潰瘍性結腸炎相關結直腸癌的基因組和表觀遺傳不穩(wěn)定性

鄧勇彬* 綜述 王承黨 審校

福建醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院消化內(nèi)科 福建醫(yī)科大學消化系病研究室（350005）

潰瘍性結腸炎相關結直腸癌（ulcerative colitis-associated colorectal cancer,UcCRC）是潰瘍性結腸炎（UC）最嚴重的并發(fā)癥，UC患者UcCRC總體患病率約為3.7%，10年、20年、30年累積發(fā)病率分別為2%、8%、18%[1]。UcCRC的發(fā)病機制尚未明確，近年來，由遺傳易感性與環(huán)境因素共同作用引起的、結直腸黏膜慢性炎癥背景下的遺傳學改變，包括基因組不穩(wěn)定性（genomic instability）和表觀遺傳不穩(wěn)定性（epigenetic instability）在UcCRC發(fā)生、發(fā)展中的作用備受關注。基因組不穩(wěn)定性常表現(xiàn)為染色體不穩(wěn)定性（chromosomal instability,CIN）和微衛(wèi)星不穩(wěn)定性（microsatellite instability,MSI），表觀遺傳不穩(wěn)定性常表現(xiàn)為CpG島甲基化表型（CpG island methylator phenotype,CIMP）。本文就UcCRC的上述遺傳學改變作一綜述。

一、CIN

CIN是結直腸癌（CRC）基因組不穩(wěn)定性最常見的類型，見于80%～85%的結直腸腫瘤[2]。CIN包括全染色體不穩(wěn)定性（whole chromosomal instability,W-CIN）和結構染色體不穩(wěn)定性（structural chromosomal instability,S-CIN），前者可促進細胞有絲分裂中期姐妹染色體錯誤分離，從而增加整條染色體丟失或獲得的概率，使二倍體細胞成為非整倍體（aneuploid）；后者則引起染色體結構改變，包括染色體易位、染色體臂丟失、大片段染色體擴增等。

1.W-CIN

①W-CIN與非整倍體：正常有絲分裂細胞中，有絲分裂檢查點可確保染色體高保真分離。有絲分裂檢查點的核心組分包括 Bub1、BubR1、Bub3、Mad1、Mad2，這些基因以及其他調(diào)節(jié)有絲分裂的基因如Aurora激酶家族（具有調(diào)節(jié)微管-著絲粒連接和誘導中心粒擴增功能的絲/蘇氨酸激酶）突變和表達異常可能引起W-CIN，表現(xiàn)為非整倍體發(fā)生率增加[3]。有研究[4]發(fā)現(xiàn)長病程UC患者結腸異型增生黏膜中的Bublb蛋白表達較非異型增生黏膜增高，Aurora A蛋白表達降低，非整倍體發(fā)生率增加。另有研究[5]顯示CRC組織中Bub1b、Mad2、Aurora A、Aurora B蛋白均呈過表達，Bub1b在非整倍體癌組織中的表達顯著低于整倍體癌組織。上述發(fā)現(xiàn)提示了Bulb1b、Aurora A表達異常在非整倍體發(fā)生中的作用。

長病程UC患者不伴異型增生、伴不確定異型增生、伴明確異型增生結腸黏膜和癌組織的非整倍體檢出率分別為19%、28%、28%、55%，表明在UC至UcCRC的演進過程中，非整倍體的發(fā)生率逐漸增加[4]。此外，非整倍體尚與UC的病變范圍和病程相關。一項納入368例UC患者的大型隊列研究[6]顯示，8.7%的UC患者檢出非整倍體，檢出率隨UC病變范圍的擴大而增加（局部結腸炎2%，廣泛結腸炎6.8%，全結腸炎14.9%），病程超過10年的UC患者非整倍體檢出率顯著增加。綜合上述研究結果，提示非整倍體的出現(xiàn)為UC癌變過程中的早期事件，其出現(xiàn)早于異型增生，可能作為UC癌變的監(jiān)測指標。

