表觀遺傳學與腫瘤

1、表觀遺傳學與腫瘤7009021 楊豪前言： 本文通過表觀遺傳學的基本知識的介紹，結合表觀遺傳學在人類疾病中的作用，重點介紹表觀遺傳學在人類腫瘤疾中的相干知識。正文：表觀遺傳學是基因的DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因的表達水平與功能發(fā)生改變，并產生可遺傳的表型。不依賴與DNA序列的遺傳現(xiàn)象。經(jīng)典遺傳學認為遺傳的分子基礎是核酸, 生命的遺傳信息儲存在核酸的堿基序列上, 堿基序列的改變會引起生物體表現(xiàn)型的改變, 而這種改變可以從上一代傳遞到下一代。然而, 隨著遺傳學的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn), DNA、組蛋白、染色質水平的修飾也會造成基因表達模式的變化, 并且這種改變是可以遺傳的。這種基因結構沒有變化, 只

2、是其表達發(fā)生改變的遺傳變化叫表觀遺傳改變。表觀遺傳學是一門研究生命有機體發(fā)育與分化過程中, 導致基因發(fā)生表觀遺傳改變的新興學科。它的主要論點是, 生命有機體的大部分性狀是由DNA 序列中編碼蛋白質的基因傳遞的, 但是DNA 序列以外的化學標記編碼的表觀遺傳密碼, 對于生命有機體的健康及其表型特征, 同樣也有深刻的影響。鑒于表觀遺傳信息能夠明顯地影響生命有機體的健康及表型特征, 其中有一部分甚至可以從親代傳給子代, 而且它們基本的DNA 序列也沒有改變, 所以人們也稱表觀遺傳信息為表觀遺傳標記。 表觀遺傳學主要包括DNA 甲基化作用、組蛋白修飾作用、染色質重塑、遺傳印記、隨機染色體( X) 失活

3、及RNA世界等。與表觀遺傳學相關的疾病主要有腫瘤、心血管病、精神病和自身免疫系統(tǒng)性病等表觀遺傳修飾：表觀遺傳修飾可以劃分為五種類型:DNA的生化修飾, 如高等真核細胞基因組CpG島中胞嘧啶的甲基化修飾作用；中心組氨酸蛋白的修飾, 即組氨酸尾部特異殘基上的生化修飾。不同類型的組氨酸的改變, 染色體中組氨酸及其不同亞基組分的改變與一個給定基因座位的轉錄狀態(tài)有密切的關系。DNA環(huán)化及形成自身構像，DNA環(huán)化被認為與給定基因座位表達的調控因子的作用密切相關。高度有序的染色質結構, 基因的表達要求轉錄因子與調控順序結合, 它不僅與核小體的狀態(tài)有關, 也涉及基因所在的染色質區(qū)段的高級結構。當染色質處在致密

4、收縮狀態(tài)時, 轉錄因子無法與染色質包裹的DNA接觸,，基因被關閉。1 DNA 甲基化異常與腫瘤發(fā)生DNA 甲基化修飾在腫瘤形成和發(fā)展中扮演重要角色，這里所指的DNA 異常甲基化可分為高甲基化和低甲基化，前者指正常組織細胞中DNA 不發(fā)生甲基化的位點被甲基化，后者是指在正常組織細胞中應發(fā)生甲基化的位點去甲基化。1.1 DNA 低甲基化導致腫瘤的發(fā)生1.1 1 增加基因組的不穩(wěn)定性對人類腫瘤的研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細胞整個基因組中普遍存在 低甲基化。廣泛的低甲基化可引起染色質結構的改變，使染色質凝聚程度降低，增加基因組的不穩(wěn)定性，從而導致腫瘤的發(fā)生。正常細胞染色體著絲粒上的衛(wèi)星DNA 序列都是呈高甲基化狀

5、態(tài)的， 但在許多腫瘤模型中都觀察到高頻率(4090)出現(xiàn)的低甲基化的衛(wèi)星DNA序列。由于衛(wèi)星DNA 序列約占基因組的10左右，可以認為該序列的低甲基化是導致腫瘤細胞中基因組整體水平低甲基化的主要原因之一。這種廣泛的低甲基化是基因組和染色體不穩(wěn)定的基礎。1.1 2 導致轉座子的異常表達有研究證明， 動物腫瘤細胞中， 中等程度和高頻繁的DNA 重復序列中5-甲基胞嘧啶的含量大幅度減少(約減少3040)7。這些DNA 重復序列主要為轉座子。在正常情況下，轉座子呈甲基化狀態(tài)而轉錄關閉，但在腫瘤細胞中，轉座子 因低 甲基化而被激活， 可轉移至其他位點引起突變。長散在元件1(LINE-1) 作為轉座子之被

