印記基因與腫瘤的發(fā)生

謝艷穎 胡雪峰

（1福建省福州第三中學濱海校區(qū) 福建福州 350207 2福建師范大學生命科學學院，福建省發(fā)育與神經(jīng)生物學重點實驗室 福建福州 350117）

表觀遺傳是指生物體的基因序列不改變，而基因的表達發(fā)生可遺傳變化的一種現(xiàn)象，普遍存在于生物體的生長發(fā)育過程中，印記基因是表觀遺傳現(xiàn)象的一種。本文概述了印記基因的結(jié)構(gòu)、表達機制及其表達異常與腫瘤的關(guān)系。

1 印記基因簡介

印記基因的發(fā)現(xiàn)起始于20世紀70年代報道的父源特異性染色體消除現(xiàn)象，90年代科學家鑒定出3種小鼠的印記基因。隨著研究深入，科學家逐步探明了印記基因的結(jié)構(gòu)及其表達機制。

1.1 印記基因的發(fā)現(xiàn) 1971年，在研究節(jié)肢動物時，克勞斯（Crouse）發(fā)現(xiàn)決定性別的關(guān)鍵因素父源特異性染色體消除，提出“染色體印記”的概念[1]。同時，庫珀（Cooper）注意到有袋類哺乳動物父源X染色體的特異性失活，也稱其為“染色體印記”。1974年，約翰遜（Johnson）在研究17號染色體突變的小鼠時發(fā)現(xiàn)，染色體印記不是X染色體特有的現(xiàn)象，而是廣泛存在于基因組中。

20世紀80年代，麥格拉斯（McGrath）和索特（Solter）等通過小鼠的細胞核移植實驗發(fā)現(xiàn)，2個原核分別來自父方和母方時，胚胎能正常發(fā)育。若是單親二倍體（2個原核均來自父方或母方），胚胎死亡。后續(xù)的實驗證明，在一種性別中發(fā)現(xiàn)的被標記的許多基因在另一性別中未被標記，因而只有來自父母雙方的基因同時存在，才能互補，使后代正常發(fā)育。但胚胎中存在2個相同的標記基因時，就會導致幼崽死亡，這為哺乳動物基因組印記的存在提供了有力的證據(jù)。1991年，科學家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了小鼠的3種印記基因，通過定位克隆，鑒定出Igf2r（insulin-like growth factor type 2 receptor），通過基因敲除鑒定出Igf2（insulin-like growth factor type 2）與H19。

1.2 印記基因簇 迄今為止，約有150個印記基因被定位到17條小鼠染色體上，其中包括X染色體。經(jīng)鑒定，超過80%的印記基因聚集在16個基因組區(qū)域，稱為印記基因簇。已鑒定出7個印記基因簇，這7個印記基因簇都包含3個及以上的印記基因。每個印記基因簇都由一個印記控制中心（imprinted control center，ICR）控制，該區(qū)域具有親本特異性表觀遺傳修飾，例如，DNA甲基化和翻譯后組蛋白修飾等。DNA甲基化是公認的一種賦予親本特異性的表觀遺傳修飾[2]。ICR中攜帶有甲基化印記的DNA序列，稱為差異性DNA甲基化區(qū)域（differentially DNA methylated region，DMR）。DNA甲基化印記發(fā)生在配子中，體細胞中僅存于一個親本染色體上。除了ICR和多個印記基因，大部分印記基因簇都至少含有一個長鏈非編碼RNA（long noncoding RNA，lncRNA）。lncRNA本身不編碼蛋白質(zhì)，卻能調(diào)控基因的表達。在印記基因簇中，ICR通常與lncRNA的啟動子重疊。

1.3 印記基因的表達機制 印記基因簇的結(jié)構(gòu)各異，致使不同印記基因的表達受不同機制的調(diào)控。根據(jù)調(diào)控的結(jié)果，可將印記基因分為父源印記基因與母源印記基因兩大類。父源印記基因是指父源等位基因抑制而母源等位基因表達的基因，與抑制胚胎發(fā)育有關(guān)，例如，Igf2r、H19[3-4]。母源印記基因則是父源等位基因表達而母源等位基因受抑制的基因，與促進胚胎發(fā)育有關(guān)，例如，Igf2。

