甲基化與腫瘤

1、甲基化與腫瘤,內(nèi)容提綱,DNA甲基化及其與腫瘤的關(guān)系組蛋白甲基化及其與腫瘤的關(guān)系,DNA甲基化,概念：DNA甲基化（DNA methylation)是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMTs）的作用下，將一個(gè)甲基添加在DNA分子中的堿基上，最常見(jiàn)的是加在胞嘧啶上，由此形成5-甲基胞嘧啶（5mC）。,1、DNA甲基化位點(diǎn)：CpG島或富含CpG島的區(qū)域2、CpG島特征： A、 CpG島主要位于基因的啟動(dòng)子區(qū)，部分位于基因的第一個(gè)

2、外顯子區(qū)； B、 CpG島甲基化可以直接導(dǎo)致相關(guān)基因的表觀遺傳學(xué)沉默。,DNA甲基化,3、 DNA甲基化的生物學(xué)意義,DNA甲基化直接制約基因的活化狀態(tài)。在進(jìn)化和生命體活動(dòng)中，DNA甲基化的生物學(xué)意義在于基因表達(dá)的時(shí)空調(diào)控，以及保護(hù)基因組的穩(wěn)定性。例如，基因在不同時(shí)期特異表達(dá)，有些基因在發(fā)育早期甲基化，發(fā)育晚期被誘導(dǎo)去甲基化；管家基因低甲基化；印記基因高甲基化等。,4、DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制：(1) 干擾轉(zhuǎn)錄因子對(duì)

3、DNA元件的識(shí)別和結(jié)合,(2)序列特異性的甲基化DNA結(jié)合蛋白與啟動(dòng)子區(qū)甲基化CpG島結(jié)合，募集組蛋白去乙酰化酶(HDAC)，形成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合物，阻止轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子區(qū)靶序列的結(jié)合，從而影響基因的轉(zhuǎn)錄。,,Gene expression is affected by nearby DNA sequences called promoters, which often include CpG islands. When MeCP2 bin

4、ds to the CpG island in a promoter (bottom), associated proteins act to prevent expression of the gene.,（3）DNA甲基化通過(guò)改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，抑制基因表達(dá)。染色質(zhì)構(gòu)型的變化伴隨著組蛋白的乙?；腿ヒ阴；哉{(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的“開(kāi)”和“關(guān)”。,DNA甲基化與腫瘤,相關(guān)基因的低甲基化抑癌基因的過(guò)甲基化,腫瘤中重復(fù)序列DNA的低甲基化腫

5、瘤中單拷貝基因的低甲基化,人類基因組中與癌癥相關(guān)的低甲基化：,腫瘤中重復(fù)序列DNA的低甲基化,長(zhǎng)散在核苷元件（LINE）和Alu等重復(fù)序列及某些內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒元件在多種腫瘤中存在低甲基化現(xiàn)象。LINE-1是人類基因組中最活躍、最豐富的可移動(dòng)DNA或轉(zhuǎn)座子序列。這些可移動(dòng)DNA的低甲基化可以引起癌基因轉(zhuǎn)錄激活且發(fā)生于許多腫瘤中。此外，可移動(dòng)DNA的低甲基化也能破壞鄰近基因的正常表達(dá)。例如， LINE-1的突變性插入破壞了大腸癌和乳腺癌中

6、抑癌基因APC和C-MYC的表達(dá)，導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。,腫瘤中單拷貝基因的低甲基化,人類腫瘤中發(fā)現(xiàn)了一些與腫瘤或增殖有關(guān)的基因的甲基化。原癌基因HOX11在一些T細(xì)胞型淋巴母細(xì)胞白血病中和腫瘤抗原基因MN/CA49在一些腎癌細(xì)胞癌中，都已發(fā)現(xiàn)有低甲基化現(xiàn)象。在結(jié)腸癌、直腸癌中癌基因C-MYC Hapa2位點(diǎn)也觀察到低甲基化。另外，一些腫瘤標(biāo)志基因如編碼腫瘤特異性的MAGE、LAGE和GAGE的成員及一些印記基因如IGF2、H19等在某些腫瘤

7、中也程現(xiàn)低甲基化狀態(tài)。,總之，兩個(gè)主要的機(jī)制均暗示DNA低甲基化可能導(dǎo)致癌癥。第一，它可能改變單基因表達(dá)，例如癌基因的過(guò)量表達(dá)，對(duì)癌癥直接發(fā)揮作用，或者，它可以打斷腫瘤抑制基因，破壞體內(nèi)的抗腫瘤機(jī)制。第二，DNA低甲基化可能導(dǎo)致染色體不穩(wěn)定，增加腫瘤易感性。,人類癌癥中具有高甲基化CpG島的基因,抑癌基因過(guò)甲基化與腫瘤有關(guān),1.細(xì)胞周期2.P53網(wǎng)絡(luò)3.激素應(yīng)答4.細(xì)胞因子信號(hào),,抑癌基因過(guò)甲基化與腫瘤發(fā)生的機(jī)制,細(xì)胞周期,在

