表观遗传学论文

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1、目录1 表观遗传学概述22 肿瘤的发生与表观遗传学 22.1 DNA 甲基化修饰32.2 组蛋白乙酰化修饰32.3 染色体重塑42.4 非编码 RNA43 肿瘤诊断与表观遗传学 53.1 DNA 甲基化与肿瘤诊断53.2 组蛋白修饰与肿瘤诊断54 肿瘤治疗与表观遗传学 64.1 DNA 甲基化转移酶抑制剂与肿瘤治疗64.2 组蛋白去乙酰化酶抑制剂与肿瘤治疗65 应用前景6表观遗传学与肿瘤林业与生物技术学院 生物科学 102 钟莹莹摘要：表观遗传学是指不须要基因序列改变而产生的可遗传的基因表达改变。表观 遗传学的机制主要包括DNA甲基化修饰和组蛋白氨基酸的末端修饰。近年来，随着 人们对表观遗传学

2、认识的深入，尤其是DNA甲基转移酶抑制物、组蛋白乙酰化抑制 剂等在治疗肿瘤患者的成功临床应用，表观遗传学逐渐成为肿瘤研究的热点。主要 对 DNA 甲基化和组蛋白修饰两种表观遗传修饰的分子调控机制与肿瘤的发生、诊断 和治疗作一综述。关键词：表观遗传学；肿瘤；DNA甲基化；组蛋白乙酰化1 表观遗传学概述表观遗传的概念是1942年由Wadding ton提出的。目前，表观遗传被定义为DNA序列发 生变化但基因表达却发生了可遗传的改变，也就是说基因型未变化而表型却发生了改变。这 种变化是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质的改变，并且这种改变在发育和细胞增 殖过程中能稳定地传递下去。该表现型变化因没

3、有直接涉及基因的序列信息，因而是“表观” 的，称为表观遗传修饰，又叫表观遗传变异。于是，遗传学的研究又开辟了一个新的领域 表观遗传学。表观遗传对人体组织中多种类型细胞的生长和分化都是至关重要的，像 X 染色体失活等一些正常细胞生理过程都是由表观遗传决定。包括肿瘤细胞在内，表观遗传在 控制细胞行为方面扮演着重要的角色。表观遗传修饰主要包括 DNA 以及一些与 DNA 密切相关的蛋白质（例如组蛋白）的化学修 饰，另外，某些非编码的 RNA 也在表观遗传修饰中起着重要的作用。因此，表观遗传修饰能 从多个水平上调控基因的表达：在DNA水平，DNA共价结合修饰基团，使序列相同的等位基 因处于不同修饰状态

4、，如 DNA 甲基化；在蛋白质水平，通过对蛋白质的修饰或改变其构象实 现对基因表达的调控，如组蛋自修饰；在染色质水平，通过染色质位置、结构的变化实现对 基因表达的调控，如染色质重塑；在RNA水平，非编码RNA可通过某些机制实现对基因转录 以及转录后的调控，如RNA干扰等。以上几个水平之间相互关联，任何一方面的异常都将影 响染色质结构和基因表达。2肿瘤的发生与表观遗传学2.1 DNA甲基化修饰以DNA甲基化（methylation）为代表的表观遗传修饰在肿瘤细胞中经常发生改变。DNA 甲基化是目前研究得最清楚，也是最重要的表观遗传修饰形式。在肿瘤形成过程中，DNA 甲基化的模式发生了巨大变化，包

5、括整个基因组的去甲基化和部分区域高度甲基化2 种现 象。正常细胞内，启动子区的胞嘧啶一磷酸一鸟嘌吟（CpG）岛呈非甲基化状态，而大部分散 在分布的 CpG 二核苷酸多发生甲基化。肿瘤中，常伴随基因组整体甲基化水平降低和某些 基因CpG岛区域甲基化水平异常升高（如抑癌基因），而且这2种变化可以在一种肿瘤中同 时发生（见图 1）。基因组整体甲基化水平降低，可导致原癌基因活化、转座子的异常表达、 基因组不稳定等，这些因素促进了肿瘤的发生；基因启动子区的CpG岛发生异常高甲基化， 可导致基因转录沉默，使重要基因如抑癌基因、细胞周期调节基因、凋亡基因等表达极度降 低或不表达，进而也促进了肿瘤细胞的形成（

