DNA甲基化-去甲基化与癌症.pdf

周建生,等.DNA 甲基化/去甲基化与癌症 381 收稿日期：2012-10-04第一作者：周建生(1988-)，男，硕士生，E-mail:*通信作者：焦炳华(1962-)，男，博士，教授，E-mail:生命的化学,2013,33(4):381-388 综述DNA甲基化/去甲基化与癌症周建生，杨生生，缪明永，焦炳华*(第二军医大学基础部生物化学与分子生物学教研室，上海 200433)摘要：DNA甲基化是真核细胞基因组中常见的可遗传的表观遗传修饰，在调节细胞增殖、分化、个体发育等方面起重要作用，并且DNA甲基化水平异常与肿瘤的发生发展密切相关。DNA甲基化及被动去甲基化主要是在DNA甲基转移酶家族参与下完成的，而DNA的主动去甲基化机制尚不是很明确。在肿瘤细胞中DNA的整体甲基化水平显著降低，但抑癌基因的启动子区域却出现高甲基化。目前尽管有DNA去甲基化药物用于癌症的临床治疗，但药物特异性较差，因而研究特定基因的主动去甲基化机制有助于研发特异性高的药物用于癌症的治疗。关键词：DNA甲基化；DNA去甲基化；癌症；表观遗传治疗Relationship between DNA methylation/demethylation and cancerZHOU Jiansheng,YANG Shengsheng,MIAO Mingyong,JIAO Binghua*(Department of Biochemistry and Molecular Biology,College of Basic Medical Sciences,the Second Military Medical University,Shanghai 200433,China)Abstract:DNA methylation,the most common heritable epigenetic marker of eukaryote genome,plays a critical role in cell proliferation,differentiation,and development.Aberrant DNA methylation is correlated with the onset and progression of cancer.It is well accepted that DNA methylation and DNA passive demethylation are mainly catalyzed by the family of DNA methyltransferases.However,the mechanism of DNA active demethylation is unclear.In cancer cells,the global genomic levels of DNA methylation are lower,but the promoter methylation levels of tumor suppressor genes are higher than in normal tissues.Several demethylating agents have been applied for the clinical treatment of cancer,but these agents are lack of specificity for target genes.So studying the mechanism of active demethylation of specific genes avails the research and development of high-specificity agents for the treatment of cancer.Key words:DNA methylation;DNA demethylation;cancer;epigenetic therapy表观遗传的概念最初是由Conrad Hal Waddington于1942年提出的，他认为基因型通过一些偶然的、不确定的机制决定了不同的表现型1；1987年Holliday将这一表观遗传概念用于DNA甲基化水平改变引起基因表达活性改变现象2；现代表观遗传是指在基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可以遗传的表型。主要的表观遗传标记存在于染色体的不同水平，包括DNA和组蛋白修饰、组蛋白多样性、直接结合于DNA或组蛋白上的染色体非组蛋白修饰、核内RNA(nuclear RNA,nRNA)、染色体高度有序的结构及位置效应等。其中，DNA甲基化作为一种重要的表观遗传修饰，参与许多生物过程，包括基因转录调控、转座子沉默、基因印记、X染色体失活及癌症的发生发展等。本文主要综述DNA甲基化/去甲基化机制及DNA甲基化/去生命的化学2013 年 33 卷 4 期 382 综述甲基化与癌症和癌症的表观遗传治疗的关系等方面的研究进展。1 DNA甲基化/去甲基化及其机制在发育过程中，转录系统会发生一些动态变化，最终产生构成生物体的细胞组织类型。相应地，表观遗传标记也会发生一些动态变化，最终导致特定的基因在特定的时间及特定的组织内表达。研究证明DNA甲基化在长期沉默基因表达方面起重要作用，因此DNA甲基化曾被认为是比较稳定的；但随着研究的深入，人们发现DNA甲基化修饰比最初预想的更具动态性。1.1 DNA甲基化及其机制在哺乳动物中，DNA甲基化大多发生在CpG岛的胞嘧啶上3，在调控基因表达方面起着重要的作用；也有相当一部分甲基化发生在CpG岛之外的区域(non-CpG site)4，但它们的作用尚不明确。