表觀遺傳學(xué)論文

SA8000標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證對(duì)紹興縣紡織品企業(yè)的影響分析及其對(duì)策PAGEPAGE6目錄1表觀遺傳學(xué)概述…………………22腫瘤的發(fā)生與表觀遺傳學(xué)………22.1DNA甲基化修飾…………………32.2組蛋白乙?；揎棥?2.3染色體重塑…………42.4非編碼RNA…………43腫瘤診斷與表觀遺傳學(xué)……………53.1DNA甲基化與腫瘤診斷………………53.2組蛋白修飾與腫瘤診斷………………54腫瘤治療與表觀遺傳學(xué)……………64.1DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶抑制劑與腫瘤治療……………64.2組蛋白去乙酰化酶抑制劑與腫瘤治療………………65應(yīng)用前景……………6表觀遺傳學(xué)與腫瘤林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院生物科學(xué)102鐘瑩瑩摘要：表觀遺傳學(xué)是指不須要基因序列改變而產(chǎn)生的可遺傳的基因表達(dá)改變。表觀遺傳學(xué)的機(jī)制主要包括DNA甲基化修飾和組蛋白氨基酸的末端修飾。近年來(lái)，隨著人們對(duì)表觀遺傳學(xué)認(rèn)識(shí)的深入，尤其是DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制物、組蛋白乙酰化抑制劑等在治療腫瘤患者的成功臨床應(yīng)用，表觀遺傳學(xué)逐漸成為腫瘤研究的熱點(diǎn)。主要對(duì)DNA甲基化和組蛋白修飾兩種表觀遺傳修飾的分子調(diào)控機(jī)制與腫瘤的發(fā)生、診斷和治療作一綜述。關(guān)鍵詞：表觀遺傳學(xué)；腫瘤；DNA甲基化；組蛋白乙?；北碛^遺傳學(xué)概述表觀遺傳的概念是1942年由Waddington提出的。目前，表觀遺傳被定義為DNA序列發(fā)生變化但基因表達(dá)卻發(fā)生了可遺傳的改變，也就是說(shuō)基因型未變化而表型卻發(fā)生了改變。這種變化是細(xì)胞內(nèi)除了遺傳信息以外的其他可遺傳物質(zhì)的改變，并且這種改變?cè)诎l(fā)育和細(xì)胞增殖過(guò)程中能穩(wěn)定地傳遞下去。該表現(xiàn)型變化因沒(méi)有直接涉及基因的序列信息，因而是“表觀”的，稱為表觀遺傳修飾，又叫表觀遺傳變異。于是，遺傳學(xué)的研究又開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域——表觀遺傳學(xué)。表觀遺傳對(duì)人體組織中多種類(lèi)型細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化都是至關(guān)重要的，像X染色體失活等一些正常細(xì)胞生理過(guò)程都是由表觀遺傳決定。包括腫瘤細(xì)胞在內(nèi)，表觀遺傳在控制細(xì)胞行為方面扮演著重要的角色。表觀遺傳修飾主要包括DNA以及一些與DNA密切相關(guān)的蛋白質(zhì)(例如組蛋白)的化學(xué)修飾，另外，某些非編碼的RNA也在表觀遺傳修飾中起著重要的作用。因此，表觀遺傳修飾能從多個(gè)水平上調(diào)控基因的表達(dá)：在DNA水平，DNA共價(jià)結(jié)合修飾基團(tuán)，使序列相同的等位基因處于不同修飾狀態(tài)，如DNA甲基化；在蛋白質(zhì)水平，通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)的修飾或改變其構(gòu)象實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控，如組蛋自修飾；在染色質(zhì)水平，通過(guò)染色質(zhì)位置、結(jié)構(gòu)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控，如染色質(zhì)重塑；在RNA水平，非編碼RNA可通過(guò)某些機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)基因轉(zhuǎn)錄以及轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，如RNA干擾等。