表觀遺傳修飾的研究現(xiàn)狀

表觀遺傳修飾的研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代美國提出了設(shè)立癌癥基金的提議以來，已經(jīng)過去了30年。世界對腫瘤的研究投入了大量人力和物力?，F(xiàn)在對腫瘤發(fā)生、發(fā)展的機(jī)制有了初步的了解,但還未真正認(rèn)清癌變的本質(zhì)。人類基因組計(jì)劃(humangenomeproject,HGP)基本完成后,研究基因的表達(dá)調(diào)控成為了解腫瘤發(fā)生機(jī)制的關(guān)鍵問題之一。最近,研究發(fā)現(xiàn)基因的表達(dá)不僅取決于基因本身,還取決于不改變基因序列的表觀遺傳修飾(epigeneticmodification)。表觀遺傳修飾對于腫瘤的發(fā)生、診斷和治療等具有重要意義。異常的表觀遺傳修飾會使基因錯誤地表達(dá),引起代謝紊亂和疾病甚至腫瘤的發(fā)生。表觀遺傳修飾有DNA的甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑和非編碼RNA調(diào)控4種方式,其中,DNA甲基化和組蛋白修飾是主要的。筆者對上述2種表觀遺傳修飾的分子調(diào)控機(jī)制、與腫瘤發(fā)生的關(guān)系及其在腫瘤的表觀遺傳治療中的研究進(jìn)展作一綜述。1表觀遺傳修飾表觀遺傳的概念是1942年由Waddington提出的。目前,表觀遺傳被定義為DNA序列不發(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,并且這種改變在發(fā)育和細(xì)胞增殖過程中能穩(wěn)定地傳遞下去。該表現(xiàn)型變化因沒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)的研究又開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域———表觀遺傳學(xué)。表觀遺傳對人體組織中多種類型細(xì)胞的生長和分化都是至關(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,通過對蛋白質(zhì)的修飾或改變其構(gòu)象實(shí)現(xiàn)對基因表達(dá)的調(diào)控,如組蛋白修飾;在染色質(zhì)水平,通過染色質(zhì)位置、結(jié)構(gòu)的變化實(shí)現(xiàn)對基因表達(dá)的調(diào)控,如染色質(zhì)重塑;在RNA水平,非編碼RNA可通過某些機(jī)制實(shí)現(xiàn)對基因轉(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腫瘤表面形態(tài)特征的異常2.1異常甲基化腫瘤的發(fā)生機(jī)制以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),啟動子區(qū)的胞嘧啶—磷酸—鳥嘌呤(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(見圖1)。DNA異常甲基化幾乎在每一種腫瘤中均有描述,參與腫瘤形成的每一階段,許多分子途徑通過這一機(jī)制而失活。同時(shí),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修復(fù)型mds-pcr的擴(kuò)增和及對現(xiàn)有小鼠頭頸部腫瘤的抑制作用DNA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)。組蛋白乙酰化酶(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?；虮磉_(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。在HAT基因敲除試驗(yàn)中,p300-/-小鼠死于妊娠早期,其神經(jīng)形成、細(xì)胞增殖、心臟發(fā)育等方面均存有缺陷。p300-/+小鼠的胚胎期死亡率也很高,其胚胎分離的細(xì)胞存在著特異性的轉(zhuǎn)錄缺陷和增殖障礙。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、組蛋白去乙酰化酶抑制劑曲古抑菌素A(TSA)等處理源自頭頸部的腫瘤細(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,生長抑制,并抑制其在軟瓊脂上克隆的形成。