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系組蛋白甲基化及其與腫瘤的關系,DNA甲基化,概念：DNA甲基化（DNAmethylation)是指在DNA甲基轉(zhuǎn)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）。,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,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

2、物學意義在于基因表達的時空調(diào)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。,4、DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機制：(1)干擾轉(zhuǎn)錄因子對DNA元件的識別和結(jié)合,(2)序列特異性的甲基化DNA結(jié)合蛋白與啟動子區(qū)甲基化CpG島結(jié)合，募集組蛋白去乙?；?HDAC)，形成轉(zhuǎn)錄抑制復合物，阻止轉(zhuǎn)錄因子與啟動子區(qū)靶序列的結(jié)合，從而影響基因的轉(zhuǎn)錄。,GeneexpressionisaffectedbynearbyDNAsequencescalledpromoters,whichoftenincludeCpGis

3、lands.WhenMeCP2bindstotheCpGislandinapromoter(bottom),associatedproteinsacttopreventexpressionofthegene.,（3）DNA甲基化通過改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，抑制基因表達。染色質(zhì)構(gòu)型的變化伴隨著組蛋白的乙酰化和去乙?；哉{(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的“開”和“關”。,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,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：,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(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒元件在

4、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(zhuǎn)座子序列。這些可移動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。,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(jié)腸癌、直腸癌中癌基因C-MYCHapa2位點也觀察到低甲基化。另外，一

5、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)。,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(nèi)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。,人類癌癥中具有高甲基化CpG島的基因,抑癌基因過甲基化與腫瘤有關,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,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

6、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(jīng)常遭遇到異常高甲基化。,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(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的同源基因p73也被過甲基化。,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2和細胞視黃醇結(jié)合蛋白的啟動子過甲基化的腫瘤可能廢止類維

7、生素A的分化作用。,細胞因子信號,幾條細胞因子通路負調(diào)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(zhuǎn)錄活性轉(zhuǎn)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(jīng)歷了甲基化相關的沉默。,總之，與低甲基化相比，高甲基化是一個較簡單的現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)在特殊基因的調(diào)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。,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)移酶介導催化。,2.分類：24個組

8、蛋白甲基化位點，其中17個位于賴氨酸，7個位于精氨酸。,組蛋白甲基化,3.相關酶：,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,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(zhuǎn)移酶和組蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶C：組蛋白甲基化標記對基因表達調(diào)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(diào)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(jié)合不同數(shù)目的殘基，賴氨酸殘基能

9、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)移酶對異染色質(zhì)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(zhì)和異染色質(zhì)在特定區(qū)域分開。在形成異染色質(zhì)的過程中，Su（var）3-9通過與異染色質(zhì)蛋白1（HP1）相互作用來控制蛋白質(zhì)的定位。,組蛋白甲基化與基因印記,基因印記是指一對等位基因中，

10、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(zhuǎn)移酶在基因印記中發(fā)揮重要作用，缺少組蛋白甲基轉(zhuǎn)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。,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(jīng)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

11、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。,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。,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(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，染色體錯誤分離，導致B細胞淋巴瘤。人的S

12、uv39h1/2與視網(wǎng)膜膠質(zhì)瘤蛋白RB共同調(diào)節(jié)周期蛋白E（cyclineE）的基因表達，Suv39h1/2的功能下調(diào)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(zhuǎn)移酶突變與多種類型白血病有關。結(jié)腸癌和肝癌細胞中SMYD3甲基轉(zhuǎn)移酶過表達，前列腺癌、淋巴瘤、乳腺癌中EZH2甲基轉(zhuǎn)移酶高表達，這些研究說明組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶異常可能從參與實體腫瘤的發(fā)生。,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

13、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(jié)腸癌中p16INK4a、p14ARF、APC和MGMT存在過甲基化，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(zhuǎn)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，從而導致細胞死