以上幾個(gè)水平之間相互關(guān)聯(lián)，任何一方面的異常都將影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)。２腫瘤的發(fā)生與表觀遺傳學(xué)２.１DNA甲基化修飾以DNA甲基化(methylation)為代表的表觀遺傳修飾在腫瘤細(xì)胞中經(jīng)常發(fā)生改變。DNA甲基化是目前研究得最清楚，也是最重要的表觀遺傳修飾形式。在腫瘤形成過(guò)程中，DNA甲基化的模式發(fā)生了巨大變化，包括整個(gè)基因組的去甲基化和部分區(qū)域高度甲基化2種現(xiàn)象。正常細(xì)胞內(nèi)，啟動(dòng)子區(qū)的胞嘧啶一磷酸一鳥(niǎo)嘌呤(CpG)島呈非甲基化狀態(tài)，而大部分散在分布的CpG二核苷酸多發(fā)生甲基化。腫瘤中，常伴隨基因組整體甲基化水平降低和某些基因CpＧ島區(qū)域甲基化水平異常升高(如抑癌基因)，而且這2種變化可以在一種腫瘤中同時(shí)發(fā)生(見(jiàn)圖1)?；蚪M整體甲基化水平降低，可導(dǎo)致原癌基因活化、轉(zhuǎn)座子的異常表達(dá)、基因組不穩(wěn)定等，這些因素促進(jìn)了腫瘤的發(fā)生；基因啟動(dòng)子區(qū)的CpG島發(fā)生異常高甲基化，可導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄沉默，使重要基因如抑癌基因、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)基因、凋亡基因等表達(dá)極度降低或不表達(dá)，進(jìn)而也促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的形成(見(jiàn)圖1)。圖1腫瘤細(xì)胞中的DNA甲基化異常研究發(fā)現(xiàn)，任何腫瘤都可能存在由于異常甲基化而造成多途徑的失活，導(dǎo)致相應(yīng)的功能異常。如：在處于肺癌前病變的支氣管標(biāo)本中，檢測(cè)到了P16基因的甲基化，并且該基因的甲基化狀態(tài)與免疫組化得到的p16蛋白失表達(dá)表達(dá)相關(guān)。２.２組蛋白乙?；揎桪NA以染色質(zhì)的形式存在于細(xì)胞核中，染色質(zhì)通常由DNA、組蛋白、非組蛋白以及少量RNA包裝而成．而組蛋白是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)蛋白。組蛋白的N2末端可以發(fā)生多種共價(jià)修飾作用，其中乙?；顬橹匾?。通常認(rèn)為，組蛋白氨基末端賴氨酸殘基的高乙?；c染色質(zhì)松散及基因轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)，而低乙?；c基因沉默或抑制有關(guān)。研究表明，組蛋白H4PINX1基因位點(diǎn)的雜合性丟失和PINX1基因5端非轉(zhuǎn)錄區(qū)的低乙酰化與胃癌中PINX1基因表達(dá)下降有關(guān)。組蛋白乙?；?HAT)和組蛋白去乙?；?HDAC)是組蛋白乙?；年P(guān)鍵酶，決定著組蛋白的乙酰化程度，參與腫瘤異常基因表達(dá)。HAT能把乙酰輔酶A的乙?；D(zhuǎn)移到組蛋白N端特定的賴氨酸殘基上，中和它所帶的正電荷，使染色質(zhì)松解，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。HDAC能水解乙酰化賴氨酸，使其脫乙?；?，抑制基因轉(zhuǎn)錄。在研究HDAC抑制劑與頭頸部腫瘤的關(guān)系時(shí)，用丁酸鈉、組蛋白去乙?