6、證實在許多腫瘤細胞中，其甲基化程度較正常組織有所降低。LINE - 1 低甲基化可促進其發(fā)生轉錄， 同時也為它提供了轉座和再結合的機會。事實上，在變性細胞中外源性的LINE-1 表達都是伴隨著LINE-1 轉座而發(fā)生的。1.1 3 造成基因印記的丟失哺乳動物某些組織和細胞中，控制某一表型的一對等位基因由于 親 源不同而差異性表達，即機體只表達來自親本一方的等位基因，而另一方不表達或很少表達，這就稱為基因組印記。其中父(母)系等位基因不表達者，就稱為父(母)系印記。人類基因組中有約上百個基因的兩個等位基因中只有一個是表達的，何者表達取決于其遺傳自父方或者母方。胰島素樣生長因子2(IGF2)就是其

7、中之一，該基因只在來源于父系的等位基因上獲得表達(母系印記)。IGF2 在母系等位基因呈甲基化狀態(tài)不表達。在父系等位基因 呈去甲基化狀態(tài)而表達。當IGF2 被印記的母系等位基因發(fā)生去甲基化后，則會使之活化，稱為印記丟失。這會造成原本不表達的等位基因也出現(xiàn)了表達，從而可導致腫瘤的發(fā)生。研究顯示許多腫瘤中都存在IGF2 基因印記丟失，95 的病例與母方IGF2 基因的印記丟失有關。1.2 DNA 高甲基化導致腫瘤的發(fā)生基因啟動子區(qū)的Cp G島在正常狀態(tài)下一般是非甲基化的， 當其發(fā)生甲基化時，常導致基因轉錄沉寂， 使一些重要基因如抑癌基因、DNA 修復基因等喪失功能，從而導致正常細胞的生長分化調控失

8、常以及DNA 損傷不能被及時修復， 這與多種腫瘤形成密切相關。發(fā)生在抑癌基因啟動子及附近區(qū)域的DNA 甲基化可直接阻礙轉錄因子AP-2、c-M y c M y n、CREB、E2F 和NF-B 與啟動子結合，從而使抑癌基因不能轉錄或轉錄水平降低。同時基因5 端調控序列甲基化后能與特定甲基化Cp G 序列結合蛋白(methylCp G binding proteins，MB Ps)結合，間接地阻止轉錄因子與啟動子形成轉錄復合體。因此，抑癌基因啟動子區(qū)DNA 高甲基化可導致該基因的失活， 從而誘發(fā)腫瘤的發(fā)生。2 組蛋白修飾與腫瘤發(fā)生組蛋白的N 末端可通過乙?；⒓谆?、磷酸化、泛 素化等進行翻譯后

9、修飾， 其中以乙酰化和甲基化修飾尤為重要。組蛋白乙?；癄顟B(tài)受組蛋白乙?；?H A T s) 和組蛋白去乙?；?H D A C s)雙重調節(jié)。修飾部位可發(fā)生在N 端保守。的賴氨酸殘基上， 如組蛋白H3 Lys9、14、18、23 及H4 Lys5、8、12、16。組蛋白乙?；癁橐?可逆過程，乙酰化和去乙?；膭討B(tài)平衡影響染色質的結構和基因表達。HAT 將乙酰輔酶A 上的疏水乙?；D移到組蛋白的N 端賴氨酸殘基，中和掉一個正電荷，使DNA 與組蛋白之間相互作用減弱，染色質呈轉錄活性結構，DNA 易于解聚、舒展， 有利于轉錄因子與DNA 模板相結合從而激活轉錄； 而HDAC 通過組蛋白N 端的去

10、乙酰化，使組蛋白帶正電荷，從而與帶負電荷的DNA 緊密結合，染色質呈致密卷曲的阻抑結構，抑制轉錄。通常認為組蛋白氨基末端賴氨酸殘基的高乙?；c染色質松散及基因轉錄激活有關，而低乙?；c基因沉默或抑制有關。研究表明，HDAC 異常結合到特定的啟動子區(qū)從而抑制正常功能基因的轉錄可能是惡性腫瘤發(fā)生的制之一。在急性早幼粒細胞白血病中由于染色體易位形成維甲酸受體a(RA Re)融合蛋白(PML-R AR a 或PLZF-RA R a)，與含有HDAC 的輔抑制復合物相互作用，造成維甲酸受體a 靶基因的轉錄抑制，致使粒細胞成熟障礙導致白血病的發(fā)生15。BRCA1 蛋白通過募集H D A Cs 于配體非依賴

11、性的雌激素受體(E Ra) 基因的啟動子區(qū)，導致雌激素受體基因的轉錄抑制，從而導致乳腺癌及卵巢 癌的發(fā)生。因此，由HAT 和HDAC 異常引起的組蛋白乙?；氖Ш饪捎绊懻９δ艿幕虮磉_，導致腫瘤的發(fā)生。甲基化也是組蛋白修飾的重要方式，組蛋白甲基化位點多位H3、H4 的賴氨酸和精氨酸殘基上。組蛋白甲基化修飾可調節(jié)相應位點的基因表達及維持染色質結構，一個組蛋白上的賴氨酸殘基最多可被3 個 甲基修飾，通過不同位置的甲基化標記可以判斷基因是被激活還是被抑制， 如H3-K9？H4-K20 甲基化與基因沉默有關， 而H3-K4、K36、K79 甲基化卻可以使基因活化。組蛋白甲基化和DNA 甲基化可聯(lián)合作

