表观遗传学与肿瘤

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• 基因印记丢失的小鼠模型： • Holm等通过破坏DNA甲基转移酶DNMT1，暂时诱导基因组脱
甲基化，从而建立基因印记丢失的小鼠模型。 • 来自该模型的成纤维细胞可在免疫缺陷小鼠体内形成肿瘤
，并具有体外永生的特性。 • Holm认为，单独的印记丢失就可使细胞发生癌性增生。因
为细胞降低了永生化的域值，在没有基因突变的情况下， 可遗传的基因表达模式的变化导致干细胞的异常增生，进 而诱发肿瘤的发生、发展。
• 多种组织来源的肿瘤细胞可DNMT蛋白及活动水平增高， DNMT抑制剂抑制DNMT活性可延缓小鼠肺癌模型中的癌性增 生。
• 实验研究发现基因敲除DNMT1后，肿瘤总体甲基化水平仅 微弱减少，而敲除DNMT3b可使95%的基因组5-甲基胞嘧啶 去甲基化、全部启动子去甲基化、沉默基因活化表达。说 明DNMT1的功能以维持甲基化及基因表达抑制为主，而 DNMT3具有从头甲基化作用。
• 动态的染色质重塑是大多数以DNA为模板的生物学过程的 基础，如基因转录、DNA的复制与修复、染色体浓缩与分 离、细胞调亡等，因而异常的染色质重塑与肿瘤的发生与 发展直接有关
• 不同的染色质重塑可导致不同的肿瘤，但其与肿瘤发生与 发展的关系尚有待进一步探索
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• 非编码RNA调控
• 非编码RNA分为长链非编码RNA和短链非编码RNA。长链非编 码RNA在基因簇甚至整个染色体水平发挥顺式调节作用；短 链RNA在基因组水平对基因表达发挥调控作用。
• RISC形成：siRNA与特异性蛋白结合后解链，其反义链与 核酶复合物结合，形成诱导RNA沉默的复合物(RNA induced silencing complex, RISC)。RISC形成后结合到 靶mRNA上，在RNA依赖的RNA聚合酶催化下形成dsRNA，后 者又会在双链RNA内切酶作用下降解为siRNA。
• 恶性肿瘤的另一个特点是重复序列如卫星DNA和寄生DNA的 甲基化程度降低，低甲基化的基因组不稳定、易突变；
• 在许多癌症中，细胞整体呈现低甲基化水平，并随着肿瘤 进展，低甲基化水平加强；基因整体甲基化水平降低可增 加某些基因表达，如ras、myc等原癌基因活化，形成突变 热点、转座子异常表达、基因不稳定等，促进肿瘤发生
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• DNA甲基化 • 肿瘤的表观遗传学异常以DNA甲基化的模式改变为主，包
括整个基因组的低甲基化和启动子区的高甲基化； • 目前最受关注的是启动子区CpG岛的高甲基化导致抑癌基
因的转录沉默，这很可能是癌性增生的最初表现； • Issa等研究证实存在CpG岛甲基化表型，即同时存在多个
基因具有肿瘤特异性CpG岛甲基化。 • 常见的抑癌基因P16就是因为启动子区CpG岛高甲基化而沉
一、DNA甲基化与肿瘤
• 在早期发育阶段，甲基化和非甲基化交替
– 是细胞得以生长和分化的关键程序， – 有保证细胞正常发育和基因组稳定性的重要作用
• 在正常细胞内，启动子区的胞嘧啶磷酸鸟嘌呤(CpG)呈非 甲基化状态，而大多数散在分布的CpG二核苷酸常多发生 甲基化。
• DNA甲基化一般与基因的沉默有关，非甲基化则与基因的 活化相关，去甲基化往往与沉默基因的重新激活有关。
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• Paz等对人类12种肿瘤70多个肿瘤细胞系进行了15个基因 的系统分析：
– 每种肿瘤至少有1种基因启动子区发生高甲基化；
– 这种启动子甲基化具有肿瘤类型的特异性；
– 结直肠癌 DNA错配修复基因(hMLH1)、O6-甲基鸟嘌 呤DNA甲基转移酶(O6-MGMT)、金属蛋白酶组织抑制剂 3(TIMP)
• 短链RNA能介导mRNA降解、诱导染色质的结构的改变从而决 定细胞的分化命运、对外源核酸序列有降解作用以保护本 身的基因组，常见的短链RNA有小干涉RNA(Short interfering RNA，SiRNA)和微小RNA(MicroRNA, miRNA)。
• 干扰RNA：与真核生物mRNA编码区同源的外源性双链RNA (dsRNA)能特异性地诱导其同源mRNA的降解，导致相应基因 的沉默，hx 现象称为RNA干扰(RNA i)，RNA i依赖于小干 扰RNA与靶序列之间严格的碱基配对，有很强的特异性；
默的，该基因功能的丢失可延长干细胞的寿命、导致基因 组不稳定性、早期癌性病变易于发生。 • 与肿瘤异常甲基化状态相关的酶是DNA甲基转移酶(DNMTs) ，其催化在CpG岛胞嘧啶5位上共价连接上甲基基团。
