甲基化與腫瘤

關于甲基化與腫瘤第1頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三第2頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三內容提綱DNA甲基化及其與腫瘤的關系組蛋白甲基化及其與腫瘤的關系第3頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三DNA甲基化概念：DNA甲基化（DNAmethylation)是指在DNA甲基轉移酶（DNMTs）的作用下，將一個甲基添加在DNA分子中的堿基上，最常見的是加在胞嘧啶上，由此形成5-甲基胞嘧啶（5mC）。第4頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三第5頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三1、DNA甲基化位點：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子區(qū)，部分位于基因的第一個外顯子區(qū)；B、CpG島甲基化可以直接導致相關基因的表觀遺傳學沉默。DNA甲基化第6頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三3、DNA甲基化的生物學意義DNA甲基化直接制約基因的活化狀態(tài)。在進化和生命體活動中，DNA甲基化的生物學意義在于基因表達的時空調控，以及保護基因組的穩(wěn)定性。例如，基因在不同時期特異表達，有些基因在發(fā)育早期甲基化，發(fā)育晚期被誘導去甲基化；管家基因低甲基化；印記基因高甲基化等。第7頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三4、DNA甲基化抑制基因轉錄的機制：(1)干擾轉錄因子對DNA元件的識別和結合第8頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三

(2)序列特異性的甲基化DNA結合蛋白與啟動子區(qū)甲基化CpG島結合，募集組蛋白去乙?；?HDAC)，形成轉錄抑制復合物，阻止轉錄因子與啟動子區(qū)靶序列的結合，從而影響基因的轉錄。第9頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三GeneexpressionisaffectedbynearbyDNAsequencescalledpromoters,whichoftenincludeCpGislands.WhenMeCP2bindstotheCpGislandinapromoter(bottom),associatedproteinsacttopreventexpressionofthegene.第10頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三（3）DNA甲基化通過改變染色質結構，抑制基因表達。染色質構型的變化伴隨著組蛋白的乙酰化和去乙?；?，以調控基因轉錄的“開”和“關”。

第11頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三DNA甲基化與腫瘤相關基因的低甲基化抑癌基因的過甲基化第12頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三腫瘤中重復序列DNA的低甲基化腫瘤中單拷貝基因的低甲基化人類基因組中與癌癥相關的低甲基化：第13頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三

腫瘤中重復序列DNA的低甲基化

長散在核苷元件（LINE）和Alu等重復序列及某些內源性逆轉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DNA或轉座子序列。這些可移動DNA的低甲基化可以引起癌基因轉錄激活且發(fā)生于許多腫瘤中。此外，可移動DNA的低甲基化也能破壞鄰近基因的正常表達。例如，LINE-1的突變性插入破壞了大腸癌和乳腺癌中抑癌基因APC和C-MYC的表達，導致腫瘤的發(fā)生。第14頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三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的基因的甲基化。原癌基因HOX11在一些T細胞型淋巴母細胞白血病中和腫瘤抗原基因MN/CA49在一些腎癌細胞癌中，都已發(fā)現(xiàn)有低甲基化現(xiàn)象。在結腸癌、直腸癌中癌基因C-MYCHapa2位點也觀察到低甲基化。另外，一些腫瘤標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等在某些腫瘤中也程現(xiàn)低甲基化狀態(tài)。第15頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三總之，兩個主要的機制均暗示DNA低甲基化可能導致癌癥。第一，它可能改變單基因表達，例如癌基因的過量表達，對癌癥直接發(fā)揮作用，或者，它可以打斷腫瘤抑制基因，破壞體內的抗腫瘤機制。第二，DNA低甲基化可能導致染色體不穩(wěn)定，增加腫瘤易感性。第16頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三人類癌癥中具有高甲基化CpG島的基因基因功能定位腫瘤類型結論p16INK4a周期依賴激酶抑制劑9p21多種腫瘤細胞周期入口P14ARFMDM2抑制劑9p21結腸癌、胃癌、腎癌p53下游基因P15LNK4b周期依賴激酶抑制劑9p21白血病細胞周期入口hMLH1DNA錯配修復3p21.3結腸癌、子宮內膜癌、胃癌移碼突變BRCA1DNA修復、轉錄17q21乳腺癌、卵巢癌雙鏈打斷抑癌基因過甲基化與腫瘤有關第17頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三1.細胞周期2.P53網(wǎng)絡3.激素應答4.細胞因子信號抑癌基因過甲基化與腫瘤發(fā)生的機制第18頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三細胞周期在許多人類的主要腫瘤和細胞系中，細胞循環(huán)抑制物p16INK4a均被過甲基化，使癌細胞易脫離衰老并增殖。同樣，RB基因和細胞循環(huán)抑制物p15INK4b也經常遭遇到異常高甲基化。第19頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三p53網(wǎng)絡人類癌癥中，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。另一個使p53失活的方式是通過甲基化調節(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的同源基因p73也被過甲基化。第20頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三激素應答雌激素、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，可能導致這些癌細胞不對此類激素發(fā)生應答。表現(xiàn)出視黃酸受體β2和細胞視黃醇結合蛋白Ⅰ的啟動子過甲基化的腫瘤可能廢止類維生素A的分化作用。第21頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三細胞因子信號幾條細胞因子通路負調控中的發(fā)現(xiàn)均暗示細胞因子信號抑制劑（SOCS）家族蛋白的存在，特別是轉錄活性轉錄體Jak/STAT通路的受體相關酪氨酸/信號變化器和激活劑。在人類癌癥中，SOCS-1和SOCS-3經歷了甲基化相關的沉默。第22頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三總之，與低甲基化相比，高甲基化是一個較簡單的現(xiàn)象，經常出現(xiàn)在特殊基因的調控/啟動區(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。第23頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三組蛋白甲基化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，由組蛋白甲基轉移酶介導催化。2.分類：24個組蛋白甲基化位點，其中17個位于賴氨酸，7個位于精氨酸。第24頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三組蛋白甲基化3.相關酶：

