DNA甲基化與癌癥之間關系研究概述

王 靜 胡雪峰

(福建師范大學生命科學學院 福州 350108)

表觀遺傳是指在基因的核苷酸序列不改變的情況下，基因表達發(fā)生可遺傳性變化，主要表現(xiàn)為DNA甲基化、組蛋白修飾及染色質構象變化等。本文對DNA甲基化與癌癥發(fā)生關系的研究進展進行概述。

1 DNA甲基化的概念和意義

DNA甲基化(DNA methylation)是指在DNA甲基轉移酶的催化下，DNA甲基基團共價結合到CpG雙核苷酸的胞嘧啶5碳位上。CpG雙核苷酸在人類基因組中的分布不均勻，常局部聚集形成一些CG含量較高的長度為300～3000 bp的DNA片段(即CpG島)，DNA的甲基化主要發(fā)生于此。

DNA甲基化參與基因的差異性表達、染色體失活、衰老以及癌癥的發(fā)生等多種生理過程，在哺乳類動物的發(fā)育中具有重要的作用，能引起染色質結構、DNA構象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質相互作用方式等的改變。

2 DNA甲基化與癌癥發(fā)生的關系

癌癥的發(fā)生是一個多階段過程，涉及基因變異和表觀遺傳等作用。DNA甲基化是一種調控基因表達的機制，異常DNA甲基化及DNA甲基化模式改變是腫瘤細胞中常見的表觀遺傳現(xiàn)象。多種癌癥的發(fā)生與DNA異常甲基化有著重要的關系。

2.1 DNA甲基化與口腔癌的關系 口腔癌是指一類發(fā)生于口腔中的惡性腫瘤，好發(fā)于舌頭、牙齦、頰等部位，其主要的病理類型為鱗狀細胞癌，是頭頸部較常見的惡性腫瘤之一。研究發(fā)現(xiàn)，多個影響細胞生長周期的抑癌基因的CpG島甲基化、基因突變以及多個基因位點的雜合型缺失(一對同源染色體上相同基因座位的兩個等位基因中的一個或者部分核苷酸片段發(fā)生缺失)，導致了相關抑癌基因功能的喪失，從而導致口腔癌的發(fā)生[1]。

口腔癌中，至少有3個抑癌基因的啟動子的甲基化與口腔癌相關，這3個基因分別是p14ARF、p15NK4b和p16NK4a，皆定位于人染色體9p21，其中p14ARF通過與癌基因MDM2相互作用，形成p14ARF-MDM2-p53(p53為一種抑癌基因)三體復合物，減弱MDM2介導的p53的降解，增強p53的相關作用，從而抑制細胞生長，促使細胞凋亡。p16NK4a通過與周期蛋白依賴性激酶4(CDK4)和周期蛋白依賴性激酶6(CDK6)結合，抑制周期蛋白依賴性激酶4/6-細胞周期蛋白D(CDK4/6-cyclinD)復合物的催化作用，導致細胞周期停滯在G1期，不再繼續(xù)分裂增殖。p15NK4b與p16NK4a具有高度同源性，也是CDK4和CDK6的抑制劑。這三個抑癌基因共同作用構成一個局部網(wǎng)絡，控制口腔癌細胞的生長，其中任何一個基因發(fā)生異常或失活都有可能影響整個抑癌體系的正常運行。有學者對臨床上口腔癌手術后的標本進行基因突變、純合性缺失(一對同源染色體上相同基因座位的兩個等位基因皆缺失)和啟動子甲基化檢測后發(fā)現(xiàn)：在87.5%的病例中，p14ARF、p15NK4b和p16NK4a至少出現(xiàn)一個基因一種形式的基因改變，且p16NK4a失活的病例數(shù)明顯高于前兩者。其中，p14ARF和p15NK4b的失活主要由甲基化引起，而p16NK4a的失活則是甲基化和純合型缺失共同作用的結果。綜合以上情況，可知p14ARF、p15NK4b和p16NK4a皆參與了口腔癌的發(fā)生，且甲基化是導致這些基因失活的重要機制之一[2]。