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• DNMT酶包括DNMT1、DNMT3b和DNMT3a，DNMT1与甲基化维持 有关，即在半甲基化DNA中以甲基化单链为模板对互补链 进行甲基化；DNMT3b和DNMT3a介导DNA双链的从头甲基化 。
仅15%左右。
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组蛋白修饰与肿瘤
• 染色质通常由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成，组 蛋白是染色质的基本结构蛋白；
• 组蛋白的N-末端可通过甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化 等翻译后修饰，改变DNA与组蛋白之间的相互作用，影响 染色质的松散与集缩，从而激活或抑制转录，其中以组蛋 白甲基化、乙酰化尤为重要；
• 染色质重塑：
• 指染色质位置、结构的变化，包括紧缩的染色质丝在与核 小体连接处发生松动，造成染色质的解压缩，从而暴露基 因转录启动子区中的顺式作用元件，为反式作用因子与之 结合提供可能。
• 两类结构介导：ATP依赖的核小体重塑复合体，通过水解 作用改变核小体构型；组蛋白共价修饰复合体，催化对核 心组蛋白N-末端尾部进行共价修饰，改变核小体构型，为 其它蛋白提供与DNA作用的结合位点；
• 表观遗传修饰主要包括DNA及一些与DNA密切相关的蛋白质 的化学修饰，某些非编码的RNA也在表观遗传修饰中起重 要作用；因此表观遗传修饰可从DNA、组蛋白、染色质及 RNA等多个层面上调控基因的表达。
• 常见表观遗传修饰机制包括：基因组印记、DNA甲基化、 组蛋白修饰和非编码RNA、染色质重塑
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• DNA甲基化与肿瘤发展及预后 – 结肠腺瘤性息肉病基因(APC)启动子甲基化可预示宫颈 癌转移和复发、并提示患者处于高危状态 – 肝癌细胞钙粘蛋白基因甲基化与血管浸润及肿瘤转移 有关 – 基因异常甲基化还可与染色体缺失协同抑制基因表达 ，并且有互作效应
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• 卷曲同系物9(FZD9)基因非甲基化、该位点染色体不发生 缺失的骨髓增生异常综合征转化的急性髓系白血病患者 的1年总生存率约为90%；基因甲基化、且该位点染色体不 发生缺失的患者1年总生存率约为75%；基因非甲基化且该 位点染色体发生缺失的患者1年总生存率达40%左右，而基 因甲基化、且该位点染色体发生缺失的患者1年总生存率
• 肿瘤中一些基因丢失其遗传印记会导致异常情况发生，如 等位基因的共表达。如：
– 胚胎细胞只有母系染色体时成为畸胎瘤、只有父系染色体时成为 葡萄胎；
– 结肠癌患者结肠上皮类胰岛素生长因子2(IGF2)等位基因共表达， 致强效生长刺激，与不断升高的结肠癌风险有关；
– 而在Wilm’s瘤，IGF2基因印记丢失，产生一种异常的未分化细胞 ，其不断增生而不受调控及修复基因的影响，最终引发肾癌；
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• 基因的CpG位点是自发突变的重要位点，人类肿瘤P53基因 突变25%发生于该位点，结直肠癌者达50%
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wk.baidu.com DNA甲基化与早期诊断：可以检测体液中某些基因的异常 甲基化状态，为肿瘤的早期诊断。 – 如检测肺癌患者痰液中P16甲基化状态作为肺癌辅助诊 断手段 – 检测粪便中分泌型卷曲相关蛋白2基因甲基化状态诊断 结直肠癌
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• 正常的甲基化对于维持机体的功能是必需的，如基因印记 、X染色体失活、细胞分化、胚胎发育等；而异常的DNA甲 基化则会引起疾病甚至肿瘤的发生，异常CpG的重新甲基 化通常被认为是人类癌症发生的早期特征
• 人类肿瘤细胞株中，许多肿瘤相关基因5’端启动子区CpG 岛发生高甲基化，如某些抑癌基因、细胞周期调节基因、 肿瘤转移抑制基因、DNA修复基因及血管生成抑制基因。 有些在不同的癌症中高甲基化，有些只在特定的癌症中甲 基化；
表观遗传学与肿瘤
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表观遗传学概念
• 表观遗传学是研究不涉及DNA序列变化、可遗传的基因表 达调控方式的学科；
