DNA甲基化与癌症

DNA甲基化与癌症福建医科大学李丹DNA甲基化•DNA甲基化是通过DNA甲基转移酶（DNMTs）将甲基从S-腺苷蛋氨酸转移到胞嘧啶的5位来完成的，参与调控基因的表达和细胞分化的过程，在哺乳动物的发育中有重要的作用。•其特点有：•DNA甲基化是重要的表观遗传修饰•主要发生在DNA的CpG岛•通过DNA甲基转移酶（DNMTs）来完成•可分为高甲基化和低甲基化DNA的高甲基化与低甲基化•高甲基化：意味着基因的沉默•低甲基化：意味着基因的激活基因突变与DNA甲基化•对不同肿瘤细胞的DNA分析表明，癌变细胞中出现基因突变的概率要远远低于预期，而在转录组范围内检测结肠直肠癌中由启动子高甲基化引起的基因表达抑制，发现高达5%的已知基因在肿瘤细胞中发生了异常的启动子高甲基化。•因此可以推测，与基因突变相比，DNA甲基化改变在细胞恶变过程中可能发挥了更大的作用。肿瘤细胞具有以下特征：•1.逃避细胞死亡(resistingcelldeath)•2.对生长抑制信号不敏感(evadinggrowthsuppressors)•3.诱导新血管生成(inducingangiogenesis)•4.无限的复制潜能（enablingreplicativeimmortality)•5.组织浸润和转移（activatinginvasionandmetastasis)•6.持续的增殖信号（sustainingproliferativesignaling)•近几年的研究发现，特定基因的DNA高甲基化在这些过程中均发挥重要作用1.DNA甲基化与肿瘤细胞逃避细胞死亡机制•p53基因是一个重要的抑癌基因，可以促使损伤细胞发生凋亡INK4a/ARF基因启动子区域的甲基化使p14ARF表达下降MDM2表达上升结合p53使p53发生蛋白质水平的降解使细胞逃离p53引起的凋亡（p14ARF的作用是抑制MDM2表达）1.DNA甲基化与肿瘤细胞逃避细胞死亡机制•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启动子区高甲基化引起BNIP3表达沉默导致细胞逃避缺氧时的凋亡2.DNA甲基化与肿瘤细胞对生长抑制信号不敏感机制•细胞生长抑制因子对细胞生长的调控存在多种机制，其中由pRb参与的G1/S检测点调控尤其重要。正常情况下：p16蛋白CDK4/6结合CDK复合物与周期蛋白D结合阻止pRb不能磷酸化促使未磷酸化的pRbE2F结合阻止细胞从G1期进入S期起到抑制细胞生长的作用2.DNA甲基化与肿瘤细胞对生长抑制信号不敏感机制•DNA甲基化发生时：p16基因的启动子区域甲基化p16蛋白表达受到抑制TGFβ生长抑制信号通路失去作用肿瘤细胞异常生长在丙肝病毒感染的肝细胞中，发现了丙肝病毒的核心蛋白(coreprotein)可引起p16基因启动子的甲基化，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.DNA甲基化与诱导新血管生成机制•新血管的生成是癌症发生中重要的步骤，新血管生成首先需要金属蛋白酶分解细胞外基质，再通过血管内皮生长因子(VEGF)来诱导血管生成组织金属蛋白酶抑制剂3（TIMP3）抑制金属蛋白酶的活性与VEFGR2结合阻止血管生成肿瘤细胞中TIMP3的下调有一部分原因是由于启动子区域的甲基化引起的4.DNA甲基化与肿瘤细胞无限复制潜能的机制•癌细胞无限的复制潜能主要与端粒酶活性的升高有关；•端粒酶可以利用RNA逆转录DNA，解决DNA复制时末端缺失的问题；•正常情况下端粒酶只有在受精卵和干细胞中才有活性，而肿瘤细胞大多具有高活性的端粒酶；•端粒酶的重要组成部分—人端粒酶逆转录酶(hTERT)的活性与端粒酶活性高度相关。4.DNA甲基化与肿瘤细胞无限复制潜能的机制•DNA甲基化发生时：启动子区域特异性位置甲基化人端粒酶逆转录酶（hTERT）激活端粒酶活性升高癌细胞无限复制潜能激活既往认为hTERT的激活依赖于启动子区域的甲基化，是至今唯一发现的因甲基化而激活的基因。但最近的研究表明，引起hTERT激活的启动子甲基化有位置特异性，即与启动子特定部位的甲基化及相关区域整体的非甲基化相关5.DNA甲基化与肿瘤组织的浸润和转移机制•组织浸润和转移是细胞恶变的重要特征，近年来这方面的研究进展迅速，细胞骨架的异常调节与肿瘤转移密切相关．•正常情况下，由α-连环蛋白把β-连环蛋白和E-cadherin固定到胞内肌动蛋白纤维上来加固细胞连接•E-cadherin表达下降是通过启动子区域的甲基化来实现的•氮胞苷(DNA甲基化酶抑制剂)可以上调E-cadherin的表达•转移的癌细胞E-cadherin普遍表达下降5.DNA甲基化与肿瘤组织的浸润和转移机制•KiSS-1是近年发现的一个重要的肿瘤转移抑制基因KiSS-1促进E-cadherin表达抑制IV型胶原酶抑制肿瘤转移启动子甲基化所导致的KiSS-1表达抑制在胃癌、膀胱癌、肝癌的转移中都有重要的作用5.DNA甲基化与肿瘤组织的浸润和转移机制•抑癌基因LZTS1•在一项针对乳腺癌的研究中发现，抑癌基因LZTS1的启动子甲基化所导致的表达下降与乳腺癌的淋巴结转移相关．