汪關(guān)雨劉富才*

（1 山西醫(yī)科大學(xué)，山西 太原 030001；2 山西省第三人民醫(yī)院胸外科，山西 太原 037008）

DNA甲基化在腫瘤發(fā)生作用中的研究進(jìn)展

汪關(guān)雨1劉富才2*

（1 山西醫(yī)科大學(xué)，山西 太原 030001；2 山西省第三人民醫(yī)院胸外科，山西 太原 037008）

表遺傳學(xué)現(xiàn)象廣泛地存在于各種生物中，表遺傳現(xiàn)象形成的重要機(jī)制之一是DNA甲基化作用引起基因轉(zhuǎn)錄沉默。鑒于該重要機(jī)制，研究DNA甲基化水平的改變對(duì)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展有重要的作用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)DNA甲基化改變可以引起細(xì)胞中C→T突變、抑癌基因的高甲基化、癌基因的低甲基化、錯(cuò)配修復(fù)基因異常以及誘導(dǎo)染色體不穩(wěn)定導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。因此，通過(guò)探索腫瘤發(fā)生時(shí)DNA甲基化的變化特征，可為腫瘤治療提供理論依據(jù)。

DNA甲基化；腫瘤；基因表達(dá)

表遺傳學(xué)現(xiàn)象廣泛地存在于各種生物中，表遺傳現(xiàn)象形成的重要機(jī)制之一是DNA甲基化作用引起基因轉(zhuǎn)錄沉默。鑒于該重要機(jī)制，研究DNA甲基化水平的改變對(duì)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展有重要的作用。最近的研究表明人體腫瘤細(xì)胞的DNA甲基化水平顯著低于正常細(xì)胞，但是在某些CpG島則表現(xiàn)為增高。還有在腫瘤發(fā)生的各時(shí)期中存在DNA甲基化水平和模式的紊亂。因此學(xué)界把DNA甲基化與腫瘤的發(fā)病關(guān)系的研究當(dāng)作熱點(diǎn)之一[1]。

1 DNA甲基化的相關(guān)理論

DNA甲基化的概念是S-腺苷甲硫氨酸上的甲基在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下轉(zhuǎn)移至DNA分子中胞嘧啶環(huán)第5位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)的過(guò)程。其中大多數(shù)脊椎動(dòng)物中，約65%～75%CpG位點(diǎn)中包含甲基化的胞嘧啶[2]，這個(gè)位點(diǎn)稱為甲基化的CpG位點(diǎn)。研究至今的結(jié)果顯示在已知所有管家基因和一些組織特異基因的5′端調(diào)控區(qū)均會(huì)出現(xiàn)CpG島[3]。研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)正常組織啟動(dòng)子區(qū)域CpG島一般不發(fā)生甲基化。但是如果啟動(dòng)子區(qū)域CpG島發(fā)生甲基化則會(huì)表現(xiàn)為激活或抑制不同的基因表達(dá)[4]。

2 DNA甲基化的調(diào)節(jié)過(guò)程

DNA甲基化水平受內(nèi)外性兩種因素的調(diào)節(jié)，甲基化的水平高低受外源性因素如膳食中的葉酸、蛋氨酸、能量的供給等影響。葉酸是十分重要的甲基供體，如果限制葉酸的攝入將會(huì)導(dǎo)致淋巴細(xì)胞DNA的低甲基化[5]。白堅(jiān)石等[6]研究結(jié)果表明，體內(nèi)甲基化水平受甲基供體的攝入的影響，可以通過(guò)改善外源性影響因素維持體內(nèi)DNA甲基化的平衡。但是，甲基結(jié)合蛋白與已經(jīng)發(fā)生甲基化的DNA結(jié)合之后，由于甲基結(jié)合蛋白和去乙酰化酶的共同作用，致使甲基化狀態(tài)下的DNA永久不能再與mRNA轉(zhuǎn)錄蛋白復(fù)合物結(jié)合，完全失去轉(zhuǎn)錄活性，細(xì)胞生長(zhǎng)阻滯，表現(xiàn)為衰老[7]。