• 一般来说, 细胞的基因组中除了DNA和RNA序列以外还有很 多调控基因表达的信息, 虽然它们本身不会改变基因的序 列, 但是可以通过对DNA的修饰、蛋白质与蛋白质、DNA和 其他分子间的作用, 影响和调节基因的功能, 并且通过细 胞的分裂和增殖周期影响遗传, 这些都属于表观遗传学所 研究的范畴。
• 组蛋白乙酰化是由组蛋白乙酰基转移酶(HAT)和组蛋白去 乙酰基酶(HDAC)协调催化完成；
• 修饰的部位一般位于N-末端的赖氨酸残基，如H3上的9号 和14号、H4上的5、8、12、16号；
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• 组蛋白乙酰化是一个可逆的动力学过程，可以调节基因的 转录；
• 组蛋白的末端赖氨酸残基高乙酰化与染色质松散及转录激 活有关，低乙酰化与基因沉默或抑制有关。组蛋白乙酰基 转移酶催化组蛋白尾部的赖氨酸残基乙酰化，导致局部 DNA与组蛋白八聚体的紧密缠绕被解开，使各种转录因子 能与DNA调控元件相结合，促使基因发生转录；
• 通过组蛋白甲基化的位置，可判断基因是被激活还是抑制
• H3-K9和H4-K20甲基化与基因沉默有关；H3-K4、K36、K79 甲基化可使基因激活
• 组蛋白修饰能够引起核小体结构的变化, 导致染色质重塑 , 影响各类转录因子与DNA的结合, 进而影响基因的转录 。
• 组蛋白乙酰化对于维持组蛋白的功能和DNA转录是必需的, 组蛋白乙酰化的失衡将引起相应的染色体结构和基因转录 水平的改变，影响细胞周期.、分化及凋亡, 并可导致肿瘤
• siRNA天然的作用是封闭转座子，它们能在染色质水平、 转录水平、转录后水平、基因水平对基因表达进行调控。
• 实验室研究表明，部分miRNA与多种肿瘤、癌症的发生密
切有关。
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• 不同表观遗传修饰之间的相互调控： • 表观遗传修饰能从多个水平上调控基因的表达，而不同水
平的调控之间又相互关联，在真核细胞内形成了一个完整 的表观遗传调控的网络。 – miRNA的表达受甲基化及其它表观遗传机制的调控； – siRNA可诱导DNA甲基化
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表观遗传概念与机制
• 表观遗传是指基因表达或蛋白表达改变不涉及基因DNA序 列的变化、但可随细胞分裂和增殖而稳定遗传的现象。
• 表观遗传机制对于人体多种细胞的生长和分化都是重要的， 如X染色体失活等一些正常细胞生理功能都由表观遗传所 决定。
• 随着年龄的增长或环境的影响，细胞正常的表观遗传状态 可能被打破，从而导致促癌基因的异常活化或抑癌基因的 失活、促进肿瘤形成。
– 乳腺癌
仅O6-MGMT基因高甲基化
• 信号途径关键位置基因异常甲基化可导致该途径的异常激 活或抑制
– Wnt途径中的Wnt抑制因子-1(WIF-1)基因，编码蛋白与 Wnt配体竞争卷曲蛋白受体的结合、阻断Wnt信号，为 该途径的负反馈调节基因，该基因的异常高甲基化与 鼻咽癌、膀胱癌、食管癌等多种肿瘤的发生有关
• 组蛋白去乙酰化酶异常结合到启动子区，从而抑制正常功 能基因的转录也可能是恶性肿瘤发生的机制之一
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• 组蛋白甲基化
• 甲基化位点多位于组蛋白H3、H4的赖氨酸或精氨酸残基， 由组蛋白赖氨酸甲基转移酶催化 ，而去甲基化由赖氨酸 去甲基酶催化；
• 赖氨酸可单、双、三甲基化，精氨酸可单、双甲基化，增 加了组蛋白修饰的复杂性
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肿瘤细胞表观遗传学异常的分子机制
• 印记丢失：
• 遗传印记是指，来自父母双方的等位基因在通过精子和卵 子遗传给子代时发生了修饰，使带有亲代印记的等位基因 具有不同的表达特征。
• 正常的基因印记受DNA甲基化和组蛋白甲基化及乙酰化的 调控，以保证父系基因的决定地位，即一对等位基因中一 个发生转录，另一个被抑制。
• 微小RNA：由核内的Pri-miRNA在Rnase Ⅲ核酸酶作用下加 工成发夹状pre-miRNA，转运到胞质后在双链RNA特异性RNA 内切酶(Dicer)作用下被切割成双链miRNA。解链成单链后 进入核糖蛋白复合体，参与.对mRNA的切割或翻译抑制。
• RNA干扰分为两个阶段：
• 酶切启动阶段：外源双源RNA(dsRNA)通过外源导入、转基 因、或者病毒感染等方式进入细胞后，专一性的双链RNA 内切酶识别dsRNA并将其切成大量的碎片(siRNA)，能识别 同源的靶mRNA序列，启动RNA干扰；