1.3.1 lncRNA模型 lncRNA介導的表達模型適用于Igf2r印記基因簇。Igf2r位于小鼠17號染色體，是父源印記基因。作為Igf2的一種受體，與其結(jié)合后被溶酶體降解，起到抑制生長的作用。在母本染色體上，甲基化的ICR含有l(wèi)ncRNA的啟動子，致使lncRNA無法表達，但不影響其他印記基因的表達。而父本染色體ICR未甲基化，lncRNA可表達，使同側(cè)的印記基因沉默。這種機制可能是lncRNA與啟動子重疊，導致某種形式的轉(zhuǎn)錄干擾或通過覆蓋局部染色體區(qū)域而招募抑制性組蛋白。

1.3.2 絕緣子模型 絕緣子介導的表達模型適用于Igf2/H19印記基因簇。Igf2與H19位于小鼠17號染色體遠端，其中Igf2是母源印記基因，H19位于Igf2下游，是父源印記基因。Igf2/H19受H19上游DMR調(diào)控，共用一個增強子，增強子位于H19下游。在母本染色體中，DMR未甲基化，DMR區(qū)域有潛在的CCCTC結(jié)合位點，可結(jié)合絕緣子CTCF因子，形成絕緣子，以阻斷增強子和Igf2啟動子的作用，但不影響其與H19啟動子的作用，使得H19能順利表達。在父本染色體中，H19的啟動子區(qū)域甲基化，H19沉默，不形成絕緣子，增強子作用于Igf2啟動子，Igf2表達。

2 印記基因與腫瘤的發(fā)生

印記基因的正常表達使生物體能正常發(fā)育，而印記基因中雙親等位基因若同時表達或同時沉默會導致腫瘤的發(fā)生。

2.1 IGF2/H19與腫瘤的發(fā)生 IGF2與IGF1R結(jié)合后激活酪氨酸激酶受體，通過PI3K/AKT通路抑制細胞凋亡，通過RAS/MAP激酶通路促進細胞增殖[5]。母本染色體DMR失調(diào)導致IGF2印記丟失（loss of imprinting，LOI），促進IGF2雙等位基因表達，致使細胞過度增殖。在多種腫瘤中發(fā)現(xiàn)，IGF2過表達與腫瘤發(fā)生相關(guān)。LOI最初是在Wilms腫瘤中發(fā)現(xiàn)的，隨后發(fā)現(xiàn)，IGF2的LOI現(xiàn)象普遍存在于腫瘤中。IGF2的LOI在結(jié)腸癌表現(xiàn)為近端和遠端結(jié)腸的彌漫性異常，一些結(jié)腸癌患者的正常結(jié)腸組織可檢測出IGF2的LOI[6]。Sakatani等[7]構(gòu)建IGF2印記缺失型小鼠，發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌的發(fā)生率提高了2倍，并觀察到癌前病變現(xiàn)象。

H19能被折疊成一個特殊的二級結(jié)構(gòu)，這使其能與RNA結(jié)合蛋白和DNA/染色質(zhì)修飾因子等相關(guān)蛋白結(jié)合，調(diào)節(jié)相關(guān)生理過程。H19于胚胎期高表達，出生后在多數(shù)組織中沉默，但腫瘤發(fā)生過程中可重新激活。在許多腫瘤中發(fā)現(xiàn)，H19能通過不同的機制發(fā)揮致癌作用。H19能促進癌細胞增殖并抑制癌細胞死亡。在乳腺癌細胞中，H19促進G1/S轉(zhuǎn)變[8]。高表達的H19可促進EZH2與促凋亡因子BIK啟動子的結(jié)合，抑制BIK的表達。H19也可降低抑癌因子的水平。在膀胱癌細胞中，H19通過miR-675抑制p53表達。在胃癌中，H19導致p53部分失活。H19還能促進癌細胞的遷移、侵襲和轉(zhuǎn)移。上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelialmesenchymal transition，EMT）是腫瘤擴散的重要機制，在膀胱癌中，H19與EZH2結(jié)合，促進wnt/βcatenin的激活，致使上皮標記E-cadherin表達下降，促進 EMT[9]。