3 DNA甲基化與基因表達(dá)的關(guān)系

3.1 DNA甲基化與去甲基化

DNA甲基化是S-腺苷甲硫氨酸上的甲基在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下轉(zhuǎn)移至DNA分子中胞嘧啶環(huán)第5位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)的過(guò)程。過(guò)程很短，需要DNA甲基轉(zhuǎn)移酶。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)可能存在去甲基化的酶，這種酶或許是一種糖基化酶、核酸內(nèi)切酶或是去甲基化酶，可以對(duì)特異基因去甲基化也可以對(duì)非特異的去甲基化，造成細(xì)胞基因不穩(wěn)定的因素之一是DNA去甲基化。DNA去甲基化有兩種方式：①被動(dòng)途徑：由于核因子NF 黏附甲基化的DNA，使黏附點(diǎn)附近的DNA不能被完全甲基化，從而阻斷DNM T1的作用； ②主動(dòng)途徑：是由去甲基酶的作用，將甲基集團(tuán)移去的過(guò)程。在DNA甲基化阻遏基因表達(dá)的過(guò)程中，甲基化CPG黏附蛋白起著重要作用。雖然甲基化DNA可直接作用于甲基化敏感轉(zhuǎn)錄因子E2F、CREB、NF2KB、Cmyb、Ets，使它們失去結(jié)合DNA的功能從而阻斷轉(zhuǎn)錄，但是，甲基化CpG黏附分子可作用于甲基化非敏感轉(zhuǎn)錄因子(SP1、CTF、YY1)，使它們失活，從而阻斷轉(zhuǎn)錄。人們已發(fā)現(xiàn)5種帶有恒定的甲基化DNA結(jié)合域(MBD)的甲基化CPG 黏附蛋白。其中MECP2、MBD1、MBD2、MBD3參與甲基化有關(guān)的轉(zhuǎn)錄阻遏；MBD1有糖基轉(zhuǎn)移酶活性，可將T從錯(cuò)配堿基對(duì)中移去，MBD4基因的突變還與線粒體不穩(wěn)定的腫瘤發(fā)生有關(guān)。在MBD2缺陷的小鼠細(xì)胞中，不含MECP1復(fù)合物，不能有效阻止甲基化基因的表達(dá)。這表明甲基化CPG 黏附蛋白在DNA甲基化方式的選擇，以及DNA甲基化與組蛋白去乙?；⑷旧|(zhì)重組相互聯(lián)系中的有重要作用。

3.2 基因改變與DNA甲基化

DNA甲基化會(huì)造成DNA的異染色質(zhì)化，抑制該段DNA上的基因表達(dá)。結(jié)構(gòu)基因含有很多CpG 結(jié)構(gòu)，2CpG和2GPC中兩個(gè)胞嘧啶的5位碳原子通常被甲基化，且兩個(gè)甲基集團(tuán)在DNA雙鏈大溝中呈特定三維結(jié)構(gòu)。基因組中60%～90%的CpG都被甲基化，未甲基化的CpG成簇地組成CpG島，位于結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子的核心序列和轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)。有實(shí)驗(yàn)證明超甲基化阻遏轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。DNA甲基化可引起基因組中相應(yīng)區(qū)域染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化，使DNA失去核酶限制性內(nèi)切酶的切割位點(diǎn)，以及DNA酶的敏感位點(diǎn)，使染色質(zhì)高度螺旋化，凝縮成團(tuán)，失去轉(zhuǎn)錄活性。5位C甲基化的胞嘧啶脫氨基生成胸腺嘧啶，由此可能導(dǎo)致基因置換突變，發(fā)生堿基錯(cuò)配，如果在細(xì)胞分裂過(guò)程中不被糾正，就會(huì)誘發(fā)遺傳病或癌癥，而且，生物體甲基化的方式是穩(wěn)定的，可遺傳的[8]。DNA甲基化加速5mC→T的突變，DNA甲基化導(dǎo)致基因突變的機(jī)制主要是甲基轉(zhuǎn)移酶（DMT）催化反應(yīng)形成。DMT加速C(胞嘧啶)和5mC脫氨，阻斷U(尿嘧啶)的修復(fù)，同時(shí)使U→T改變，因此DMT引起CpG序列的C→T突變[9]。此外，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1(DNA methyltransferase1，DNMT1)的作用是促使5mC或C轉(zhuǎn)變?yōu)門，導(dǎo)致C→T突變?cè)黾?。因此甲基化異常的DNA表現(xiàn)為因外源性致癌物的影響而發(fā)生突變，最終導(dǎo)致細(xì)胞癌變的發(fā)生[10]。