②W-CIN與抑癌基因LOH：W-CIN系通過抑癌基因雜合子丟失（loss of heterozygosity,LOH）發(fā)揮致癌作用[7]。與散發(fā)性CRC（SCRC）不同，UcCRC發(fā)生過程中APC基因改變少見，p53基因改變多見且出現(xiàn)于癌變早期。研究[8]顯示UC患者不伴異性增生、伴不確定、低度、高度異型增生結腸黏膜和癌組織的p53 LOH發(fā)生率分別為6%、9%、33%、63%、85%，表明p53 LOH的發(fā)生率隨UC癌變進程而逐漸增加。另有研究[9]發(fā)現(xiàn)p53 LOH與UC病變范圍和癌變風險相關，按癌變風險分層，正常結腸黏膜、左半結腸炎、全結腸炎、伴硬化性膽管炎、伴異型增生的UC結腸黏膜p53 LOH發(fā)生率分別為0.2%、9%、35%、71%、89%。在不伴異型增生、伴不確定或低度異型增生的UC結腸黏膜中，非整倍體較p53 LOH更為常見，且p53 LOH僅見于非整倍體細胞[8]，提示非整倍體的出現(xiàn)先于p53 LOH，支持W-CIN通過抑癌基因p53 LOH參與UcCRC發(fā)生的觀點。

此外，在UC再生黏膜、異性增生至UcCRC的演進過程中，抑癌基因 p53（3 個標記位點）、BRCA1、p16INK4A、ST-7、Rb、Smad4、FHIT中3個或3個以上LOH的檢出率逐漸增加（17%、23%和62%），各抑癌基因LOH在三種組織學形態(tài)中的檢出率有明顯差異，如Rb LOH在癌組織中檢出率最高（50%），F(xiàn)HIT在低度異型增生組織中檢出率最高（50%），而Smad4在再生黏膜中檢出率最高（37.5%）[10]。推測W-CIN系通過不同抑癌基因LOH，在UC癌變過程中的不同階段發(fā)揮作用。

2.S-CIN

①端粒與S-CIN：端粒是位于真核細胞染色體末端的核酸-蛋白復合體，具有保護染色體末端，防止其降解和融合的功能，能維持染色體的穩(wěn)定性和完整性。端粒的平均長度隨細胞分裂次數(shù)的增多和年齡的增長而逐漸變短，導致染色體穩(wěn)定性下降。端粒縮短在惡性腫瘤發(fā)生中的作用具有雙向性，如DNA損傷檢查點功能完整，則端粒縮短參與抑癌機制，反之則參與S-CIN的發(fā)生機制。UC時結腸細胞的快速更新和氧化損傷可能加速端粒縮短，從而增加染色體末端融合的可能性，導致染色質(zhì)橋斷裂-融合循環(huán)和S-CIN。有研究[11]分析了正常對照者以及非進展期UC（不伴異型增生和癌）、進展期UC（伴異型增生或癌）患者非異型增生結腸黏膜的染色體畸變和端粒縮短情況，發(fā)現(xiàn)染色體臂丟失與端粒縮短高度相關，進展期UC染色體臂丟失和端粒縮短更為顯著，同時有絲分裂后期橋（染色質(zhì)橋斷裂-融合的中間產(chǎn)物）出現(xiàn)頻率顯著增高，支持UC癌變過程中的S-CIN與端粒縮短相關。

研究[12]顯示UC患者結腸細胞端粒長度隨年齡縮短的速度為正常對照者的兩倍，該現(xiàn)象發(fā)生于UC病程的前8年，與臨床上UC起病8年后癌變風險增高相一致。端粒酶能以自身RNA為模板合成端粒的重復序列，以維持端粒長度的穩(wěn)定性。研究[13]發(fā)現(xiàn)UC患者結直腸黏膜端粒酶活性較正常對照者顯著降低，并與炎癥程度呈負相關，即使是顯微鏡下表現(xiàn)正常的UC結直腸黏膜，端粒酶活性亦降低，提示端粒酶活性降低參與了UC的發(fā)病；端粒酶在CRC組織中則呈高表達。另一項研究[14]發(fā)現(xiàn)端粒酶催化亞單位人端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶（hTERT）mRNA表達在CRC組織中顯著上調(diào)，在UC結腸黏膜從慢性炎癥至上皮內(nèi)瘤變的演進過程中則無明顯變化，提示端粒酶激活是UcCRC發(fā)生過程中的晚期事件。

