組蛋白修飾與癌癥之間關系的研究綜述

陳伶莉 胡雪峰

(福建師范大學生命科學學院 福州 350108)

表觀遺傳修飾是指不改變基因的DNA序列而使其表達發生可遺傳的表型變化[1]的遺傳修飾。表觀遺傳修飾主要包括四個方面的內容： DNA甲基化、染色質重塑、非編碼RNA的調控和組蛋白修飾。以上四個方面的遺傳變化均可以通過細胞分裂的方式穩定地遺傳給后代。研究表明，組蛋白修飾與甲狀腺癌、乳腺癌和胃癌等惡性腫瘤的發生有著密切的關系。本文綜述組蛋白修飾與癌癥之間關系的研究進展。

1 組蛋白修飾與基因的表達調控

組蛋白在真核生物中與DNA結合形成染色質。共有五種組蛋白，即H1、 H2A、 H2B、 H3及H4。核小體是染色體功能的基本單位，是由146對堿基圍繞著四種組蛋白(H2A、 H2B、 H3和H4)的各兩個分子組成的一個組蛋白八聚體而形成[2]。核小體中的核心部分呈現均一穩定的狀態，而游離在外的組蛋白末端的氨基酸殘基可以發生甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化及二磷酸腺苷(ADP)糖基化等共價修飾，這些修飾方式共同構成“組蛋白密碼”，其中甲基化和乙酰化是兩種較為重要的修飾作用。組蛋白乙酰化是可逆的動態平衡過程，由組蛋白乙酰轉移酶(histone acetyltransferase, HAT)與組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)兩種酶共同介導。在HAT的作用下，乙酰輔酶A攜帶的乙酰基被轉移至組蛋白N末端的指定賴氨酸殘基上，與殘基所帶的正電荷相互抵消，DNA構象得以展開，使得核小體的結構松弛，進而促進DNA與促進轉錄因子和協同轉錄因子結合，激活特定基因的轉錄；而HDAC的功能則表現為消除賴氨酸殘基上乙酰基的作用，從而使組蛋白恢復正電性，同時增強帶負電的DNA與帶正電的組蛋白之間的作用力，于是轉錄調控元件無法接近啟動子，基因轉錄便被抑制。

組蛋白甲基化通常發生在組蛋白中的賴氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)殘基的側鏈N原子上，如H3的第4、27和36位和H4的第20位Lys以及H3的第2、17、26位和H4的第3位Arg都是甲基化的高發位點。組蛋白甲基化過程由組蛋白甲基化轉移酶(histonemethyl transferase, HMT)介導完成。賴氨酸殘基存在三種甲基化方式： 單甲基化、雙甲基化和三甲基化，而精氨酸的殘基只能發生單甲基化和雙甲基化。不同類型和程度的氨基酸甲基化使得組蛋白的修飾機制和調節基因表達的機制都變得更為復雜。研究表明，相關基因沉默與激活的程度可能與甲基化的個數相關。

2 組蛋白修飾與癌癥的發生

癌癥發生是由多種因素介導的多步驟過程，主要影響因素包括： 遺傳機制(genetic mechanism)和表觀遺傳機制(epigenetic mechanism)。組蛋白的修飾作用是其中一種調控基因表達的表觀遺傳機制。迄今為止，研究得較為深入的是組蛋白的甲基化和乙酰化修飾作用，其與許多癌癥的發生存在著緊密的聯系。

2.1 組蛋白修飾與甲狀腺癌 甲狀腺癌是一種發病率較高的甲狀腺惡性腫瘤，約占全身惡性腫瘤的1%，大多數甲狀腺癌的發生源于濾泡上皮細胞的癌變，組蛋白乙酰化狀態的失衡與甲狀腺癌的發生有著緊密的聯系。Puppin等[3]發現,與正常組織相比，甲狀腺癌細胞的組蛋白H3中第9～14以及18位(H3K9-K14和H3K18)賴氨酸的乙酰化水平都偏高，而如果阻斷細胞中H3K18的乙酰化，則正常細胞不會發生癌變。這一結果說明，組蛋白乙酰化是甲狀腺癌發生過程的早期事件。Moss等[4]發現，具有降低癌細胞浸潤與轉移能力的異染色質蛋白1β(heterochromatin protein 1β, HP1β)在甲狀腺癌晚期中表達水平下降。Xiao等[5]揭示，HDAC抑制劑辛二酰基二羥肟酸(SBA)和丙戊酸(VA)可以通過激活Notch1信號通路使HP1β表達上調，細胞周期蛋白依靠性激酶抑制劑P21表達提高，細胞周期蛋白D1減少，從而抑制甲狀腺癌細胞增長。Liao等[6]的研究表明： 抑制賴氨酸甲基轉移酶5A(lysinemethyltransferase5A，KMT5A)的生理活性可以誘導乳頭狀甲狀腺癌細胞發生G1/S期抑制，而KMT5A表達水平升高與甲狀腺乳頭狀癌的晚期病理(如甲狀腺腫大和淋巴結轉移)相關；通過抑制KMT5A的活性可以抑制甲狀腺癌細胞中參與脂質代謝的關鍵分子。可見，KMT5A可能是一種新的甲狀腺癌致瘤因子，也是一種甲狀腺癌脂質代謝的調節因子。