8、許多人類的主要腫瘤和細(xì)胞系中，細(xì)胞循環(huán)抑制物p16INK4a均被過(guò)甲基化，使癌細(xì)胞易脫離衰老并增殖。同樣，RB基因和細(xì)胞循環(huán)抑制物p15INK4b也經(jīng)常遭遇到異常高甲基化。,p53網(wǎng)絡(luò),人類癌癥中，p53是突變頻率最高的腫瘤抑制基因；但是，一般的人類原發(fā)腫瘤是p53的野生型。另一個(gè)使p53失活的方式是通過(guò)甲基化調(diào)節(jié)使腫瘤抑制基因p14ARF沉默，這條途徑可使MDM2癌基因蛋白脫離P14ARF抑制，自由引發(fā)p53退化。在白血病中，p53的

9、同源基因p73也被過(guò)甲基化。,激素應(yīng)答,雌激素、孕酮、雄激素和泌乳刺激素受體異常甲基化發(fā)生在乳腺和子宮腫瘤中，可能導(dǎo)致這些癌細(xì)胞不對(duì)此類激素發(fā)生應(yīng)答。表現(xiàn)出視黃酸受體β2和細(xì)胞視黃醇結(jié)合蛋白Ⅰ的啟動(dòng)子過(guò)甲基化的腫瘤可能廢止類維生素A的分化作用。,細(xì)胞因子信號(hào),幾條細(xì)胞因子通路負(fù)調(diào)控中的發(fā)現(xiàn)均暗示細(xì)胞因子信號(hào)抑制劑（SOCS）家族蛋白的存在，特別是轉(zhuǎn)錄活性轉(zhuǎn)錄體Jak/STAT通路的受體相關(guān)酪氨酸/信號(hào)變化器和激活劑。在人類癌癥中， SO

10、CS-1和SOCS-3經(jīng)歷了甲基化相關(guān)的沉默。,總之，與低甲基化相比，高甲基化是一個(gè)較簡(jiǎn)單的現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)在特殊基因的調(diào)控/啟動(dòng)區(qū)域，隨癌癥種類的不同而不同。很清楚，和低甲基化一樣，很多與人類癌癥相關(guān)的基因中存在高甲基化現(xiàn)象，而這種基因的數(shù)目還在成倍增加。,組蛋白甲基化,1.概念：指發(fā)生在H3和H4組蛋白N端精氨酸和賴氨酸殘基上的甲基化，由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)催化。,2.分類：24個(gè)組蛋白甲基化位點(diǎn)，其中17個(gè)位于賴氨酸，7個(gè)位于精氨酸

11、。,組蛋白甲基化,3.相關(guān)酶：,蛋白質(zhì)精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶 精氨酸SET家族 賴氨酸,,,,組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（HMTs）,組蛋白去甲基化酶,,LSD1JmjC家族蛋白PADI4,（賴氨酸特異性去甲基化酶1）,（精氨酸肽基脫亞胺酶）,組蛋白甲基化,組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶特點(diǎn),A：組蛋白賴氨酸的甲基化是可逆的B：分兩個(gè)家族，即組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶和組蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶C：組蛋白甲基化標(biāo)記對(duì)基因表達(dá)調(diào)控的作用可以完全相反，

12、有時(shí)促進(jìn)基因表達(dá)，有時(shí)卻抑制基因表達(dá)，調(diào)控作用取決于甲基化的位點(diǎn)和甲基化的程度D：修飾的復(fù)雜性，即某一特定殘疾可以結(jié)合不同數(shù)目的殘基，賴氨酸殘基能夠單、雙、三甲基化，精氨酸殘疾能夠單、雙甲基化，極大地增加了組蛋白甲基化修飾調(diào)控的復(fù)雜性,組蛋白甲基化功能,組蛋白甲基化與異染色質(zhì)形成組蛋白甲基化與基因印記組蛋白甲基化與X染色體失活,組蛋白甲基化與異染色質(zhì)形成,SUV39H1和SUV39H2甲基轉(zhuǎn)移酶對(duì)異染色質(zhì)的形成具有重要作用。將兩個(gè)

13、基因突變后，H3K9的甲基化會(huì)減少一半，這樣出生的小鼠有絲分裂中染色體的分離有缺陷。在裂殖酵母中H3K9位點(diǎn)的甲基化可以將常染色質(zhì)和異染色質(zhì)在特定區(qū)域分開(kāi)。在形成異染色質(zhì)的過(guò)程中，Su（var）3-9通過(guò)與異染色質(zhì)蛋白1（HP1）相互作用來(lái)控制蛋白質(zhì)的定位。,組蛋白甲基化與基因印記,基因印記是指一對(duì)等位基因中，一條來(lái)自父方，一條來(lái)自母方，其中任何一方基因表達(dá)處于抑制狀態(tài)，就被稱為基因印記。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶在基因印記中發(fā)揮重要作用，缺少組