②S-CIN與染色體結構改變：UcCRC腫瘤細胞常因SCIN而出現(xiàn)染色體易位、部分丟失、擴增。納入32例UcCRC和42例SCRC的研究[15,16]發(fā)現(xiàn)這些變化見于90%的SCRC、94%的UcCRC、86%的UcCRC患者異型增生組織和36%的UcCRC患者非異型增生組織；UcCRC與SCRC的染色體改變數(shù)目相似（8.6/例對 8.1/例），兩者共有的改變?yōu)?18q、8p、17p丟失和 8q、20q、13q獲得，但5q丟失率有明顯差異（56%對26%），染色體8改變僅與UcCRC進展相關，而18q丟失僅與SCRC進展相關。對5例長病程UC的分析顯示，結腸各部位標本均常見染色體部分擴增和丟失，其中染色體 2、3、6、9、11、12、15 擴增幾乎可見于所有標本（多處于癌前狀態(tài)）[17]。一項對19例UcCRC的分析顯示，常見20q（84%）、7、8q、13q（均為 74%）、11p、12（均為 42%）、5p、18p（均為 37%）、17q（31%）獲得，8p（58%）、18q（47%）、5q（26%）丟失，以及 8q、5p、12p、13q、18p、20q 擴增[18]。 另一項對 13 例UC伴異型增生/UcCRC的分析顯示，常見4p、5q、18q丟失（21%～31%），1q、5p、6p、7p、7q、8p、8q、11p、11q、12q、14q、17q、19q、20p、20q 獲得（21%～73%），最主要的改變?yōu)?5p、20q 獲得和4p丟失，見于所有UcCRC患者[19]。上述研究結果表明，在UcCRC中，染色體臂獲得較丟失更為常見。

二、MSI

在正常細胞的DNA復制過程中，錯配修復（mismatch repair,MMR）系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)并修復錯配的堿基，糾正DNA復制錯誤。MMR 基因（包括 hMSH2、hMLH1、hPMS1、hPMS2、hMSH6、hMLH3）表達異常可導致DNA復制過程中堿基錯配修復功能缺陷，微衛(wèi)星位點錯配堿基增加，出現(xiàn)MSI。不同類型CRC的MSI發(fā)生途徑不同，SCRC系因hMLH1甲基化致基因表達沉默、功能缺失，UcCRC則與hMLH1甲基化和hMSH2 LOH有關。UC癌變與高度MSI（MSI-H）顯著相關[20]。

UC癌變早期即存在MSI。據(jù)文獻報道，UcCRC的MSI發(fā)生率為8%～21%，UC伴異型增生為13%～19%，非異型增生UC炎癥和再生上皮中亦可檢出MSI[21]。在非腫瘤性UC炎癥上皮中，MSI≥2更常見于病程長、炎癥嚴重但不伴異型增生或癌的患者，提示MSI的發(fā)生與反復炎癥應激相關[22]。

MMR基因突變、功能缺失引起的DNA復制錯誤更易發(fā)生于編碼區(qū)含有短核苷酸重復序列、內(nèi)在穩(wěn)定性較差、本來就易發(fā)生DNA復制錯誤的靶基因，如轉(zhuǎn)化生長因子β受體Ⅱ（TGFβRⅡ）、胰島素樣生長因子-2 受體（IGF2R）和 BAX，DNA復制錯誤所致的MSI使這些基因喪失對結腸細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)功能，導致腫瘤形成[23]。研究[20]發(fā)現(xiàn)不伴異型增生、伴不確定異型增生、伴明確異型增生的UC患者和UcCRC患者，結腸黏膜靶基因（TGFβRⅡ、hMSH3、MBD4、BAX、hMSH6）移碼突變檢出率分別為0%、27%、20%、36%，以TGFβRⅡ移碼突變最為常見，并與組織學分級較差顯著相關。由此推測UC癌變與MSI途徑所致的TGFβRⅡ突變密切相關。TGF-β1是一種多功能蛋白，可影響多種細胞的生長、分化、凋亡并具有免疫調(diào)節(jié)功能。TGFβRⅡ突變、表達缺失可能使結腸細胞失去對TGF-β1的應答。