；敢种苿┣乓志谹(TSA)等處理源白頭頸部的腫瘤細(xì)胞株發(fā)現(xiàn)，其中有1株細(xì)胞處理后細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變，生長(zhǎng)抑制，并抑制其在軟瓊脂上克隆的形成。組蛋白去乙酰化酶抑制劑(histonedeacetylaseinhibitors，HDACIs)通過(guò)抑制HDAC的功能，使高乙?；M蛋白聚集，從而增加常染色體中乙酰化組蛋白的含量，并部分改變基因的轉(zhuǎn)錄活性，促使特定基因活化表達(dá)。２.３染色體重塑染色質(zhì)重塑是指染色質(zhì)位置、結(jié)構(gòu)的變化，主要包括緊縮的染色質(zhì)絲在核小體連接處發(fā)生松動(dòng)造成染色質(zhì)的解壓縮，從而暴露了基因轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用因子與之的結(jié)合提供了可能。染色體重塑的過(guò)程由兩類(lèi)結(jié)構(gòu)所介導(dǎo)：ATP依賴型的核小體重塑復(fù)合體和組蛋白共價(jià)修飾復(fù)合體。前者通過(guò)水解的作用改變核小體構(gòu)型；后者則對(duì)核心組蛋白N末端尾部的共價(jià)修飾進(jìn)行催化。這種修飾直接影響核小體的結(jié)構(gòu)，并為其他蛋白提供了和DNA作用的結(jié)合位點(diǎn)L25。動(dòng)態(tài)的染色質(zhì)重塑是大多數(shù)以DNA為模板的生物學(xué)過(guò)程的基礎(chǔ)，比如基因的轉(zhuǎn)錄、DNA的復(fù)制與修復(fù)、染色體的濃縮以及分離和細(xì)胞凋亡，而這些生物學(xué)過(guò)程的混亂都與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展直接相關(guān)。因此，染色質(zhì)重塑不僅僅能夠調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄，同時(shí)還參與了與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)的那些最基礎(chǔ)的細(xì)胞生理過(guò)程。但是，不同的染色質(zhì)重塑能夠?qū)е虏煌哪[瘤，這又提示我們這些生理過(guò)程并不是獨(dú)立地起作用。２.４非編碼RNA真核生物體內(nèi)一類(lèi)重要的非編碼RNA就是miRNA。miRNA是一類(lèi)長(zhǎng)約22nt的單鏈RNA分子，廣泛存在于從植物、線蟲(chóng)、人類(lèi)的細(xì)胞中。miRNA的生成起始于pri—miRNA(由編碼miRNA的基因轉(zhuǎn)錄生成，長(zhǎng)度為幾百到幾千個(gè)核苷酸)的產(chǎn)生；隨后pri～miRNA在核內(nèi)被RNasem核酸酶加工成長(zhǎng)約70tit的發(fā)夾狀pre—miRNA；最后pre—miRNA在Ran、GTP依賴的核質(zhì)／細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白expo~in5的作用下，從核內(nèi)運(yùn)輸?shù)桨|(zhì)中；胞質(zhì)中在Dicer酶的作用下，pre—miRNA被切割成雙鏈的miRNA(miRNA配對(duì)分子)，然后成熟的miRNA分子被解鏈，單鏈的miRNA進(jìn)入一個(gè)核糖蛋白復(fù)合體miRNP(也稱為RISC)，通過(guò)與靶基因的3UTR區(qū)互補(bǔ)配對(duì)，指導(dǎo)miRNP復(fù)合體對(duì)靶基因mRNA進(jìn)行切割或翻譯抑制。通過(guò)對(duì)來(lái)自肺部、胸部、胃部、前列腺、結(jié)腸和胰腺等處的540份癌細(xì)胞樣品進(jìn)行分析，人們發(fā)現(xiàn)了由過(guò)量表達(dá)的部分miRNAs組成的實(shí)體癌癥miRNA信號(hào)，其中包括miR～17—5p、miR一20a、miR一21、miR一92、miR一106a和miR一155。