14、蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶會(huì)導(dǎo)致基因印記丟失。最近，有兩項(xiàng)在大鼠7號(hào)染色體中的研究都發(fā)現(xiàn)組蛋白甲基化可能是除了DNA甲基化以外維持基因印記的另一種重要途徑。,組蛋白甲基化與X染色體失活,雌性哺乳動(dòng)物的劑量補(bǔ)償是由X染色體失活和Xist非編碼RNA決定的。在胚胎干細(xì)胞分化過(guò)程中，Xist表達(dá)和H3K27me3、H4K20me1、DAN甲基化有關(guān)。胚胎組織隨機(jī)X染色體失活是由DNA甲基化控制的，而胚外組織對(duì)于已經(jīng)印記的X染色體失活的維持是依賴Eed的功

15、能和Xist的表達(dá)，與DAN甲基化無(wú)關(guān)。由此可見(jiàn)，X染色體失活和基因印記可能由同樣的機(jī)制引起，這些機(jī)制中就包括組蛋白甲基化。,組蛋白甲基化與腫瘤,組蛋白的甲基化狀態(tài)與基因表達(dá)有關(guān)， 因此腫瘤細(xì)胞也存在組蛋白甲基化的異常，如下表。,組蛋白甲基化與腫瘤,RIZ1（PRDM2）具有H3K9位甲基轉(zhuǎn)移酶活性，研究發(fā)現(xiàn)在某些腫瘤，如乳腺癌、肝癌、結(jié)腸癌、神經(jīng)母細(xì)胞瘤中，該基因發(fā)生基因突變而失去活性，而其失活有引起G2-M期的細(xì)胞周期延長(zhǎng)，凋亡抑制

16、，因此推測(cè)H3K9位組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶可能具有腫瘤抑制功能，它的功能缺失可能參與癌癥的發(fā)生過(guò)程。,組蛋白甲基化與腫瘤,Suv39h1/2剔除的鼠基因不穩(wěn)定，染色體錯(cuò)誤分離，導(dǎo)致B細(xì)胞淋巴瘤。人的Suv39h1/2與視網(wǎng)膜膠質(zhì)瘤蛋白R(shí)B共同調(diào)節(jié)周期蛋白E（cycline E）的基因表達(dá)， Suv39h1/2的功能下調(diào)可能導(dǎo)致增殖失控而發(fā)生癌變，如霍奇金淋巴瘤。另外，H4R3位甲基化影響白血病細(xì)胞的分化。,MLL1甲基轉(zhuǎn)移酶突變與多種類型白血

17、病有關(guān)。結(jié)腸癌和肝癌細(xì)胞中SMYD3甲基轉(zhuǎn)移酶過(guò)表達(dá)，前列腺癌、淋巴瘤、乳腺癌中EZH2甲基轉(zhuǎn)移酶高表達(dá)，這些研究說(shuō)明組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶異?？赡軓膮⑴c實(shí)體腫瘤的發(fā)生。,腫瘤表觀遺傳學(xué)的臨床意義,一、CpG島高甲基化用于腫瘤的診斷,近年來(lái)的廣泛定位確定了越來(lái)越多的癌癥中異常過(guò)甲基化的基因CpG島，包含了多數(shù)人類癌癥的形成。這些DNA甲基化圖使人們發(fā)現(xiàn)定義不同癌癥發(fā)生的甲基化CpG島的獨(dú)特外形，從而可能制作一個(gè)全面的人類每種癌癥的“甲基型”或

18、“DNA甲基化簽名”。例如，直結(jié)腸癌中p16INK4a、p14ARF、APC和MGMT存在過(guò)甲基化，而非典型子宮內(nèi)膜增生中hMLH1異常甲基化。所以，異常CpG島甲基化的存在可用于早期篩查，在家族癌癥發(fā)生高危人群中,尤其有用，因?yàn)樗鼈冇泻蜕l(fā)病例相似的CpG島過(guò)甲基化。,二、CpG島高甲基化用于預(yù)測(cè)腫瘤療效,MGMT蛋白（O-6-甲基鳥(niǎo)嘌呤DNA甲基轉(zhuǎn)移酶）在DNA鳥(niǎo)嘌呤額外烷基化中直接起作用。該堿基是DNA中幾個(gè)烷基化化療藥物的首選靶

19、點(diǎn)，如BCNU（卡氮芥）、丙卡巴肼、替莫唑胺。所以，因過(guò)甲基化而失去MGMT的腫瘤可能對(duì)這些烷化劑更敏感，因?yàn)樵诎┘?xì)胞中，它們的DNA損害不可能被修復(fù)，從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。這個(gè)假說(shuō)確實(shí)被證實(shí)了，而且MGMT啟動(dòng)子甲基化有效地預(yù)測(cè)了化療藥物卡莫司汀的良好療效，更高的整體存活率和神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者病情的緩慢發(fā)展。,三、抗癌劑的篩選,5-氮-2-脫氧核苷（5-aza-CdR，地西他濱）是一個(gè)可以介入DNA的核苷酸類似物，從而產(chǎn)生DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的不