TET蛋白家族和5-羥甲基胞嘧啶在腫瘤發病中的研究進展

郭 嚴，王 斌，王 軍(綜述)，陳東風(審校)

(第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所消化內科，重慶400042)

表觀遺傳學是研究基因的核苷酸序列不發生改變的情況下，基因表達了可遺傳的變化的遺傳學機制。表觀遺傳的現象包括DNA胞嘧啶甲基化、基因組印跡、組蛋白修飾、染色體重塑等。其中，DNA的胞嘧啶甲基化在基因組印跡、基因表達調節、X染色體失活、癌癥發生等發面發揮重要作用［2］。DNA胞嘧啶甲基化是一個動態可逆的過程，其在特定位點生成的 5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mc)可經 ten eleven translocation(TET)蛋白家族羥化后生成5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine，5hmc)，這一研究極大地拓展了對DNA去甲基化的認識。現對TET蛋白家族和5hmc在胖瘤發病中的研究進展進行綜述。

1 概述

DNA的胞嘧啶5-甲基化是一種重要的表觀遺傳學修飾，它在生物發育和基因調節中發揮著重要的作用，不同細胞或組織的不同發育階段，基因組存在不同的甲基化分布［1］。在哺乳動物的發育過程中，DNA甲基化組除有譜系特異性外，目前報道的還有兩種發生DNA甲基化部位:一種是受精卵，另一種是初級生殖細胞發育［1］。催化DNA甲基化的酶是DNA甲基化轉移酶(DNA methyltransferases，DNMTs):DNMT1、DNMT3A、DNMT3B和調節的亞基DNMT3L。但是，全基因組DNA甲基化怎樣分別調節并動態調控生物發育仍是一個疑問。可以肯定的是，DNA甲基化調控的程度可能與下游基因表達程序有關。

研究表明，5mc甲基化修飾是一個可逆的過程［2］。DNA中還存在5mc的羥基化修飾形式——5hmc［2］。5hmc最初是在T偶數噬菌體中被發現，隨后又在脊椎動物的大腦和其他組織中檢測出5hmc大量存在［3］。這說明5hmc在脊椎動物的生長發育中發揮重要的生物學作用。5hmc在鼠類的胚胎干細胞中含量很高，其含量隨胚胎干細胞的分化而逐漸減少［4］，但在終末分化細胞中再次升高，如浦肯野神經元。如果下調 5mc，5hmc在小鼠、牛以及兔的雄性原核中存在特殊的聚集［5］，這一現象說明5hmc的一個潛在的生物學功能和其在早期發育過程中動態調節DNA甲基化。

最近研究發現，TET蛋白家族具有催化5mc羥基化的酶活性。哺乳動物的TET蛋白家族包括3個成員:TET1、TET2、TET3，它們在靠近C端的位置擁有1個催化結構域，該結構域具有3個Fe2+和1個α-銅戊二酸(α-ketoglutarate，α-KG)的結合位點，催化結構域前還擁有一段富含半胱氨酸區［6］。TET家族的發現揭示5hmc作為中間體調控DNA的甲基化，但在發育過程中的5hmc和TET家族的生物學功能和調控機制尚不明確。研究發現，TET蛋白可以氧化5mc或5hmc，從而將其轉化為5fc(5-formylcytosine)和(或)5caC(5-carboxylcytosine)［7-8］，進一步說明 TET 蛋白家族和5hmc在發育過程中的表觀遺傳學調控的功能。

2 TET蛋白和5hmc與腫瘤的發生

2.1 TET蛋白家族在腫瘤發生中的作用 TET蛋白家族與5hmc不僅調控哺乳動物的生長發育，已有研究發現，其在腫瘤發生和發展過程中均發揮重要作用［9］。作為染色體異位的結果，TET1在急性髓性白血病(acute myelocytic leukemia，AML)患者中存在t(10;11)(q22;q23)組蛋白甲基轉移酶和混合性白血病(mixed-lineage leukemia，MLL)基因融合現象。除了t(10;11)(q22;q23)異位，TET1尚無其他異位部位被報道。MLL-TET1融合蛋白相對分子質量大約為204 000，由MLL的N端部分和TET1的C端部分融合而成。其產物蛋白包含AT鉤區(AT hook)，局限的亞核化區域和MLL結構融合成TET1的催化核心區域的CXXC。MLL-TET1融合蛋白催化活性尚不清楚，它可能有TET1和MLL都不具有的新功能或是既沒有TET1也沒有MLL的功能，從而導致癌癥的產生。但無論是哪種機制，MLL異位均與ALL和AML患者預后差有關［10-11］。