2.2 CDKN1C位點與腫瘤的發(fā)生 CDKN1C位點位于人類1號染色體上，包含父源印記基因KCNQ1、CDKN1C及母源印記基因KCNQ1OT1，由位于KCNQ1內(nèi)含子中的KvDMR1調(diào)控。

CDKN1C編碼p57kip2蛋白，其氨基端含有一個CDK抑制結(jié)構(gòu)域[10]，可與細胞周期蛋白CDK復合物結(jié)合并抑制細胞周期進程。CDKN1C可促進細胞分化，在橫紋肌肉瘤細胞中，轉(zhuǎn)錄因子MyoD受損，致使p57kip2轉(zhuǎn)錄減少，成肌細胞分化受阻。CDKN1C可調(diào)節(jié)細胞死亡，促進HeLa細胞線粒體凋亡途徑，激活caspase 9和caspase 3。CDKN1C還能抑制膠質(zhì)瘤細胞遷移和侵襲的能力。

KCNQ1編碼電壓門控鉀離子通道的一個亞基。鉀離子通道參與許多類型細胞的增殖，在結(jié)、直腸癌與肝細胞性肝癌中，KCNQ1過表達抑制細胞的增殖與侵襲。KCNQ1是wnt/β-catenin通路的靶基因與調(diào)控因子，在結(jié)、直腸癌細胞中，活化的wnt/β-catenin通過直接結(jié)合TCF4復合物抑制KCNQ1蛋白的表達，KCNQ1抑制劑引起β-catenin重新進入細胞質(zhì)，刺激結(jié)、直腸癌細胞增殖[11]。

KCNQ1OT1編碼一個lncRNA，能負性調(diào)節(jié)KCNQ1的表達。在結(jié)、直腸癌細胞中，β-catenin與KCNQ1OT1啟動子直接結(jié)合，使KCNQ1OT1基因的表達顯著提高。在肝細胞性肝癌中，KCNQ1OT1基因敲除降低了GSK3β的磷酸化水平，下調(diào)β-catenin，抑制抗凋亡基因Bcl-2的表達[12]。

2.3 DLK1/MEG3與腫瘤的發(fā)生 DLK1/MEG3位于人類14號染色體上，其中DLK1是母源印記基因，MEG3是父源印記基因，DLK1由IG-DMR調(diào)控，MEG3由MEG3-DMR調(diào)控。

DLK1編碼DLK1蛋白，在胎盤組織高表達，在正常組織中沉默，但在多種腫瘤中異常表達。IG-DMR的甲基化異常與肝母細胞瘤、垂體瘤、腎細胞癌等相關(guān)。Yin等[13]發(fā)現(xiàn)高表達的DLK1蛋白可使神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞的增殖能力明顯增強，上調(diào)細胞周期蛋白Cyclin D1、CDK2和E2F4的表達。

MEG3編碼lncRNA，在許多正常組織中表達，但在腫瘤中表達受抑制。在許多類型的腫瘤中，例如，垂體瘤、成神經(jīng)細胞瘤、腦膜瘤、肝細胞性肝癌等，均可觀察到MEG3-DMR的高甲基化與MEG3的沉默或表達降低。Braconi等[14]發(fā)現(xiàn)MEG3在肝細胞性肝癌細胞中的表達增強，顯著抑制腫瘤細胞的生長，誘導細胞凋亡。

3 總結(jié)

印記基因在生物生長發(fā)育過程中起至關(guān)重要的作用。通常，印記基因與胚胎發(fā)育有關(guān)，表現(xiàn)為促進或抑制胚胎發(fā)育。若印記基因同時表達或沉默，可造成細胞過度增殖或誘導細胞凋亡，導致腫瘤發(fā)生。正是印記基因上攜帶的特異性表觀遺傳標記，使雙親等位基因的表達受到嚴格的調(diào)控，才使生物體的各項生命活動正常進行。