6、见图1）。不转录转录正常细胞甲基化水平升高原癌细胞启动子原癌基因k 启动子原癌基因be-转录不转录图 1 肿瘤细胞中的 DNA 甲基化异常研究发现，任何肿瘤都可能存在由于异常甲基化而造成多途径的失活，导致相应的功能 异常。如：在处于肺癌前病变的支气管标本中，检测到了 P16 基因的甲基化，并且该基因 的甲基化状态与免疫组化得到的p16蛋白失表达表达相关。2 .2 组蛋白乙酰化修饰DNA以染色质的形式存在于细胞核中，染色质通常由DNA、组蛋白、非组蛋白以及少 量RNA包装而成.而组蛋白是染色质的基本结构蛋白。组蛋白的N2末端可以发生多种共 价修饰作用，其中乙酰化最为重要。通常认为，组蛋白氨基末端

7、赖氨酸残基的高乙酰化与染 色质松散及基因转录激活有关，而低乙酰化与基因沉默或抑制有关。研究表明，组蛋白 H4PINX1基因位点的杂合性丢失和PINX1基因5端非转录区的低乙酰化与胃癌中PINX1 基因表达下降有关。组蛋白乙酰化酶(HAT)和组蛋白去乙酰化酶(HDAC)是组蛋白乙酰化的 关键酶，决定着组蛋白的乙酰化程度，参与肿瘤异常基因表达。HAT能把乙酰辅酶A的乙 酰基转移到组蛋白 N 端特定的赖氨酸残基上，中和它所带的正电荷，使染色质松解，促进 转录的进行。HDAC能水解乙酰化赖氨酸，使其脱乙酰基，抑制基因转录。在研究HDAC 抑制剂与头颈部肿瘤的关系时，用丁酸钠、组蛋白去乙酰化酶抑制剂曲古

8、抑菌素A(TSA )等 处理源白头颈部的肿瘤细胞株发现，其中有1 株细胞处理后细胞形态发生改变，生长抑制 并抑制其在软琼脂上克隆的形成。组蛋白去乙酰化酶抑制剂(histone deacetylase inhibitors， HDACIs)通过抑制HDAC的功能，使高乙酰化组蛋白聚集，从而增加常染色体中乙酰化组 蛋白的含量，并部分改变基因的转录活性，促使特定基因活化表达。2.3 染色体重塑染色质重塑是指染色质位置、结构的变化，主要包括紧缩的染色质丝在核小体连接处发 生松动造成染色质的解压缩，从而暴露了基因转录启动子区中的顺式作用元件，为反式作用 因子与之的结合提供了可能。染色体重塑的过程由两类结

9、构所介导：ATP依赖型的核小体重 塑复合体和组蛋白共价修饰复合体。前者通过水解的作用改变核小体构型；后者则对核心组 蛋白N末端尾部的共价修饰进行催化。这种修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白提 供了和DNA作用的结合位点L25。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，比如基因的转录、DNA的复制与修复、染色体的浓缩以及分离和细胞凋亡，而 这些生物学过程的混乱都与肿瘤的发生、发展直接相关。因此，染色质重塑不仅仅能够调节 基因的转录，同时还参与了与肿瘤发生密切相关的那些最基础的细胞生理过程。但是，不同 的染色质重塑能够导致不同的肿瘤，这又提示我们这些生理过程并不是独立地起作用

10、。2.4 非编码RNA真核生物体内一类重要的非编码RNA就是miRNA。miRNA是一类长约22 nt的单链 RNA分子，广泛存在于从植物、线虫、人类的细胞中。miRNA的生成起始于primiRNA(由 编码miRNA的基因转录生成，长度为几百到几千个核苷酸)的产生；随后primiRNA在 核内被RNasem核酸酶加工成长约70 tit的发夹状pre一miRNA；最后pre一miRNA在Ran、 GTP依赖的核质/细胞质转运蛋白expoin 5的作用下，从核内运输到胞质中；胞质中在 Dicer酶的作用下，pre一miRNA被切割成双链的miRNA(miRNA配对分子)，然后成熟的 miRNA分