與TET1相類似，TET2也是4q24染色體受累基因。TET2在骨髓增生性腫瘤存在突變已得到證實［12］。同時，TET2突變也在骨髓增生異常綜合征、紅細胞增多癥、原發性血小板增多癥、骨髓纖維化、母細胞性漿細胞樣樹突細胞瘤中被發現［13-17］。

TET2的突變范圍從無義密碼子和錯誤突變到移碼和缺失。這些突變均被認為是TET2酶失活的結果。在骨髓增生性腫瘤患者中檢測到許多常見的突變均受TET2活性的影響，包括 W1291R、E1318G、P1367S、I1873T 和 G1913D［18］。所有這些突變位于富含半胱氨酸的區域或人TET2催化結構域。TET2突變常常發生在單個或兩個等位基因，說明TET2突變可能存在抑癌基因單倍體不足或是獲得致癌的功能。有文獻指出TET2類似于抑癌基因，特別是在造血干細胞中［17，19］。但是，在其他一些重要的旁路中(如 JAK 激酶和p53)，TET2突變可能不足以導致基因轉化。

TET2可能直接導致骨髓細胞生成，下調TET2可以改變骨髓間充質干細胞的分化。此外，在大鼠中選擇性敲除或降低TET2的表達會導致造血干細胞和祖細胞不成比例的擴增，分化成髓細胞和淋巴細胞［20］。研究發現，TET2突變與AML存活時間下降［21］和單核細胞性白血病低存活率有關［22］。但在MDS患者中，TET2突變會增加存活率，減少向AML轉化的風險［23］。TET酶需要輔因子催化，其中之一為α-銅戊二酸。α-銅戊二酸由細胞質中的異檸檬酸脫氫酶1(isocitrate dehydrogenase，IDH1)和其線粒體同源的 IDH2產生［24］。IDH1和IDH2在5hmc和TET表達增多的疾病中存在突變，如膠質瘤、白血病、星形細胞瘤和骨髓增生性腫瘤，這些突變不僅相互排斥，同時還伴隨TET2的突變。

IDH1和IDH2突變會獲得表型功能，從而導致α-銅戊二酸表達減少，并突變成2-羥基戊二酸［25］。突變的IDH過表達會導致整體甲基化增高，但與TET2同時過表達則不會引起5hmc水平增高［24］。免疫組織化學研究發現，膠質瘤、星形細胞瘤、膠質母細胞瘤組織中都存在IDH1突變導致的5hmc表達下降和5mc表達增高［26］，Xu等［27］也在液相質譜分析中發現，IDH突變導致5hmc下降。這些研究表明，5hmc的下降既直接破壞了TET酶，同時也改變了相關的輔助因子，它的變化可能參與腫瘤及相關疾病的發生、發展。

2.2 5hmc與腫瘤的發生 假設5hmc是去甲基化過程的中間產物，它作為TET蛋白功能破壞的結果可能導致超甲基化。急性髓細胞白血病患者中特定位點廣泛的超甲基化伴隨著TET2突變已經被報道［22］。另一研究發現白血病患者中TET2突變，與5hmc表達減少和局部 DNA甲基化有關［18］。Kraus等［28］研究發現，腦部病變，尤其是星形細胞瘤和膠質母細胞瘤，其5hmc均與腫瘤的分級呈負相關。此外，多種腫瘤均出現較正常組織中5hmc下降的情況［29］。整體低羥甲基化在腫瘤和與TET突變的關系尚不明確，可能依賴于腫瘤的類型和分級。在臨床研究中，超甲基化基因最初在MDS和白血病患者中被檢測出來。TET突變率在上述兩種疾病中升高明顯，說明TET突變與臨床治療有效率存在某種關系。