除此之外，還通過(guò)對(duì)遺傳性非息肉性結(jié)、直腸癌發(fā)生過(guò)程中的miRNA變化情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了一些可能在遺傳性非息肉性結(jié)、直腸癌發(fā)生、發(fā)展中起重要作用的miRNA，同樣說(shuō)明了miRNA在癌癥的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著重要的作用。３腫瘤診斷與表觀遺傳學(xué)３.１DNA甲基化與腫瘤診斷腫瘤發(fā)生時(shí)常出現(xiàn)不同程度的DNA甲基化改變，因此通過(guò)對(duì)啟動(dòng)子區(qū)高甲基化CpG島的檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)因DNA甲基化沉默的抑癌基因，這已成為一種尋找腫瘤相關(guān)基因的新方法。該技術(shù)的原理主要是通過(guò)重亞硫酸鈉修飾，將目的序列中未甲基化狀態(tài)的胞嘧啶脫氨基轉(zhuǎn)變成尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，然后樣品經(jīng)DNA測(cè)序技術(shù)或PCR技術(shù)等對(duì)甲基化胞嘧啶進(jìn)行特異性分析，達(dá)到檢測(cè)甲基化胞嘧啶的目的。DNA異常甲基化的檢測(cè)用于腫瘤的診斷主要包括3個(gè)方面：(1)CpG島異常甲基化可以通過(guò)腫瘤細(xì)胞的活組織或者是腫瘤來(lái)源的DNA來(lái)檢測(cè)；(2)CpG島甲基化異常，可作為腫瘤的診斷、化療反應(yīng)及預(yù)后復(fù)發(fā)的一種標(biāo)志物；(3)在非癌性組織中CpG島異常甲基化可作為腫瘤危險(xiǎn)評(píng)估的一種標(biāo)志物。在1970年就有研究報(bào)道，在癌癥患者的血清／血漿中存在腫瘤來(lái)源的DNA。這些游離的DNA主要來(lái)自于腫瘤細(xì)胞的壞死和凋亡有許多研究者分別從頭頸部癌、肺癌、肝癌、胃癌、結(jié)腸癌、胰腺癌、乳腺癌及前列腺癌等患者的腫瘤組織、血清以及分泌物和排泄物中同時(shí)檢測(cè)出了某些腫瘤相關(guān)基因的啟動(dòng)子甲基化。檢測(cè)血漿、血清、痰、尿液等體液中腫瘤DNA高甲基化提供了一種方便、快捷、特異和無(wú)創(chuàng)的分子生物學(xué)檢測(cè)手段，解決了由于獲取腫瘤組織不便所引起的困難，有利于腫瘤的早期診斷和預(yù)后監(jiān)測(cè)，但其臨床應(yīng)用價(jià)值還有待于大樣本的進(jìn)一步研究。在正常組織及癌前病變組織中發(fā)現(xiàn)表觀遺傳中的DNA甲基化異常，有可能成為監(jiān)測(cè)正常細(xì)胞向腫瘤細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化的生物學(xué)指標(biāo)，并為預(yù)測(cè)腫瘤的惡變提供一種新的診斷方法。３.２組蛋白修飾與腫瘤診斷近幾年關(guān)于腫瘤中組蛋白修飾的研究都集中在一些特異的抑癌基因上，如啟動(dòng)子區(qū)的組蛋白修飾異常(如組蛋白低乙酰化)導(dǎo)致的抑癌基因沉默。但是單個(gè)抑癌基因的改變不足以用于臨床腫瘤的診斷，且其研究方法復(fù)雜，難以在臨床上廣泛應(yīng)用。近來(lái)研究報(bào)道組蛋白修飾酶除對(duì)特異基因的啟動(dòng)子區(qū)作用參與基因表達(dá)調(diào)控外，對(duì)整個(gè)基因組染色質(zhì)包括編碼區(qū)和非啟動(dòng)子區(qū)都有作用，稱為整體組蛋白修飾。在這種整體組蛋白修飾過(guò)程中，蛋白修飾酶對(duì)作用的底物也有高度特異性，如對(duì)組蛋白亞型及其末端的氨基酸殘基位點(diǎn)的特異選擇。