11、子被解链，单链的miRNA进入一个核糖蛋白复合体miRNP(也称为RISC)，通过 与靶基因的3 UTR区互补配对，指导miRNP复合体对靶基因mRNA进行切割或翻译抑制。 通过对来自肺部、胸部、胃部、前列腺、结肠和胰腺等处的540份癌细胞样品进行分析，人 们发现了由过量表达的部分miRNAs组成的实体癌症miRNA信号，其中包括miR175p、 miR 一 20a、 miR 一 21、 miR 一 92、 miR 一 106a 和 miR 一 155。除此之外，还通过对遗传 性非息肉性结、直肠癌发生过程中的miRNA变化情况进行了研究，发现了一些可能在遗传 性非息肉性结、直肠癌发生、发展中起

12、重要作用的miRNA，同样说明了 miRNA在癌症的 发病机制中发挥着重要的作用。3 肿瘤诊断与表观遗传学3.1 DNA甲基化与肿瘤诊断肿瘤发生时常出现不同程度的DNA甲基化改变，因此通过对启动子区高甲基化CpG 岛的检测可以发现因DNA甲基化沉默的抑癌基因，这已成为一种寻找肿瘤相关基因的新方 法。该技术的原理主要是通过重亚硫酸钠修饰，将目的序列中未甲基化状态的胞嘧啶脱氨基 转变成尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶不会发生转变，然后样品经DNA测序技术或PCR技术 等对甲基化胞嘧啶进行特异性分析，达到检测甲基化胞嘧啶的目的。DNA异常甲基化的检测用于肿瘤的诊断主要包括3个方面：l）CpG岛异常甲基化可以

13、 通过肿瘤细胞的活组织或者是肿瘤来源的DNA来检测；（2）CpG岛甲基化异常，可作为肿 瘤的诊断、化疗反应及预后复发的一种标志物；（3）在非癌性组织中CpG岛异常甲基化可作 为肿瘤危险评估的一种标志物。在1970年就有研究报道，在癌症患者的血清/血浆中存在肿瘤来源的DNA。这些游离 的 DNA 主要来自于肿瘤细胞的坏死和凋亡有许多研究者分别从头颈部癌、肺癌、肝癌、胃 癌、结肠癌、胰腺癌、乳腺癌及前列腺癌等患者的肿瘤组织、血清以及分泌物和排泄物中同 时检测出了某些肿瘤相关基因的启动子甲基化。检测血浆、血清、痰、尿液等体液中肿瘤 DNA高甲基化提供了一种方便、快捷、特异和无创的分子生物学检测手段，

14、解决了由于获 取肿瘤组织不便所引起的困难，有利于肿瘤的早期诊断和预后监测，但其临床应用价值还有 待于大样本的进一步研究。在正常组织及癌前病变组织中发现表观遗传中的DNA甲基化异常，有可能成为监测正 常细胞向肿瘤细胞恶性转化的生物学指标，并为预测肿瘤的恶变提供一种新的诊断方法。32组蛋白修饰与肿瘤诊断近几年关于肿瘤中组蛋白修饰的研究都集中在一些特异的抑癌基因上，如启动子区的组 蛋白修饰异常（如组蛋白低乙酰化）导致的抑癌基因沉默。但是单个抑癌基因的改变不足以用 于临床肿瘤的诊断，且其研究方法复杂，难以在临床上广泛应用。近来研究报道组蛋白修饰 酶除对特异基因的启动子区作用参与基因表达调控外，对整个基

15、因组染色质包括编码区和非 启动子区都有作用，称为整体组蛋白修饰。在这种整体组蛋白修饰过程中，蛋白修饰酶对作 用的底物也有高度特异性，如对组蛋白亚型及其末端的氨基酸残基位点的特异选择。这种整 体组蛋白修饰异常与肿瘤的发生及其预后有密切的关系。 Seligson 等利用免疫组织化学的方 法检测前列腺癌中组蛋白H3K9Ac、H3K18Ac、H3K4 diMe、H4K12Ac、H4R3diMe的表达 发现，H3K9Ac、H3K18Ac、H3K4diMe、H4K12Ac、H4R3diMe 的表达越低，患者的复发 率越高；而 H3K9Ac、H3K18Ac、H3K4diMe、H4K12Ac、H4R3diMe