除了腦膠質瘤和造血系統腫瘤，5hmc還在多種腫瘤，如乳腺癌、結腸癌、膀胱癌、肝癌、肺癌及胰腺癌中表達降低［30-31］。這種5hmc表達水平與腫瘤形成的負相關說明5hmc在腫瘤發生中的表觀遺傳的修飾作用。同時，TET蛋白家族的3個成員(TET1、TET2、TET3)在腫瘤中的表達，如乳腺癌、肝癌均較正常組織降低。值得注意的是，3種TET蛋白的在腫瘤組織的表達降低不盡相同:TET1下降最為顯著，其次是TET2、TET3［30］。研究表明，5hmc在腫瘤表達下降的機制有兩種:一是TET2突變導致功能丟失，二是由IDH1/2突變導致TET本身活性受抑制，從而阻止5mc向5hmc轉化［27］。這些研究說明，5hmc在腫瘤表達減少的機制除TET2和IDH1/2基因突變，還有一種全新的機制可以阻止5mc向5hmc轉化——TET轉錄失活。

3 展望

TET蛋白和5hmc在生物進化和疾病中的作用是目前表觀遺傳學研究的一大熱點。雖然大量的研究表明5hmc在血液系統和實體腫瘤發病過程中具有表觀遺傳調控功能，從而阻止腫瘤發生，但減少5hmc表達水平是否可以預防腫瘤發生仍不明確，這也將是未來研究的重點。同時，TET蛋白家族在5mc轉化為5hmc過程中的羥基化修飾，為認識DNA甲基化修飾的機制和復雜性提供了基礎，深化了對生物進化和腫瘤發生的認識，從而為疾病的診斷、預防和治療提供了新的靶點。

［1］Suzuki MM，Bird A.DNA methylation landscapes:provocative insights from epigenomics［J］.Nat Rev Genet，2008，9(6):465-476.

［2］郭曉強，王越甲，郭振清，等.TET蛋白:一個新的DNA修飾家族［J］.中國生物化學與分子生物報，2011，27(12):1101-1106.

［3］Song J，Rechkoblit，Bestor TH，et al.Structure of DNMT1-DNA complex reveals a role for autoinhibition in maintenance DNA methylation［J］.Science，2011，331(6020):1036-1040.

［4］Szwagierczak A，Bultmann S，Schmidt CS，et al.Sensitive enzymatic quantification of 5-hydroxymethylcytosine in genomic DNA［J］.Nucleic Acids Res，2010，38(19):e181.

［5］Iqbal K，Jin SG，Pfeifer GP，et al.Reprogramming of the paternal genome upon fertilization involvesgenome-wide oxidation of 5-methylcytosine［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2011，108(9):3642-3647.

［6］Loenarz C，Schofield CJ.Oxygenase catalyzed 5-methylcytosine hydroxylation［J］.Chem Biol，2009，16(6):580-583.

［7］He YF，Li BZ，Li Z，et al.Tet-mediated formation of 5-carboxylcytosine and its excision by TDG in mammalian DNA［J］.Science，2011，333(6047):1303-1307.

［8］Ito S，Shen L，Dai Q，et al.Tet proteins can convert 5-methylcytosine to 5-formylcytosine and 5-carboxylcytosine［J］.Science，2011，333(6047):1300-1303.

［9］Gal-Yam EN，Saito Y，Egger G，et al.Cancer epigenetics:modifications，screening，and therapy［J］.Annu Rev Med，2008，59:267-280.

［10］Liedtke M，Cleary ML.Therapeutic targeting of MLL［J］.Blood，2009，113(24):6061-6068.

［11］Chou WC，Chou SC，Liu CY，et al.TET2 mutation is an unfavorable prognostic factor in acute myeloid leukemia patients with intermediate-risk cytogenetics［J］.Blood，2011，118(14):3803-3810.

［12］Tefferi A，Levine RL，Lim KH，et al.Frequent TET2 mutations in systemic mastocytosis:clinical，KITD816V and FIP1L1-PDGFRA correlates［J］.Leukemia，2009，23(5):900-904.

［13］Langemeijer SM，Aslanyan MG，Jansen JH.TET proteins in malignant hematopoiesis［J］.Cell Cycle，2009，8(24):4044-4048.