這種整體組蛋白修飾異常與腫瘤的發(fā)生及其預(yù)后有密切的關(guān)系。Seligson等利用免疫組織化學(xué)的方法檢測(cè)前列腺癌中組蛋白H3K9Ac、H3K18Ac、H3K4diMe、H4K12Ac、H4R3diMe的表達(dá)發(fā)現(xiàn)，H3K9Ac、H3K18Ac、H3K4diMe、H4K12Ac、H4R3diMe的表達(dá)越低，患者的復(fù)發(fā)率越高；而H3K9Ac、H3K18Ac、H3K4diMe、H4K12Ac、H4R3diMe的表達(dá)越高，患者復(fù)發(fā)率越低。因此，特異位點(diǎn)的組蛋白修飾異?？梢宰鳛榘┌Y患者的一種新的預(yù)后指標(biāo)，但對(duì)于不同的腫瘤究竟有哪些組蛋白特異位點(diǎn)的修飾改變及其對(duì)臨床診斷及預(yù)后判斷的價(jià)值有待于進(jìn)一步深入探討。4腫瘤治療與表觀遺傳學(xué)4.１DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶抑制劑與腫瘤治療與基因突變不同，腫瘤發(fā)生中DNA甲基化等表觀遺傳學(xué)改變是可以逆轉(zhuǎn)的。因此，在腫瘤和癌前病變中通過(guò)去甲基化處理可以恢復(fù)某些關(guān)鍵性抑癌基因的功能而起到預(yù)防和治療腫瘤的作用。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)尤其是DNMT1在維持CpG島甲基化中發(fā)揮重要的作用，它們的抑制劑可引起低甲基化如5–氮–2’–脫氧胞苷(5-aza–2deoxycytidine，5-aza-CdR)。這種DN—MT1抑制劑可以與DNMT1發(fā)生不可逆的共價(jià)結(jié)合，當(dāng)它融入DNA后導(dǎo)致DNMT1的降解，從而可有效地消除DNACpG島的甲基化，恢復(fù)某些抑癌基因的表達(dá)，達(dá)到治療腫瘤的目的。4.2組蛋白去乙?；敢种苿┡c腫瘤治療由HDAC引起的啟動(dòng)子區(qū)組蛋白去乙?；悄[瘤抑癌基因失活的重要機(jī)制，而HDAC抑制劑就是通過(guò)逆轉(zhuǎn)組蛋白低乙?；?，恢復(fù)某些抑癌基因的表達(dá)而發(fā)揮治療癌癥的作用，是目前研究發(fā)現(xiàn)的一種新型抗腫瘤藥物。組蛋白去乙?；敢种苿?HDACI)按結(jié)構(gòu)可分為4類(lèi)：(1)短鏈脂肪酸，如丁酸鈉(SB)；(2)氧肟酸類(lèi)，如曲古抑菌素(TSA)、SAHA；(3)環(huán)形四肽類(lèi)，如trapoxinA、FK228、apicdin；(4)苯酸胺類(lèi)，如MS-275、CI-994。目前認(rèn)為HDACI抗腫瘤機(jī)制主要包括：(1)阻滯細(xì)胞周期和促進(jìn)細(xì)胞分化。HDAC抑制劑通過(guò)增加組蛋白乙?；险{(diào)抑癌基因的表達(dá)，盡管受影響的基因只占基因總數(shù)的2～5，但仍有重要意義。(2)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。研究報(bào)道高濃度的M275可通過(guò)活化caspase誘導(dǎo)白血病細(xì)胞凋亡；另外部分HDAC抑制劑可經(jīng)p53路徑影響凋亡。(3)抑制血管生成。如FK228可以通過(guò)抑制血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascularendothe—lialgrowthfactor，VEGF)的活性而抑制腫瘤血管的生成。目前各種各樣的HDAC抑制劑正在進(jìn)行抗腫瘤的應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)HDAC抑制劑的作用有一定的腫瘤細(xì)胞特異性，對(duì)于一些正常的細(xì)胞并不引起生長(zhǎng)停滯和凋亡。體外研究還證實(shí)HDAc抑制劑能殺死處于細(xì)胞周期中靜止期的腫瘤細(xì)胞。由表觀遺傳引起