基因组水平的DNA甲基化是在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase,DNMT)的作用下，以硫腺苷甲硫氨酸(adenosine methionine sulfur,SAM)作为甲基供体，将一个甲基添加到胞嘧啶的5-碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5mC)图1A。DNMT家族在动物和植物中是高度保守的，主要包括两大类：催化DNA从头甲基化的DNMT和维持DNA甲基化的DNMT。DNA从头甲基化主要发生在胚泡期和胚胎发育期，在DNMT3A和DNMT3B催化下完成5，此时建立的甲基化修饰在此后DNA复制过程中，在DNMT1的参与下维持DNA甲基化状态6，对小鼠体内的DNMT1的结构研究后发现，DNMT1存在两种机制保证DNA甲基化的忠实性7,8；而在没有DNMT1的参与下完成DNA的被动去甲基化过程图1B。DNMT3B或DNMT1缺失的小鼠在胚胎发育期致死，DNMT3A缺失的小鼠在4周龄后死亡5，说明DNA甲基化在小鼠发育过程中起重要作用。图1DNA甲基化与去甲基化周建生,等.DNA 甲基化/去甲基化与癌症 383 DNMT3A、DNMT3B与DNA结合主要是通过其保守的PWWP结构域9，而其如何定位到特定的DNA序列，并使DNA甲基化，机制仍不明确，即特定DNA序列的从头甲基化机制目前尚不明确，目前主要发现了以下几种DNA甲基化机制：(1)RNA干扰(RNA interference,RNAi)机制将DNMT定位到特定的DNA序列上，使其表达沉默。RNAi参与植物细胞内的甲基化调控，但其是否参与哺乳动物细胞内的甲基化，目前证据尚不充足。在Hela细胞系中采用RNAi技术可以使Ras相关区域包含蛋白1A(Ras association domain-containing protein 1A,RASSF1A)启动子区域发生甲基化，表达下调10。研究发现，PIWI相互作用RNA(PIWI-interacting RNA,piRNA)和靶向RNA(targeting RNA)参与小鼠的印记基因Ras蛋白特异性鸟嘌呤核苷酸释放因子1(Ras protein-specific guanine nucleotide-releasing factor 1,Rasgrf1)的差异甲基化区域(differentially methylated region,DMR)的从头甲基化，而不参与其他印记基因的从头甲基化11。(2)转录因子调节DNA的从头甲基化。DNMT3A和DNMT3B可以被特定的转录因子招募到特定基因的启动子区域并使该启动子区域发生甲基化，或者DNMT3A和DNMT3B使没有转录因子结合的CpG岛发生甲基化12。(3)组蛋白甲基化修饰调节DNA甲基化。CpG岛区域的组蛋白H3的四号位的赖氨酸三甲基化(trimethylation of lysine 4 of histone H3,H3K4me3)可以抑制DNMT与DNA结合，从而使该区域的DNA不被甲基化修饰13，另外有研究发现在HeLa细胞系及小鼠胚胎纤维母细胞中敲除催化组蛋白甲基化的基因Prdm3和Prdm16也会影响DNA的甲基化状态14。(4)人甲基胞嘧啶双加氧酶(ten eleven translocation methylcytosine dioxygenase,TET)调控DNA甲基化。TET1在胚胎干细胞中广泛存在，主要结合在有CpG岛的启动子的转录起始位点和基因内部，可以抑制CpG岛异常甲基化，调控基因表达，在调控DNA甲基化方面具有重要作用15。TET缺失可能导致DNA的CpG岛的甲基化水平发生异常，进而导致细胞分裂增殖异常。研究发现，在人类的多种血液相关的肿瘤中Tet2基因均发生了突变16-18，有研究揭示了白血病患者的DNA高度甲基化与Tet2的突变是相关的19，Tet2敲除的基因工程小鼠患白血病的几率显著增加20。另外，Tet1能通过调控减数分裂基因的去甲基化来操控减数分裂过程。如果小鼠缺乏Tet1，并不会对原始生殖细胞的全基因组范围内去甲基化造成极大的影响，但是却会导致DNA去甲基化出现缺陷，使一些与减数分裂相关的基因的表达降低21。1.2 DNA主动去甲基化及机制目前的研究提示基因组水平的主动去甲基化过程只发生在胚胎早期发育的特定时间，如配子发生、胚胎发育过程中；而特定位点的去甲基化则发生在体细胞接收特定信号后22。1.2.1 基因组水平的主动去甲基化在发育过程中，精子与卵子结合后不久，精子的基因组便迅速进行基因组水平的主动去甲基化，并在随后的几次细胞有丝分裂中保持其去甲基化状态，与此同时卵子的基因组则进行渐进式的被动去甲基化，在随后的胚泡期基因组在DNMT3A和DNMT3B催化下完成DNA的从头甲基化。在配子发生过程中也发生DNA的主动去甲基化过程。目前人们提出的基因组水平的主动去甲基化有以下几种方式：(1)酶催化去除5-甲基胞嘧啶上的甲基。这是实现DNA去甲基化最简单的方式，但是这需要破坏C-C键，从化学反应动力学角度来说这是比较难实现的。(2)碱基剪切修复(base excision repair,BER)直接将5-甲基胞嘧啶切除。DNA去甲基化也可以通过BER DNA修复途径实现，此反应需要DNA糖基转移酶将甲基化的胞嘧啶去除，产生一个无嘌呤嘧啶(apurinic/apyuimidinic,AP)位点；随后DNA骨架被无嘌呤嘧啶裂合酶切割，产生一个5磷酸单酯残基和3糖基磷酸残基；无嘌呤嘧啶核酸内切酶将3端的糖基去除，产生一个缺口；最后这一缺口被DNA聚合酶和连接酶修复23。(3)5-甲基胞嘧啶脱氨基生成胸腺嘧啶，形成TG错配后进行碱基剪切修复。DNA去甲基化也可以通过将5-胞嘧啶脱氨基生成胸腺嘧啶，然后进行碱基错配修复，实现胞嘧啶的去甲基化，胞嘧啶生命的化学2013 年 33 卷 4 期 384 综述脱氨基酶和DNMT都可以催化此反应，胸腺嘧啶DNA糖基化酶(thymine-DNA glycosylase,TDG)也在修复错配过程中起作用24。(4)氧化反应完成去甲基化。另外一种实现DNA去甲基化的方式是通过氧化，5mC中有