此外，在UC患者的再生黏膜、異型增生和癌組織中，近抑癌基因p53、BRCA1、p16INK4A、ST-7、Rb、Smad4、FHIT處均可檢測到MSI[10]，提示MSI可能通過使抑癌基因突變失活參與UC癌變過程。

三、CIMP

CpG島為基因組中富含CpG二核苷酸的區(qū)域（C：胞嘧啶，G：鳥嘌呤，p：使兩者相連的磷酸酯鍵），主要存在于基因5’區(qū)域。啟動子區(qū)CpG島處于未甲基化狀態(tài)為基因轉(zhuǎn)錄所必須，CpG序列中的胞嘧啶甲基化可致基因轉(zhuǎn)錄抑制，導致基因沉默和功能缺失。

DNA 甲基化可分為 A 型（ESR1、GATA5、HIC1、HPP1、SFRP1 等）和 C 型（MGMT、MLH1、CDKN2A、MINT2、MINT31、IGF2、CACNA1G、NEUROG1、SOCS1、RUNX3 等），A 型基因甲基化常見于正常和腫瘤組織，甲基化程度與組織年齡相一致，C型基因甲基化則多為腫瘤特異性[24]。UC異型增生/UcCRC患者常見年齡相關A型基因甲基化，而腫瘤相關C型基因甲基化較少見，提示腫瘤細胞可能主要源自過早衰老的結直腸上皮細胞[25]。與非腫瘤性UC患者的結腸黏膜相比，UcCRC及其遠端非腫瘤性黏膜的 p16、RUNX3、MINT1、MINT31甲基化率顯著增高，COX-2、E-cadherin甲基化率顯著降低[26]。 UcCRC 的 MGMT、MINT1、MINT2、MINT31、hMLH1、p16、p14、HPP1、SFRP1、ERα、LINE-1 甲基化水平均明顯低于SCRC，兩者的CIMP發(fā)生率存在顯著差異（17%對38%）[27,28]，提示甲基化在UcCRC發(fā)生中的作用低于SCRC。

抑癌基因p14ARF由INK4a/ARF基因位點編碼，能穩(wěn)定和活化p53，以p53依賴性的方式誘導細胞周期阻滯或凋亡。p14ARF甲基化為UC癌變過程中常見的早期事件，研究顯示正常結腸黏膜、非腫瘤性UC黏膜、UC伴異型增生黏膜、UcCRC 的 p14ARF甲基化率分別為 3.7%、60%、33%、50%[29]，且p14ARF甲基化更多見于病程較長的UC患者[30]。

由CDH1基因編碼的E-cadherin是一種鈣離子依賴性細胞間黏附分子，其表達和功能缺失與結直腸癌的低分化和高侵襲性相關。與SCRC相比，UcCRC CDH1甲基化率較高（57%對 36%），伴E-cadherin表達減低，提示CDH1甲基化可能與UcCRC的高侵襲性有關[31]。

四、結語

綜上所述，UC至UcCRC演變過程中的遺傳學改變包括W-CIN（引起抑癌基因LOH）、S-CIN（引起染色體易位、部分丟失、擴增）、MSI（引起靶基因突變失活）和CIMP（引起靶基因沉默），這些改變在UcCRC發(fā)生、發(fā)展過程中的出現(xiàn)頻率和時機各不相同，對其作進一步的深入研究有助于發(fā)現(xiàn)UcCRC預防、治療、隨訪的靶點和分子標記。

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