1、DNA 甲基化与癌症发生的关系摘要：传统观点认为，肿瘤发生、发展的主要机制是各种物理、化学、生物致癌因素造成 DNA 序列变异，从而导致细胞生长、分化失控，最终导致肿瘤的形成。近年来，随着研究的深入，人们发现 DNA 序列以外的调控机制异常在肿瘤的发生、发展过程中更为普遍，这种不依赖于 DNA 序列变化的可遗传的调控机制称为表观遗传学机制，该机制是与基因突变无关的可遗传的表型变化，其中 DNA 甲基化是表观遗传学研究最为深入的一种机制。1 引言越来越多的研究表明，DNA 的甲基化异常和癌症的发生发展有着密切的关系。无论是异常的 DNA 高甲基化还是低甲基化都会导致基因的表达异常，从而促进了癌症
2、的发生。2 DNA 甲基化的基本概念DNA 甲基化是指生物体在 DNA 甲基化转移酶（DNMT）的催化下，以 S-腺苷甲硫氨酸(SAM) 为甲基供体，将甲基转移到特定的碱基上的过程。它可以发生在腺嘌呤的 N -6 位、胞嘧啶的 N -4 位、鸟嘌呤的 N -7 位或胞嘧啶的 C-5位等。但是在哺乳动物中，DNA 甲基化主要发生在 5-3的 CpG 岛上，生成 5-甲基胞嘧啶(5mC)。CpG 岛是指含有大量相联的胞嘧啶、鸟嘌呤，以及使两者相连的磷酸酯键，通常位于基因启动子区域(promoter region)，在正常情况下，CpG 岛是以非甲基化形式存在于基因的启动子内，如图 1。DNA 甲基
3、化是一种表观（epigenetic）修饰，即在不改变 DNA 序列的情况下，对个体的生长、发育、基因表达模式以及基因组的稳定性起到重要的调控作用。在肿瘤研究过程中，发现 DNA 甲基化是其发生过程中最为重要的表观遗传学改变。3 DNA 甲基化在肿瘤发生中的作用通常，分子的甲基化能起到保护的作用，DNA 高甲基化保护 DNA 分子的稳定性，使其难以发生转录，意味着基因的沉默；反之，DNA 分子的低甲基化意味着基因的激活1。与正常细胞基因组相比，肿瘤细细胞基因组呈现如下特点：整体甲基化水平降低以及特定位点的启动子甲基化水平升高。在正常细胞中，位于抑癌基因启动子区域的 CpG 岛处于低水平或未甲基化
4、状态，此时抑癌基因处于正常的激活状态，能够表达发挥抑癌作用；而在肿瘤细胞中，该区域的 CpG 岛被高度甲基化，染色质构象发生改变，抑癌基因沉默，不能表达，从而导致细胞进入细胞周期，凋亡丧失，DNA 修复缺陷，血管生成（使得急剧增大的新生肿瘤细胞组织总是能够获得循环系统的支持）以及细胞粘附功能缺失（能够在体内扩散并入侵非原位的组织器官）等，最终导致肿瘤发生。同样，对于在正常细胞中处于高度甲基化的一些基因（如抑癌基因）和重复序列（如转座子） ，如果其甲基化水平降低，这些基因将表达和重复序列将激活，从而导致基因印记丢失，细胞过度增长，不合适的细胞特异性表达，基因组脆性增加，以及内寄生序列(endop
5、arasitic sequence)的激活，最终也导致肿瘤发生。如下图 23.1 DNA 高甲基化与癌症肿瘤细胞 DNA 的高甲基化体现在启动子 CpG 岛甲基化抑制抑癌基因的表达。如下图 3，正常细胞（A）中，启动子 CpG 岛未被甲基化，乙酰化的组蛋白与 DNA 结合成松散的正常状态的染色质，这些区域的染色质构型及组蛋白的乙酰化状态能够促进启动子转录复合物的结合，从而使基因表达。然而在肿瘤细胞（B ）中，启动子 CpG 岛超甲基化后，甲基 -胞嘧啶- 结合蛋白(MBPs)结合在启动子区域的 DNA 上。在 MBPs 的存在下，包含有组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）的转录抑制复合物（R）结合于基
6、因启动子区域。组蛋白在 HDAC的作用下脱乙酰化。超甲基化的启动子区域 DNA 与脱乙酰化的组蛋白组装成紧密的异染色质结构。转录因子不能结合于启动子上，基因表达沉默。现在认为，肿瘤细胞具有以下特征：逃避细胞死亡、对生长抑制信号不敏感、诱导新血管生成、无限的复制潜能、组织浸润和转移、持续的增殖信号2。3.1.1 逃避细胞死亡机制通常情况下，细胞在接触抑制、辐射、凋亡信号分子等刺激时会发生凋亡，但是癌细胞却可以不受凋亡的控制，而大量分裂增殖。如 BNIP3，是一个凋亡相关因子，它定位于线粒体，可以诱导细胞在缺氧情况下发生凋亡。BNIP3 启动子区域包含 CpG 岛，细胞恶变时 BNIP3 启动子区
