N-端尾的共价修饰催化剂，核糖体构型改变，为其他蛋白质提供

9、DNA作用偶联部位；动态染色质重塑是大部分生物学过程的基础，如基因转录、DNA的克隆和修复、染色体浓度和分离、细胞凋亡等，因此异常染色质重塑可能会因肿瘤的发生和发展直接不同的染色质重塑而产生不同的肿瘤，但与肿瘤发生和发展之间的关系需要进一步探讨。a，14，非编码RNA调控非编码RNA分为长链非编码RNA和短链非编码RNA。长链非编码RNA在基因簇或整个染色体级别有顺序调控作用。短链RNA在基因组水平起着调节基因表达的作用。短链RNA通过分解mRNA和诱导染色质的结构变化来决定细胞分化命运，分解外部源核酸序列来保护自己的基因组，一般短链RNA是小干扰RNA(短interfering RNA，Si

10、RNA)和微RNA(MicroRNA，MicroRNA，MicroRNA)干扰RNA:真核mRNA编码区和同族外源双链RNA (dsRNA)特别诱导其同源mRNA的分解，导致该基因的沉默。hx现象称为RNA干扰(RNA I)，RNA I依赖于小干扰RNA和目标序列之间的严格碱基对。具有很强的特异性。微RNA:在核内的Pri-miRNA作用下，被Rnase nursase加工成发夹形状的pre-miRNA，运到细胞质中，然后被双链RNA特异RNA内切酶(Dicer)切成双链miRNA。分解成单链后，进入核糖蛋白质复合体，参与mRNA的切割或翻译抑制。a，15，RNA干扰是酶开始的阶段，外源双源R

11、NA(dsRNA)通过外来引入细胞、转化、病毒感染等进入，特异性双链RNA内切酶识别dsRNA，并将其切成大量片段(siRNA)，同类靶标mRNA序列RISC形成：siRNA与特定蛋白质结合后，解毒链、反义链和核糖酶复合物结合，形成诱导RNA沉默的复合物(RISC)。RISC与目标mRNA结合，形成RNA依赖性RNA聚合酶催化的dsRNA，该RNA通过双链RNA内切酶作用减少到siRNA。SiRNA关闭天然染色质水平、转录水平、转录后水平、基因水平控制基因表达的转座子。实验室研究表明，部分miRNA与多种肿瘤、癌症发生密切相关。a，16，不同表观遗传修饰之间的相互调节：表观遗传修饰在多个水平上

12、调节基因表达，不同水平的调节在真核细胞内形成完整的表观遗传调节网络。MiRNA的表达由甲基化和其他表观遗传机制控制。SiRNA可以诱导DNA甲基化，a，17，肿瘤细胞表观遗传异常的分子机制，印迹：基因印迹是父母双方的等位基因通过精子和卵子遗传给后代时发生变形，使具有亲代印迹的等位基因具有不同的表达特征。正常的基因印迹由DNA甲基化和组蛋白甲基化及乙酰化控制，这保证了父系基因的结晶状态，即一对等位基因中的一个被转录，另一对被抑制。肿瘤中的一些基因失去其遗传印迹，就会发生等位基因的共同表达等异常情况。胚胎细胞只有母系染色体的时候成为畸胎瘤，只有父系染色体的时候成为葡萄胎。结肠癌患者同时表达了结肠上

13、皮胰岛素生长因子2(IGF2)等位基因，产生了强有力的生长刺激，提高了结肠癌的危险。Wilms种中的IGF2基因压印，产生不正常分化的细胞，这些细胞没有控制或修复基因，而是增殖，最终导致肾癌。a，18，基因印迹消失的小鼠模型：Holm等破坏DNA甲基转移酶DNMT1，暂时诱导基因组甲基化，建立了基因印迹消失的小鼠模型。从这个模型出来的成纤维细胞可以在免疫缺陷小鼠身上形成肿瘤，在体外具有永生的特性。霍尔相信，如果没有单独的印迹，细胞可以癌性增殖。因为细胞降低了永生化的域，没有基因突变，可遗传基因表达模式的变化导致干细胞异常增殖，诱导肿瘤的发生、发展。，a，19，DNA甲基化肿瘤的表观遗传异常由包

14、括整个基因组低甲基化和启动子区域高甲基化在内的DNA甲基化模式变化支配；目前最关心的是启动子地区CpG岛的甲基化导致肿瘤抑制基因的转录沉默，这可能是癌性增殖的早期征兆。Issa等研究证实，CpG岛甲基化表型同时有多个基因具有肿瘤特异性CpG岛甲基化。一般肿瘤抑制基因P16因启动子区CpG岛的高甲基化而沉默，该基因功能的丧失导致干细胞寿命延长，基因组不稳定，容易产生早期癌性病变。与肿瘤异常甲基化状态相关的酶是DNA甲基转移酶(DNMTs)，它在CpG岛细胞色素5上共享结合甲基群。a，20，DNMT酶包含DNMT1、DNMT3b和DNMT3a，DNMT1与甲基化保持有关。也就是甲基化单链在甲基化D

15、NA中互补链呈模板甲基化。DNMT3b和DNMT3a介导DNA双链ab initio甲基化。起源于各种组织的肿瘤细胞会提高DNMT蛋白和活动水平，DNMT抑制剂会抑制DNMT活性，从而延迟小鼠肺癌模型中的癌性增殖。研究结果表明，敲除DNMT1后，肿瘤的整体甲基化水平微乎其微，而敲除DNMT3b后，95%的基因组5-甲基细胞色素脱甲基化，所有启动子脱甲基化，沉默基因激活表达成为可能。DNMT1的功能主要用于维持甲基化和基因表达抑制，DNMT3具有ab initio甲基化作用。DNMT1对未甲基化的物质几乎没有甲基化，但其过度表达仍然可以从一开始就甲基化未甲基化的人类CpG岛序列，因此肿瘤细胞有上

16、述能力。a，21，组蛋白修饰和染色质重塑：核苷是染色质高级结构的基本结构，组蛋白是核苷酸的重要组成部分，核糖体由147对碱基组成的8个组蛋白组成，147对碱基的位置和组蛋白修饰对维持基因的表达模式和染色体结构有重要作用，从而调节基因的表观遗传。每组核仁都处于微小稳定的状态，外界的微小变化会对细胞表型和转录模式产生很大影响。组蛋白修饰和DNA甲基化之间有很密切的关系，可以与多种选择性脱乙酰酶、DNMTs复合物、特定甲基化CpG序列结合蛋白家族(MBDs)相互联系。甲基化与赖氨酸乙酰化之间的相互作用在基因转录调控中占主导地位，而甲基化则占主导地位。MBDs具有特定的结合基因启动子能力，通过DNA高甲基化和肿瘤沉默基因、a，22、组蛋白酞菁(HATs)和组蛋白双酞菁(HDACs)的相互作用，平衡组蛋白双酞菁(HDACs)，组蛋白甲基转移酶(HMTs)和组蛋白甲基化酶使组蛋白甲基化组蛋白赖氨酸酞菁与转录激活相关，这种残留甲基化与激活和抑制状态都相关。组蛋白乙酰肼和甲基化模式通过含有溴化结构域蛋白质的不同效果蛋白表达，可以确认乙酰肼残留。Chromo域可以与甲基化赖氨酸残基结合起组蛋白作用，引起基因转录。赖氨酸甲基化以三种不同的形式大幅度扩大了组蛋白复合物的密码信息：单体甲基化、二甲基化、三甲基硅化。例如，H3K9乙酰化和H3K4甲基化是表达的活性标记。H3K9和H3K27的单、双