3.3 基因錯(cuò)配修復(fù)與DNA甲基化

DNA錯(cuò)配修復(fù)(Mismatch rePair，MMR)系統(tǒng)廣泛存在于生物體中，是進(jìn)化上保守的生化通路，MMR系統(tǒng)由一系列特異性修復(fù)DNA堿基錯(cuò)配的酶分子(錯(cuò)配修復(fù)基因產(chǎn)物)組成。MMR系統(tǒng)的主要功能是修復(fù)DNA復(fù)制過(guò)程中產(chǎn)生的錯(cuò)配，包括單堿基錯(cuò)配和2個(gè)以上的錯(cuò)配。從而保持遺傳物質(zhì)的完整性和穩(wěn)定性，避免遺傳物質(zhì)發(fā)生突變。此外，MMR系統(tǒng)與DNA損傷應(yīng)答有關(guān)，MMR缺失的細(xì)胞可以抵抗烷化劑、順鉑和紫外線輻射等誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡；B細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中由基因重排導(dǎo)致的抗體分化也與MMR系統(tǒng)蛋白有關(guān)；MMR系統(tǒng)還參與細(xì)胞凋亡，由于MMR系統(tǒng)功能障礙導(dǎo)致的DNA損傷會(huì)觸發(fā)一個(gè)DNA代謝過(guò)程來(lái)激活細(xì)胞周期關(guān)卡，也有人認(rèn)為MMR蛋白可能直接參與凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[11]。Ahujia等研究結(jié)果表明當(dāng)MMR缺陷時(shí)，基因突變和基因啟動(dòng)子區(qū)的高甲基化則是錯(cuò)配修復(fù)基因表達(dá)缺陷中的主要原因[12]。3.4 基因表達(dá)受DNA甲基化的影響而表達(dá)異常是通過(guò)基因機(jī)制和表基因機(jī)制的作用。其中基因機(jī)制有基因點(diǎn)突變、染色體重排，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)異常的基因產(chǎn)物；染色體重組和基因放大引起過(guò)度表達(dá)等。表基因機(jī)制是指DNA5-胞嘧啶甲基化改變，引發(fā)基因表達(dá)異常，DNA順序和基因產(chǎn)物不變。轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合表現(xiàn)為抑制轉(zhuǎn)錄則是通過(guò)甲基化的DNA與特異結(jié)合蛋白結(jié)合及DNA甲基化改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)等作用。目前研究結(jié)果已證實(shí)組蛋白去乙?；cDNA甲基化呈正相關(guān)[13]。

4 DNA甲基化與腫瘤

4.1 DNA甲基化改變與腫瘤

腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞中甲基化水平不同。腫瘤細(xì)胞中DNA甲基化表現(xiàn)為控制失常，導(dǎo)致基因中CpG位點(diǎn)甲基化明顯降低，同時(shí)出現(xiàn)染色體區(qū)域性CpG島高甲基化，表現(xiàn)為區(qū)域性高甲基化水平和普遍性低甲基化同時(shí)共存?？偨Y(jié)前人研究結(jié)果，在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中DNA甲基化起重要作用，對(duì)腫瘤形成的作用可能通過(guò)一種或多種機(jī)制介導(dǎo)[14]。

4.2 DNA甲基化與腫瘤

近年來(lái)諸多研究結(jié)果說(shuō)明當(dāng)腫瘤細(xì)胞中DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的活性異常后，細(xì)胞總DNA甲基轉(zhuǎn)移酶活性增加，而正常甲基化位點(diǎn)中的甲基化大量丟失，與此同時(shí)出現(xiàn)更多區(qū)域的高甲基化[15]。究其機(jī)制，可能是下述的一種或多種。第一，腫瘤細(xì)胞中C→T突變，由5-mC的水解脫氨基作用引起C→T轉(zhuǎn)換。第二，在人類腫瘤中發(fā)生的低甲基化，不僅表現(xiàn)為整體基因組低甲基化，還表現(xiàn)出特殊癌基因也存在低甲基化。第三，Rb基因是腫瘤抑制基因的高甲基化中最先被發(fā)現(xiàn)的CpG島高甲基化。

5 DNA甲基化作用于腫瘤發(fā)生中的問(wèn)題與展望

回顧對(duì)腫瘤表遺傳現(xiàn)象的研究已經(jīng)歷時(shí)近20余年，期間也曾有許多令人振奮的結(jié)果出現(xiàn)，但至今甲基化的作用機(jī)制尚未完全闡明，仍有許多問(wèn)題亟待解決。如不同腫瘤中出現(xiàn)的甲基化作用機(jī)制是否相同?甲基化作用的記憶是如何建立和維持的?不同腫瘤的發(fā)生不僅與多種基因的遺傳性改變有關(guān)，而且也與多基因的異常甲基化引起的表遺傳改變有很大的關(guān)系。腫瘤發(fā)生是多基因的遺傳和表遺傳共同起作用的結(jié)果。DNA甲基化研究已成為腫瘤分子生物學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，可以預(yù)測(cè)，DNA甲基化研究將在人類生長(zhǎng)與發(fā)育調(diào)控、腫瘤發(fā)病機(jī)制探討、基因表達(dá)調(diào)控、細(xì)胞免疫與防御，以及腫瘤預(yù)防與治療等方面研究中，發(fā)揮非常重要的作用。隨著表遺傳學(xué)的不斷發(fā)展，DNA甲基化和伴隨基因變化的研究，將會(huì)使腫瘤分子生物學(xué)的研究和發(fā)展發(fā)生新的飛躍。

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