•LZTS1启动子区甲基化引起的表达下降在前列腺癌、非小细胞型肺癌、胃癌、乳腺癌中都与预后不良相关5.DNA甲基化与肿瘤组织的浸润和转移机制•DFNA5是一个新发现的乳腺癌相关基因DFNA5甲基化后，其表达抑制正常情况下可以促进细胞淍亡导致肿瘤细胞转移几率增大6.DNA甲基化与肿瘤细胞持续的增殖信号的机制•大部分的癌细胞不需要外界的生长刺激因子的作用就可以完成增殖，原因是细胞内的信号转导通路发生了变化，导致促增殖因子作用的增强。SFRPs基因家族编码的蛋白抑制Wnt通路6.DNA甲基化与肿瘤细胞持续的增殖信号的机制•DNA甲基化发生时：SFRPs的启动子区域的高甲基化SFRPs表达抑制刺激细胞分裂促进Wnt通路的过度激活因而细胞在不需要外界生长刺激因子的作用下就可以不断增殖7.microRNA的高甲基化与癌症•microRNA•microRNA(miRNA)是细胞内一种重要的非编码RNA，其功能主要是通过与mRNA的3'UTR序列互补结合而抑制mRNA的翻译。•miRNA在调节细胞内的蛋白质表达水平过程中发挥重要的作用7.microRNA的高甲基化与癌症•已发现多种miRNA在肿瘤细胞中因启动子区高甲基化而导致转录抑制。•这些miRNA的靶基因中包含一些促分裂增殖的癌基因。•miRNA表达下降使这些癌基因编码的蛋白质表达升高，从而加速肿瘤的发生发展。7.microRNA的高甲基化与癌症•在结肠直肠癌细胞系HCT-116中：miR-124a的启动子区异常高甲基化miR-124a表达减少导致其靶基因CDK6过表达促进肿瘤发生7.microRNA的高甲基化与癌症•在急性髓样淋巴瘤中：miR-193a的启动子区异常高甲基化miR-193a表达减少其靶基因c-kit过表达促进肿瘤发生7.microRNA的高甲基化与癌症乳腺癌中，miR-355可以抑制乳腺癌细胞的转移，因为miR-355可以抑制SOX4基因表达引起的细胞外基质的酶解。miR-129-2是另一个和SOX4表达沉默有关的miRNA，在结肠直肠癌和胃癌中都发现了miR-129-2的启动子区域高甲基化现象。DNA去(低)甲基化与癌症•与癌症发生过程中DNA的甲基化不同，DNA的去甲基化包括：1.特定基因的甲基化水平降低2.基因组范围整体DNA甲基化的降低2.1影响染色体稳定性和基因组完整性2.2影响重复序列的表达DNA甲基化与癌症的诊断•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•细胞DNA甲基化水平的检测:甲基化特异的PCR技术(methylation-specificPCR，MSP)•由于MSP的高敏感性，对于癌症的早期诊断鉴别非常有利DNA甲基化与癌症的诊断•DNA甲基化与癌症的诊断的优点：•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DNA甲基化与癌症的诊断•在许多癌症中都已经发现了癌症相关基因甲基化水平的改变：如•外周血细胞的DNA低甲基化与膀胱癌的发生密切相关•CDH13、MYOD1、MGMT、P16INK4b和RASSF1A基因的甲基化水平在常见的膀胱癌、直肠癌、肺癌、肝癌等细胞中都表现出了明显的改变•在非小细胞肺癌中，TFPI-2基因的甲基化通常意味着较差的预后DNA甲基化与癌症治疗与基因的突变不同，表观遗传学的改变大都是可逆的，因此，利用药物来改变细胞的表观遗传学状态可能是治疗癌症的一条新途径DNA甲基化与癌症治疗•目前的甲基化酶抑制剂主要有zebularine和5-aza-2-deoxycytidine(5-ADC)：••5-ADC在试验中显示了对骨髓增生症、白血病和实体肿瘤都有明显的疗效•Zebularine是一种很有希望的口服DNMT抑制剂，在小鼠的肠癌模型中能够明显减少息肉的数量DNA甲基化与癌症治疗•基化抑制剂如5-fluorodeoxycytidine(FdCyd)，N4-NPEOCDAC，RG108和epigallocatechin-3-gallate(EGCG)在实验中均表现出了对肿瘤的抑制作用。•DNA甲基化抑制剂的研究才刚刚起步，但已表现出巨大的潜力，可以预想在将来会成为癌症治疗的一个重要方面．结语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，从而促进了癌症的发生。结语同时，DNA的甲基化改变也为癌症的诊断和治疗提供了一条新的途径。通过检测DNA甲基化可以提前发现癌变;通过纠正DNA甲基化异常则可能逆转细胞的恶变。结语进一步阐明肿瘤细胞特异DNA甲基化改变的机制及与肿瘤发生发展的关系，将为最终攻克肿瘤治疗难题提供新的思路。谢谢!