2.2 DNA甲基化與肺癌的關系 肺癌是呼吸系統(tǒng)常見的惡性腫瘤。肺癌細胞與正常細胞相比存在著不同程度的異常甲基化。在肺癌發(fā)生發(fā)展過程中常出現(xiàn)整個基因組DNA的低甲基化，并在DNA啟動子區(qū)CpG島發(fā)生高水平甲基化[3]。前者可使原癌基因活躍、基因組易變等，致使原癌基因的過度表達以及染色體的穩(wěn)定性降低，從而導致肺癌發(fā)生；后者導致抑癌基因、凋亡基因、細胞周期調節(jié)基因等主要基因轉錄受到抑制，使得表達減少或沉默，相應的功能減弱或喪失，從而引起肺癌的發(fā)生。

研究發(fā)現(xiàn)，許多基因CpG島的高甲基化導致其基因表達沉默，如多腫瘤抑制基因(P16)、0～6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶基因(MGMT)、死亡相關蛋白激酶基因(DAPK)等抑癌基因，與肺癌發(fā)生的早期事件有關[4]；同源基因(HOX)、叉頭框G1基因(FOXG1)、離子型谷氨酸受體紅藻氨酸3基因(GRIK3)等基因啟動子區(qū)的CpG島的DNA高甲基化與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關[5]；組蛋白1-H4f基因(HIST1H4F)、原鈣粘蛋白γB6基因(PCDHGB6)、神經肽B和W的受體1基因(NPBWR1)的高甲基化與肺癌的復發(fā)有較為直接的關系[6]。在肺癌組織中還常見到短小同源異型框2基因(SHOX2)甲基化，其在肺癌組織中檢出率高達96%[7]，這與SHOX2基因上存在兩個CpG島有關，因此SHOX2基因的甲基化可作為肺癌早期診斷的指標之一。此外，在非小細胞肺癌中抑癌基因GPC5的甲基化程度明顯比正常肺組織低，使得該基因的表達被激活，利于肺癌細胞的增殖遷移。

2.3 DNA甲基化與胃癌的關系 胃癌是消化系統(tǒng)多發(fā)的腫瘤之一，同其他癌癥類似，胃細胞的癌變是一個多因素、多步驟、多階段的發(fā)展過程。其中，甲基化行為異常在胃癌組織中較為常見。同源結構域蛋白β基因(HOPX-β)在胃癌組織中的甲基化率為84%，而在相應的正常組織中僅為10%，因此該基因的甲基化水平異常被認為與胃癌的發(fā)生有著高度相關性[8]。胃癌組織中的轉鐵蛋白基因(TRF)甲基化率僅為20%，而正常胃組織中該基因甲基化率為60%，該基因甲基化程度的降低導致了原癌基因TRF2表達的升高[9]。另外，胃癌組織中原癌基因LAMB3及LAMC2的表達升高也被證實與其啟動子的甲基化程度降低相關[10]。

研究發(fā)現(xiàn)，胃癌組織中的一種DNA錯配修復基因MGMT，常因高度甲基化而失活，使得MGMT蛋白無法表達。MGMT蛋白的缺失會使某些關鍵基因(如p53、原癌基因K-ras等)發(fā)生G-C突變?yōu)锳-T而無法被修復，導致相應基因失去正常生理功能[11]。DNA錯配修復基因hMLH1和hMSH2同樣被發(fā)現(xiàn)在胃癌中呈高度甲基化狀態(tài)，導致錯配修復功能缺陷，從而引發(fā)胃癌。

除此之外，抑癌基因ZIC1的抑癌作用表現(xiàn)為使胃癌細胞停滯在S期，該基因啟動子區(qū)高甲基化使該基因表達下調，從而促使胃癌發(fā)生。CDH1也是一種抑癌基因，對同型細胞的黏附、維持上皮細胞的極性和完整性起重要作用。該基因發(fā)生甲基化會使得E-鈣粘蛋白表達降低，細胞間黏附力下降，癌細胞則易于通過基底膜進入到周圍組織和血管，從而促進胃癌細胞轉移等。在甲醛固定、石蠟包埋的胃癌組織中，檢測發(fā)現(xiàn)CDH1基因甲基化陽性率高達100%，因此該基因的高度甲基化與胃癌的發(fā)生與發(fā)展密切相關。