7、高甲基化引起 BNIP3 表达沉默，导致细胞逃避缺氧时的凋亡，从而生长为肿瘤。3.1.2 对生长抑制信号不敏感正常情况下，细胞的生长是遵从整体环境需求的，而肿瘤细胞基本不服从任何来自外部环境的对于其生长的抑制调控，任意生长。如 p16 基因是一种直接参与细胞周期的调控，负调节细胞增殖与分裂的基因。在丙肝病毒感染的肝细胞中，发现了丙肝病毒的核心蛋白可引起 p16 基因启动子的甲基化，使 p16表达水平下降从而促进了细胞的分裂，在丙肝诱导的肝癌中起着重要的作用3。表 1 常见的被甲基化抑癌基因与修复基因及其部分相关肿瘤3.2.DNA 低甲基化与癌症DNA低甲基化（去甲基化）是指5-甲基胞嘧啶（5m
8、C）被胞嘧啶代替的过程，异常细胞是在应该发生甲基化的位点未发生甲基化。有报道人淋巴细胞和结肠细胞叶酸缺乏可以导致DNA低甲基化，有报道人淋巴细胞和结肠细胞叶酸缺乏可以导致DNA低甲基化4。低甲基化引发肿瘤的途径主要有三条：（1）增加染色体的不稳定性， （2）导致转座子的异常表达， （3）激活原癌基因表达。3.2.1增加染色体的不稳定性DNA广泛的低甲基化使染色质结构改变，凝聚程度降低，易发生染色体重组杂合性丢失，另一个仍保留的等位基因往往是无功能的，如果这种丢失发生在相关抑癌基因上，则会引发肿瘤。3.2.2导致转座子异常表达转座子（transposon，Tn ）是存在于染色体 DNA 上可自主
9、复制和移位的一段序列。在正常情况下，转座子呈甲基化状态而转录关闭，但在肿瘤细胞中，转座子因低甲基化而被激活，可转移至其他位点引起突变。如 LINE-1 是人类基因组中最活跃、最丰富的可移动 DNA 或转座子序列。其甲基化程度同样与宫颈癌发生密切相关。其中在宫颈磷状细胞癌中 L1 低甲基化水平高于宫颈原位癌。并且显著高于正常宫颈上皮，实验说明从正常子宫组织到宫颈原位癌和侵袭性癌的整过程与 Line 一 1 的低甲基化程度都有明显关系5 。3.2.3 原癌基因激活正常细胞中，由于甲基化作用原癌基因多处于沉默状态，但在多种肿瘤细胞中，均发现原癌基因处于低甲基化状态，并且低甲基化状态与其蛋白表达升高密
10、切相关，表明低甲基化状态可使原癌基因激活6。4 DNA 甲基化与癌症治疗表观遗传学的改变是细胞癌变的重要特征之一，因此，细胞 DNA 甲基化的变化可以作为癌症早期诊断的重要依据。且 DNA 甲基化检测稳定性好，有组织特异性，易于检测且其异常程度常与癌症的进展相关。常用的检测方法有甲基化特异性的 PCR 技术、亚硫酸氢盐处理测序等。而且表观遗传学的改变大多是可逆的，因此利用药物来改变细胞的表观遗传学状态，抑制 DNA 高甲基化可能是治疗癌症的一条新途径。目前的甲基化酶抑制剂主要有 zebularine 和 5-aza-2-deoxycytidine( 5-ADC)。其中 5-ADC 在试验中显示
11、了对骨髓增生症、白血病和实体肿瘤都有明显的疗效7。但是，DNA 甲基化转移酶抑制剂会不会造成基因组不稳定，从而增加其他组织罹患癌症风险，因此如何提高抑制剂药物的剂量和作用位点的准确性仍是一个需要深入研究克服的问题。5 结论与展望对DNA甲基化机制的深入研究为癌症的诊断和治疗提供了一条新的途径。进一步阐明DNA 甲基化异常的机制及与肿瘤发生的关系，将为最终攻克肿瘤治疗难题提供新的思路。DNA 异常甲基化在肿瘤发生中涉及多种蛋白因子的相互作用，其具体作用机理也有待于深入研究。DNMT抑制剂的使用对肿瘤的化疗有广泛的应用前景，但对药物的疗效、副作用及适应人群的评估仍有待于进行大量研究。参考文献1吴川
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