12、用共同參與抑癌基因沉默而誘發(fā)腫瘤。3 染色質重塑與腫瘤的發(fā)生染色質重塑(remodeling)是指染色質位置、結構的變化，主要包括緊縮的染色質絲在核小體連接處發(fā)生松動造成染色質的解壓縮，從而暴露了基因轉錄啟動子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用因子與之的結合提供了可能18。染色體重塑的過程由兩類結構所介導：ATP 依賴型的核小體重塑復合體和組蛋白共價修飾復合體。前者通過水解的作用改變核小體構型； 后者則對核心組蛋白N 末端尾部的共價修飾進行催化。這種修飾直接影響核小體的結構，并為其他蛋白提供了和DNA 作用的結合位點L2519。動態(tài)的染色質重塑是大多數(shù)以DNA 為模板的生物學過程的基礎，比如基因的

13、轉錄、DNA的復制與修復、染色體的濃縮以及分離和細胞凋亡，而這些生物學過程的混亂都與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展直接相關。因此，染色質重塑不僅僅能夠調節(jié)基因的轉錄，同時還參與了與腫瘤發(fā)生密切相關的那些最基礎的細胞生理過程。但是，不同的染色質重塑能夠導致不同的腫瘤，這又提示我們這些生理過程并不是獨立地起作用。盡管有大量的數(shù)據(jù)顯示不同的染色質重塑途徑之間存在著相互作用，但是這些。途徑之間的確切關系，尤其是它們在腫瘤發(fā)生過程中的確切關系，仍然有待于人們去進一步地探索。4 非編碼RNA 與腫瘤真核生物體內一類重要的非編碼RNA 就是mi RNA。Mi RNA 是一類長約22 nt 的單鏈RNA 分子，廣泛存在于從

14、植物、線蟲、人類的細胞中。miRNA 的生成起始于Pri- mi RNA(由編碼mi RNA 的基因轉錄生成，長度為幾百到幾千個核苷酸)的產生；隨后pri- mi RNA 在核內被RNa se 核酸酶加工成長約70 nt 的發(fā)夾pre-mi RNA；最后pre-mi RNA 在RanGTP 依賴的核質 細胞質轉運蛋白exportin 5 的作用下，從核內運輸?shù)桨|中；胞質中在Dicer 酶的作用下，pre-miRNA 被切割成雙鏈的miRNA(miRNA 配對分子)，然后成熟的miRNA分子被解鏈， 單鏈的miRNA 進入一個核糖蛋白復合體miRNP(也稱為RISC)，通過與靶基因的3 UTR

15、 區(qū)互補配對，指導miRNP 復合體對靶基因mRNA 進行切割或翻譯抑制。miRNA 與腫瘤形成、癌癥發(fā)生密切相關。有研究顯示，淋巴瘤中miRNA 的一類miR17-92 可能是潛在的致癌基因，并且轉錄因子cMyc 能夠調節(jié)miRNA21；通過對來自肺部、胸部、胃部、前列腺、結腸和胰腺等處的540 份癌細胞樣品進行分析，人們發(fā)現(xiàn)了由過量表達的部分mi R NAs 組成的實體癌癥miRNA 信號， 其中包括miR-17-5p、miR-20a、miR-21、miR-92、miR-106a 和miR-155。除此之外，還通過對遺傳性非息肉性結、直腸癌發(fā)生過程中的miRNA 變化情況進行了研究，發(fā)現(xiàn)了

16、一些可能在遺傳性非息肉性結、直腸癌發(fā)生、發(fā)展中起重要作用的miRNA， 同樣說明了miRNA 在癌癥的發(fā)病機制中發(fā)揮著重要的作用。腫瘤表觀遺傳學機制貫穿腫瘤發(fā)生、發(fā)展的整個過程，并具有一定的廣泛性和組織特異性，因此對腫瘤的表觀遺傳學進行深入的研究對腫瘤的臨床診斷、治療和預防都具有重要的指導意義?？傊?，盡管腫瘤表觀遺傳學得研究進展十分迅速，仍有許多分子機制和人類腫瘤發(fā)生演進的關系有待更深入的了解，表觀遺傳學的研究為進一步了解，表觀遺傳學的研究為進一步了解腫瘤各種特性，優(yōu)化腫瘤的早期診斷，豐富腫瘤的治療方式，改善腫瘤的預后提供新的策略，具有重要的臨床治療意義。參考文獻： 生物技術通報2011年第1期表觀遺傳學研究進展表觀遺傳學遺