2.2 組蛋白修飾與乳腺癌 乳腺癌是一種惡性腫瘤，好發于乳腺上皮組織，為女性常見癌癥之一。研究表明，乳腺癌的發生機制之一可能是HDAC與相關啟動子的結合異常，從而引起調節癌細胞增殖和遷移的抑癌基因的轉錄抑制。組蛋白去乙酰化酶抑制劑(HDAiC)可以解除乳腺癌細胞中維甲酸受體-β(RARp)的轉錄抑制，從而恢復RARp抑制細胞癌變的功能。Yan等[7]發現，GSKJ4是一種有前景的治療乳腺癌的藥物，它通過抑制組蛋白去甲基轉移酶JMJD3和UTX的活性，保持甲基轉移酶EZH2活性不變，使組蛋白H3中第27位賴氨酸三甲基化水平提高，從而導致乳腺癌干細胞(BCSC)擴增和自我更新的能力的下降，實現對BCSC的抑制作用。周偉強等[8]研究了組蛋白乙酰化修飾對瘦素誘導的乳腺癌MDA-MB-231細胞生長產生的影響，發現瘦素誘導乳腺癌MDA-MB-231細胞增殖過程中，在HDAC的作用下核心組蛋白發生去乙酰化，乳腺癌細胞啟動子的表達受到抑制，促使細胞分裂從G1變為S期。八聚物結合轉錄因子4(OCT4)能夠幫助胚胎干細胞實現自我更新和重新編程體細胞以維持多能性。OCT4打亂細胞預定的分化計劃，有利于癌細胞進化成更具有侵略性的癌癥干細胞，在腫瘤的轉化中有重要意義。例如，研究發現，組蛋白H3中第4位賴氨酸三甲基化和第9位賴氨酸甲基化及第10位絲氨酸磷酸化在啟動子區域富集，使OCT4在乳腺癌細胞系中過度表達，會導致癌細胞增殖和轉移能力的提高，以及誘導凋亡率急劇下降。以上結果表明組蛋白修飾是誘發OCT4過度表達和乳腺癌發生的決定性因素[9]。

2.3 組蛋白修飾與胃癌 胃癌是世界上第四種常見的惡性腫瘤，也是全球癌癥死亡的第二大原因，其病死率極高。據統計，我國2015年死于胃癌的患者高達49.8萬。Fehri等[10]發現，幽門螺桿菌可以降低組蛋白H3中絲氨酸10(H3S10)磷酸化水平，導致細胞周期發生改變，誘發胃癌。Mitani等[11]分析了29例的胃癌組織樣本，結果表明胃癌細胞中組蛋白H3乙酰化水平提高可以誘導抑癌基因p21(WAF1/CIP1)的轉錄和翻譯。相反，若乙酰化水平降低，則該抑癌基因的表達受到抑制。與此相似，Chen等[12]的研究也發現組蛋白去乙酰化可以抑制抑癌基因RhoE的表達。此外，Mutze等[13]進一步分析了127例的胃癌組織標本，發現在胃癌細胞中，兩種組蛋白去乙酰化酶HDAC1和HDAC2均有著較高水平的表達，均可抑制抑癌基因的表達。

2.4 組蛋白的修飾與肝癌 肝癌是全球癌癥死亡的主要原因之一，分為原發性肝癌和繼發性肝癌兩種。前者在中國的發病率高，危害巨大。該病情進展迅猛，早期難以準確診斷。研究表明，組蛋白低乙酰化和甲基化均與肝癌的發生密切相關。Wei等[14]發現組蛋白甲基轉移酶G9a(又名全色組蛋白-賴氨酸N-甲基轉移酶2,EHMT2)的表達在人類肝癌中經常上調，其與肝癌進展和侵襲性臨床病理特征顯著相關。G9a作用于視黃酸受體應答因子3(RARRES3)，促使其表達沉默，促進了肝癌的發生。Wang等[15]發現，肝癌細胞中組蛋白H3呈現低乙酰化狀態，并且肝癌轉移細胞中H3乙酰化的水平下調更加明顯。An等[16]發現脫甲基酶(JMJD2A)在體外和體內均能加速肝癌細胞的惡性進展，其作用機制如下： JMJD2A促進基因pre-miR372的表達，miR372阻止相關內含子的切除并形成JMJD2A的新轉錄物。此外，JMJD2A還能通過降低組蛋白H3中第27位賴氨酸三甲基化活性來抑制基因p21(WAF1/CIP1)的表達。因此，JMJD2A可以通過抑制該抑癌基因來增強絲氨酸/蘇氨酸激酶Pim1的轉錄，增加Pim1的表達，促進視網膜母細胞瘤抑制蛋白pRB、細胞周期蛋白依賴性激酶2(CDK2)和細胞周期蛋白E(CyclinE)之間的相互作用，從而促進細胞骨髓細胞瘤病癌基因(C-myc)的轉錄和翻譯，導致癌癥的發生。這一結果表明，JMJD2A或可以用作肝癌的新型治療靶標。