蛋白質精氨酸甲基轉移酶精氨酸SET家族賴氨酸組蛋白甲基轉移酶（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）第25頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三組蛋白甲基化第26頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三組蛋白甲基轉移酶特點A：組蛋白賴氨酸的甲基化是可逆的B：分兩個家族，即組蛋白賴氨酸甲基轉移酶和組蛋白精氨酸甲基轉移酶C：組蛋白甲基化標記對基因表達調控的作用可以完全相反，有時促進基因表達，有時卻抑制基因表達，調控作用取決于甲基化的位點和甲基化的程度D：修飾的復雜性，即某一特定殘疾可以結合不同數(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控的復雜性第27頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三組蛋白甲基化功能組蛋白甲基化與異染色質形成組蛋白甲基化與基因印記組蛋白甲基化與X染色體失活第28頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三

組蛋白甲基化與異染色質形成

SUV39H1和SUV39H2甲基轉移酶對異染色質的形成具有重要作用。將兩個基因突變后，H3K9的甲基化會減少一半，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位點的甲基化可以將常染色質和異染色質在特定區(qū)域分開。在形成異染色質的過程中，Su（var）3-9通過與異染色質蛋白1（HP1）相互作用來控制蛋白質的定位。第29頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三

組蛋白甲基化與基因印記

基因印記是指一對等位基因中，一條來自父方，一條來自母方，其中任何一方基因表達處于抑制狀態(tài)，就被稱為基因印記。組蛋白甲基轉移酶在基因印記中發(fā)揮重要作用，缺少組蛋白甲基轉移酶會導致基因印記丟失。最近，有兩項在大鼠7號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。第30頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三

組蛋白甲基化與X染色體失活

雌性哺乳動物的劑量補償是由X染色體失活和Xist非編碼RNA決定的。在胚胎干細胞分化過程中，Xist表達和H3K27me3、H4K20me1、DAN甲基化有關。胚胎組織隨機X染色體失活是由DNA甲基化控制的，而胚外組織對于已經印記的X染色體失活的維持是依賴Eed的功能和Xist的表達，與DAN甲基化無關。由此可見，X染色體失活和基因印記可能由同樣的機制引起，這些機制中就包括組蛋白甲基化。第31頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三組蛋白甲基化與腫瘤組蛋白的甲基化狀態(tài)與基因表達有關，因此腫瘤細胞也存在組蛋白甲基化的異常，如下表。

第32頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三組蛋白甲基化與腫瘤RIZ1（PRDM2）具有H3K9位甲基轉移酶活性，研究發(fā)現(xiàn)在某些腫瘤，如乳腺癌、肝癌、結腸癌、神經母細胞瘤中，該基因發(fā)生基因突變而失去活性，而其失活有引起G2-M期的細胞周期延長，凋亡抑制，因此推測H3K9位組蛋白甲基轉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)生過程。第33頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三組蛋白甲基化與腫瘤Suv39h1/2剔除的鼠基因不穩(wěn)定，染色體錯誤分離，導致B細胞淋巴瘤。人的Suv39h1/2與視網(wǎng)膜膠質瘤蛋白RB共同調節(jié)周期蛋白E（cyclineE）的基因表達，Suv39h1/2的功能下調可能導致增殖失控而發(fā)生癌變，如霍奇金淋巴瘤。另外，H4R3位甲基化影響白血病細胞的分化。MLL1甲基轉移酶突變與多種類型白血病有關。結腸癌和肝癌細胞中SMYD3甲基轉移酶過表達，前列腺癌、淋巴瘤、乳腺癌中EZH2甲基轉移酶高表達，這些研究說明組蛋白甲基轉移酶異?？赡軓膮⑴c實體腫瘤的發(fā)生。第34頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三腫瘤表觀遺傳學的臨床意義一、CpG島高甲基化用于腫瘤的診斷近年來的廣泛定位確定了越來越多的癌癥中異常過甲基化的基因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島的獨特外形，從而可能制作一個全面的人類每種癌癥的“甲基型”或“DNA甲基化簽名”。例如，直結腸癌中p16INK4a、p14ARF、APC和MGMT存在過甲基化，而非典型子宮內膜增生中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)生高危人群中第35頁，講稿共38頁，2023年5月2日，星期三尤其有用，因為它們有和散發(fā)病例相似的CpG島過甲基化。二、CpG島高甲基化用于預測腫瘤療效MGMT蛋白（O-6-甲基鳥嘌呤DNA甲基轉移酶）在DNA鳥嘌呤額外烷基化中直接起作用。該堿基是DNA中幾個烷基化化療藥物的首選靶點，如BCNU（卡氮芥）、丙卡巴肼、替莫唑胺。所以，因過甲基化而失去MGMT的腫瘤可能對這些烷化劑更敏感，因為在癌細胞中，它們的DNA損害不可能被修復，從而導致