2.4 DNA甲基化與前列腺癌的關系 前列腺癌是指發(fā)生在前列腺的上皮性惡性腫瘤，其中谷胱甘肽S-轉移酶1基因(GSTP1)啟動子的甲基化是前列腺癌中最常見的表觀遺傳學改變。該基因與DNA修復有關，其正常表達可保護細胞免受DNA損傷和癌變。但在90%以上的前列腺癌變標本中都發(fā)生GSTP1基因啟動子甲基化[12]。此外，一些與細胞周期相關的基因的異常表達與前列腺癌的發(fā)生、發(fā)展有關，如細胞傳導通路基因相關結構域家族蛋白1亞型A基因(RASSF1A)能夠抑制細胞在有絲分裂早期增長，但該基因啟動子甲基化在前列腺癌中的發(fā)生率為54%～96%[13]，使前列腺中的多數(shù)或絕大多數(shù)癌細胞的增長不受抑制。進一步研究發(fā)現(xiàn)該基因啟動子甲基化出現(xiàn)在前列腺癌的早期，且甲基化程度隨著病情惡化而提高。

雌激素受體(estrogen receptor，ESR)有兩種，分別是ESR1和ESR2，均在前列腺組織中表達，但在發(fā)生前列腺癌的組織中均受抑制，其功能失活的主要機制是這兩者基因的啟動子發(fā)生甲基化，因此前列腺癌常用雌激素進行治療[14]。研究還發(fā)現(xiàn)甲基化誘導靜止因子基因(TMS1/ASC)能夠編碼一種促進癌細胞凋亡的蛋白質，該基因不僅因其啟動子甲基化在前列腺癌中低表達或不表達，且其甲基化水平與前列腺癌的復發(fā)有關[15]。

2.5 DNA甲基化與卵巢癌的關系 卵巢癌是女性常見癌癥之一。研究發(fā)現(xiàn)阿片樣物質結合蛋白/細胞黏附樣分子(OPCML，屬于免疫球蛋白超家族)基因的啟動子甲基化會導致OPCML在卵巢癌中表達缺失[16]，而OPCML的表達水平越低，則卵巢癌越嚴重。另外與DNA修復有關的乳腺癌1型基因(BRCA1)編碼的蛋白質在保持基因組穩(wěn)定性上有重要的作用。該基因啟動子甲基化使該基因在卵巢中表達降低，增加患卵巢癌的風險。

此外，含有WW結構域的氧化還原酶基因(WWOX)對誘導卵巢癌細胞凋亡、抑制卵巢癌細胞增殖及黏附等有重要的作用，研究發(fā)現(xiàn)WWOX基因異常甲基化導致該基因的失活，與卵巢癌的發(fā)生與發(fā)展進程有著密切關系[17]。另外，生長抑制劑4基因(ING4)啟動子甲基化參與了卵巢癌的生長和分化，在卵巢癌組織中ING4基因轉錄的mRNA的表達顯著減少，且表達與其基因甲基化程度負相關[18]。

最新研究顯示，HOXA9和同源異型框A10基因(HOXA10)的異常甲基化與卵巢癌的發(fā)展緊密相關，其中HOXA9基因啟動子常出現(xiàn)甲基化，且其高甲基化顯著增加卵巢癌風險。HOXA9通過腫瘤相關成纖維細胞和血管內皮細胞生長促進卵巢癌細胞的生長增殖[19]，HOXA10基因啟動子常出現(xiàn)低甲基化，使得該基因在卵巢癌中高表達，導致卵巢癌的惡化[20]。

3 結論與展望

DNA甲基化作為表觀遺傳學的一項重要內容，日益受到人們的重視。越來越多研究表明，異常DNA甲基化及DNA甲基化模式的改變與癌癥的發(fā)生發(fā)展有著密切的關系，它們導致基因表達異常，從而促使癌癥的發(fā)生和發(fā)展。而DNA的甲基化和去甲基化有一定的可逆性。隨著研究的不斷深入，DNA甲基化與癌癥之間關系的研究將為癌癥早期診斷、評估癌癥風險、制定治療方案以及預后判斷等方面提供新的啟示。

(基金項目：國家自然科學基金項目“BMP/Wnt信號內穩(wěn)態(tài)破壞導致小鼠肺氣腫的機制”，No.81570036；福建省科技廳重點項目“心臟起搏細胞的體外誘導及其功能驗證”，No.2015I0011)；*通信作者)