［14］Tefferi A，Pardanani A，Lim KH，et al.TET2 mutations and their clinical correlates in polycythemia vera，essential thrombocythemia and myelofibrosis［J］.Leukemia，2009，23(5):905-911.

［15］Tefferi A，Lim KH，Abdel-Wahab O，et al.Detection of mutant TET2 in myeloid malignancies other than myeloproliferative neoplasms:CMML，MDS，MDS/MPN and AML［J］.Leukemia，2009，23(7):1343-1345.

［16］Makishima H，Jankowska AM，McDevitt MA，et al.CBL，CBLB，TET2，ASXL1，and IDH1/2 mutations and additional chromosomal aberrations constitute molecular events in chronic myelogenous leukemia［J］.Blood，2011，117(21):e198-206.

［17］Jardin F，Ruminy P，Parmentier F，et al.TET2 and TP53 mutations are frequently observed in blastic plasmacytoid dendritic cell neoplasm［J］.Br J Haematol，2011，153(3):413-416.

［18］Ko M，Huang Y，Jankowska AM，et al.Impaired hydroxylation of 5-methylcytosine in myeloid cancers with mutant TET2［J］.Nature，2010，468(7325):839-843.

［19］Swierczek SI，Yoon D，Bellanné-Chantelot C，et al，Extent of hematopoietic involvement by TET2 mutations in JAK2V617F polycythemia vera［J］.Haematologica，2011，96(5):775-778.

［20］Quivoron C，Couronné L，Della Valle V，et al.TET2 inactivation results in pleiotropic hematopoietic abnormalities in mouse and is a recurrent event during human lymphomagenesis［J］.Cancer Cell，2011，20(1):25-38.

［21］Abdel-Wahab O，Mullally A，Hedvat C，et al.Genetic characterization of TET1，TET2，and TET3 alterations in myeloid malignancies［J］.Blood，2009，114(1):144-147.

［22］Kosmider O，Gelsi-Boyer V，Ciudad M，et al.TET2 gene mutation is a frequent and adverse event in chronic myelomonocytic leukemia［J］.Haematologica，2009，94(12):1676-1681.

［23］Kosmider O，Gelsi-Boyer V，Cheok M，et al.TET2 mutation is an independent favorable prognostic factor in myelodysplastic syndromes(MDSs)［J］.Blood，2009，114(15):3285-3291.

［24］Figueroa ME，Abdel-Wahab O，Lu C，Ward PS，et al.Leukemic IDH1 and IDH2 mutations result in a hypermethylation phenotype，disrupt TET2 function，and impair hematopoietic differentiation［J］.Cancer Cell，2010，18(6):553-567.

［25］Ward PS，Patel J，Wise DR，et al.The common feature of leukemiaassociated IDH1 and IDH2 mutations is a neomorphic enzyme activity converting alpha-ketoglutarate to 2-hydroxyglutarate［J］.Cancer Cell，2010，17(3):225-234.

［26］Gu TP，Guo F，Yang H，et al.The role of Tet3 DNA dioxygenase in epigenetic reprogramming by oocytes［J］.Nature，2011，477(7366):606-610.

［27］Xu W，Yang H，Liu Y，et al.Oncometabolite 2-hydroxyglutarate is a competitive inhibitor of α-ketoglutarate-dependent dioxygenases［J］.Cancer Cell，2011，19(1):17-30.

［28］Kraus TF，Globisch D，Wagner M，et al.Low values of 5-hydroxymethylcytosine(5hmc)，the"sixth base，"are associated with anaplasia in human brain tumors［J］.Int J Cancer，2012，131(7):1577-1590.

［29］Terragni J，Bitinaite J，Zheng Y，et al.Biochemical characterization ofrecombinantβ-glucosyltransferase and analysisofglobal 5-hydroxymethylcytosine in unique genomes［J］.Biochemistry，2012，51(5):1009-1019.

［30］Yang H，Liu Y，Bai F，et al.Tumor development is associated with decrease of TET gene expression and 5-methylcytosine hydroxylation［J］.Oncogene，2013，32(5):663-669.

［31］Haffner MC，Chaux A，Meeker AK，et al.Global 5-hydroxymethylcytosine content is significantly reduced in tissue stem/progenitor cell compartments and in human cancers［J］.Oncotarget，2011，2(8):627-637.