16、 的表达越高，患者复 发率越低。因此，特异位点的组蛋白修饰异常可以作为癌症患者的一种新的预后指标，但对 于不同的肿瘤究竟有哪些组蛋白特异位点的修饰改变及其对临床诊断及预后判断的价值有 待于进一步深入探讨。4 肿瘤治疗与表观遗传学4 1 DNA 甲基化转移酶抑制剂与肿瘤治疗与基因突变不同，肿瘤发生中 DNA 甲基化等表观遗传学改变是可以逆转的。因此，在 肿瘤和癌前病变中通过去甲基化处理可以恢复某些关键性抑癌基因的功能而起到预防和治 疗肿瘤的作用。DNA甲基转移酶(DNMTs)尤其是DNMT1在维持CpG岛甲基化中发挥重 要的作用，它们的抑制剂可引起低甲基化如5-氮-2-脱氧胞苷(5-aza-2

17、deoxycytidine， 5-aza-CdR)。这种DNMT1抑制剂可以与DNMT1发生不可逆的共价结合，当它融入DNA 后导致DNMT1的降解，从而可有效地消除DNACpG岛的甲基化，恢复某些抑癌基因的表 达，达到治疗肿瘤的目的。4 . 2 组蛋白去乙酰化酶抑制剂与肿瘤治疗由HDAC引起的启动子区组蛋白去乙酰化是肿瘤抑癌基因失活的重要机制，而HDAC 抑制剂就是通过逆转组蛋白低乙酰化水平，恢复某些抑癌基因的表达而发挥治疗癌症的作 用，是目前研究发现的一种新型抗肿瘤药物。组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDACI)按结构可分 为4类：(1)短链脂肪酸，如丁酸钠(SB)； (2)氧肟酸类，如曲古抑菌

18、素(TSA)、SAHA； (3) 环形四肽类，如trapoxin A、FK228、apicdin； (4)苯酸胺类，如MS-275、CI-994。目前认为 HDACI抗肿瘤机制主要包括：(1)阻滞细胞周期和促进细胞分化。HDAC抑制剂通过增加组 蛋白乙酰化而上调抑癌基因的表达，尽管受影响的基因只占基因总数的2 5，但仍有重 要意义。(2)诱导细胞凋亡。研究报道高浓度的M275可通过活化caspase诱导白血病细胞凋 亡；另外部分HDAC抑制剂可经p53路径影响凋亡。(3)抑制血管生成。如FK228可以通过 抑制血管内皮生长因子(vascular endothlial growth factor

19、，VEGF)的活性而抑制肿瘤血管的 生成。目前各种各样的HDAC抑制剂正在进行抗肿瘤的应用研究，发现HDAC抑制剂的作 用有一定的肿瘤细胞特异性，对于一些正常的细胞并不引起生长停滞和凋亡。体外研究还证 实HDAc抑制剂能杀死处于细胞周期中静止期的肿瘤细胞。由表观遗传引起的抑癌基因沉 默存在多种机制且相互作用，这提示联合治疗将是一个很好的治疗策略。5 应用前景肿瘤的病因及发病机制复杂，而人们对表观遗传修饰与肿瘤的关系以及表观遗传修饰调 控基因机制的了解不够深入。因此，对表观遗传中各种因子的突变与肿瘤发生、发展相关性 的研究将有助于人们了解表观遗传机制，进而指导肿瘤的治疗和新药的研制。虽然表观遗传

20、 治疗研究和应用起步不久，但肿瘤表观遗传治疗的有效性已在体外及动物试验中得到证实 部分临床试验也取得了令人鼓舞的结果。目前，肿瘤表观遗传治疗有可能成为肿瘤综合治疗 的一部分，对提高化疗、放疗的敏感性及减少肿瘤的复发和转移起到一定的作用。更深入地 研究DNA甲基化和组蛋白密码的关系有望在基因调控和肿瘤发生上获得新的突破，并可能 提出新的治疗靶点，将成为今后肿瘤基因治疗的一个研究方向。参考文献：1 徐硕琪表观遗传学与肿瘤J生命科学，2010, 31(2)： 144145.2 赵文娟.肿瘤发生的表观遗传学研究J.安徽农业科学，2009, 11(11)： 122124.3 李莉等.表观遗传学在肿瘤诊断及治疗中的研究进展J.第三军医大学新桥医院妇产科, 2008(11)： 12481251.3 孙永健，陈小强，孙宁，等.表观遗传学的分子机制及其研究进展J.安徽农业科学, 2008， 36(33)： 14450-14452， 14510.4 孙树汉肿瘤的表观遗传学研究J中国肿瘤生物治疗杂志，2008(1)： 813.