組蛋白去乙?；敢种苿?histonedeacetylaseinhibitors,HDACIs)通過抑制HDAC的功能,使高乙?；M蛋白聚集,從而增加常染色體中乙?；M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)。3表1遺傳配件與腫瘤治療目前腫瘤表觀遺傳治療的主要研究方向包括DNA甲基轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去乙?；敢种苿┑难兄萍鞍邢蛘T導(dǎo)DNA甲基化等。3.1抑制劑氮雜脫氧胞苷超氧化物歧化酶DNA甲基化是一種重要的表觀遺傳修飾,但它是可逆的,因此抑制DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT)活性已成為新的防治腫瘤的研究思路。5-氮雜胞嘧啶核苷(azacytidine,5-aza-C)和它的脫氧類似物5-氮雜脫氧胞嘧啶核苷(5-aza-2′-deoxycytidine,5-Aza-CdR)是DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的有效抑制劑,通過在DNA復(fù)制過程中取代胞嘧啶及與DNMT形成共價(jià)鍵后抑制DNMT的活性2種途徑來抑制DNA甲基化。該方法在一些難治性腫瘤,特別是在白血病治療方面,已取得較好的療效。zebularine是近年來發(fā)現(xiàn)的另一種有抑制DNMT活性的胞苷類似物,它能全部消除DNMT1,但只能部分消除DNMT3a和DNMT3b。研究證明,在使用5-aza-2′-deoxycytidine后使用zebularine,可有效地誘導(dǎo)并穩(wěn)定p16基因的表達(dá)。上述2種藥物組合使用將有效地用于癌癥的臨床治療,應(yīng)用前景廣闊。3.2甲基化型基因毒性對于低甲基化和高表達(dá)的腫瘤相關(guān)基因,則可以誘導(dǎo)其啟動子甲基化,使該基因沉默。靶向誘導(dǎo)DNA甲基化,是特異性誘導(dǎo)靶基因啟動子甲基化,使靶基因沉默的技術(shù)。針對某基因啟動子或其附近的區(qū)域設(shè)計(jì)一段甲基化的寡聚核苷酸鏈,使其與靶基因中一條DNA鏈的特定位點(diǎn)結(jié)合,形成半甲基化的中間體,該中間體成為DNMT1的底物,使DNA另一鏈甲基化,從而使靶基因的特定位點(diǎn)完全甲基化。3.3hdac抑制劑組蛋白的乙?；揎棔绊懭旧w結(jié)構(gòu)和基因表達(dá),但該修飾是可逆的,為腫瘤治療提供了樂觀的前景。目前,研究最多的是HDAC抑制劑,對腫瘤細(xì)胞的選擇性大于對正常細(xì)胞的選擇性是HDAC抑制劑優(yōu)于其他藥物的重要特點(diǎn)。HDAC抑制劑類藥物可在正常細(xì)胞相對耐受的情況下誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡,HDAC抑制劑對增殖和靜止的變異細(xì)胞均有細(xì)胞毒作用,而正常細(xì)胞可對其有10倍以上的耐受。HDAC抑制劑均能改變參與細(xì)胞存活和分化的蛋白水平,如增加抑癌基因的表達(dá)和減少抗凋亡基因的表達(dá)。迄今已開發(fā)出一系列結(jié)構(gòu)不同的HDAC抑制劑。主要有羥肟酸衍生物、環(huán)狀四肽類、氨基甲酸酯類衍生物、苯甲酰胺類衍生物及酮類。研究發(fā)現(xiàn),TSA可以劑量依賴方式顯著抑制口腔鱗狀細(xì)胞癌系HSC-4、Ho-1-N-1和Ho-1-U-1的增殖,誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。用HDAC抑制劑對幾種類型的白血病和實(shí)體瘤進(jìn)行治療,效果非常好,副作用小,優(yōu)于傳統(tǒng)的化療藥物。4表觀遺傳治療是腫瘤的關(guān)性治療腫瘤的病因及發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,而人們對表觀遺傳修飾與腫瘤的關(guān)系以及表觀遺傳修飾調(diào)控基因機(jī)制的了解不夠深入。因此,對表觀遺傳中各種因子的突變與腫瘤發(fā)生、發(fā)展相關(guān)性的研究將有助于人們了解表觀遺傳機(jī)制,進(jìn)而指導(dǎo)腫瘤的治療和新藥的研制。雖然表觀遺傳治療