2.5 組蛋白修飾與卵巢癌 卵巢癌是一種致命的婦科惡性腫瘤，死亡率在各類婦科腫瘤中排名第一，嚴重威脅女性的健康。研究發現，賴氨酸特異性去甲基化酶1(LSD1)與上皮細胞鈣粘蛋白E-cadherin啟動子和該區域的去甲基化組蛋白H3中第四位賴氨酸相互作用，下調E-cadherin的表達，從而增強卵巢癌細胞遷移。與上述發現相似，Chung等[17]的研究表明，轉錄因子GRHL2(grainyheadas 2)的缺失增加了E-cadherin基因的啟動子與GRHL2結合位點的組蛋白三甲基化水平，有利于維持正常的上皮細胞表型，阻止其分化為卵巢癌細胞。Kuang等[18]對比分析了正常、良性、交界性和惡性卵巢組織樣品中賴氨酸特異性去甲基化酶2B(KDM2B)和組蛋白甲基轉移酶(EZH2)增強子的mRNA和蛋白質水平，發現KDM2B在卵巢腫瘤中的表達逐漸增加，且與卵巢組織中EZH2表達呈正相關。該結果表明，KDM2B在卵巢癌的腫瘤發生中起著重要的作用，其可能的機制是增加致癌基因的表達，促進卵巢癌細胞的增殖和遷移。另有研究對組蛋白H1的一種變體H1.3在卵巢癌細胞中的影響進行了觀察，結果發現H1.3可能為非編碼癌基因H19的特異性阻遏物。H1.3過度表達導致H19在包含印跡控制區域的H19調節子區域占據增加，顯著抑制H19表達，這有助于抑制上皮性卵巢癌發生。

2.6 組蛋白修飾與結直腸癌 結腸和直腸癌(CRC)是常見的消化系統惡性腫瘤之一，病程早期無明顯性狀表現，晚期會表現出貧血、體重減輕等不良癥狀，其發病率和病死率都比較高。Mitani等對人結腸癌細細胞系和人直腸癌細胞系進行研究，發現這些癌細胞中組蛋白乙酰化水平相比正常細胞上調明顯，p21(WAF1/CIP1)等抑癌基因的表達受到抑制，細胞周期停滯于G1期。Chen K[19]等研究了一大批結直腸癌(CRC)樣本和細胞系中新型組蛋白甲基轉移酶SETDB1的表達。研究結果表明，SETDB1在多數CRC組織和細胞系中高度表達；此外，SETDB1表達的上調促進了CRC細胞在體外和體內的增殖和遷移，CRC患者的生存率呈負相關。CRC的其他研究表明，組蛋白修飾如H3K56ac、 H3k9me2和H3K27me3有可能成為CRC的預后指標。與此相似，H3K9me3和H4K20me3的表達水平下調可作為CRC早期診斷的生物標志物。

2.7 組蛋白修飾與肺癌 肺癌是近些年來發病率和死亡率增長最快的惡性腫瘤，對人們的健康造成了嚴重的威脅。對肺癌細胞的臨床分析表明： 組蛋白H3第9位(H3K9)賴氨酸殘基的乙酰化或三甲基化和H4第16位(H3K16)賴氨酸殘基乙酰化與肺癌的復發密切相關。在肺癌的早期進程中可以觀察到： ①組蛋白H4第5以及8位(H4K5和H4K8)賴氨酸的乙酰化和H4第12以及16位(H4K12和H4K16)的賴氨酸的去乙酰化；低表達水平的H4第20位(H4K20)賴氨酸的三甲基化，且隨著病程進一步發展，H4K20me3的表達量持續下降；②組蛋白甲基轉移酶G9a通過抑制細胞黏附分子Ep-CAM的活性，促進肺癌的侵襲和轉移；③G9a在侵襲性肺癌細胞中的表達上調，其升高的表達與預后不良有關，而通過一定的調節方式使得G9a的表達下調，可以抑制體外肺癌細胞遷移和侵襲以及在體內的轉移。

3 總結與展望

組蛋白修飾是表觀遺傳學研究的一大重要領域，其表達異常與功能受損和各種癌癥的發生和發展密不可分。組蛋白修飾的深入研究不僅有利于癌癥發生機制的闡明，并且對于不同癌癥的前期診斷及預后治療也有積極意義。往往多個抑癌基因同時發生變異才會導致癌癥的發生，因此若想有效抑制癌癥的發生，僅僅針對某個基因的治療是不夠的。下一步藥物開發新的靶點可能就在于提高生物基因組的穩定性，而聯合使用表觀基因藥物和基因藥物將成為癌癥治療的新方法。