李曉陽 顏才華 馬一杰 陳小兵 羅素霞

鄭州大學附屬腫瘤醫(yī)院 河南省腫瘤醫(yī)院內科，河南鄭州 450008

結直腸癌是全世界癌癥死亡的主要原因之一，它的發(fā)生由一系列遺傳學及表觀遺傳學方面的改變使正常的上皮組織發(fā)展為浸潤性癌的過程。這個過程首次在Fearon和Vogelstein設計的典型的腺瘤癌癥發(fā)展模型中被提出[1]。該模型的提出，使我們對結直腸癌分子發(fā)病機制的認識大幅提高，目前認為結直腸癌的發(fā)生涉及多種分子通路，包括基因突變和表觀遺傳學改變[2]。過去十年，關于腫瘤表觀遺傳學的研究已取得了重大的進步，特別是DNA異常甲基化方面。對結直腸癌表觀遺傳學進行研究，可進一步揭示結直腸癌的發(fā)病機制，為結直腸癌臨床診斷、治療和預后評價提供重要生物學標志。

1 表觀遺傳學簡介

表觀遺傳學是指不涉及DNA序列改變的情況下，基因的表達與功能發(fā)生改變并產(chǎn)生可遺傳的表型。基因表達的表觀遺傳學調控發(fā)生于正常的組織，在胚胎發(fā)育、基因印記和組織分化中發(fā)揮重要作用[3]。異常的表觀遺傳學改變最早于1982年在結直腸癌中發(fā)現(xiàn)，從此開啟了對表觀遺傳學研究的熱潮，包括調控正常組織和癌組織中基因表達的一系列復雜的表觀遺傳調節(jié)機制[4]。表觀遺傳學修飾很大程度上影響著核染色質凝固狀態(tài)，決定了DNA能否正常表達蛋白質，調控著基因轉錄?！伴_放”的染色質狀態(tài)可進行基因轉錄，相反，濃縮或者“關閉”的染色質狀態(tài)阻止基因轉錄[3]。目前在腫瘤形成中發(fā)揮重要作用的表觀遺傳學機制有以下幾方面：①CpG島區(qū)域胞嘧啶的DNA甲基化；②組蛋白轉錄后修飾；③siRNA和miRNA；④核小體定位[3]。在這篇綜述里將重點介紹DNA甲基化，因為它在結直腸癌表觀遺傳學調控機制中研究的最為廣泛。

2 DNA甲基化及其在大腸癌發(fā)病機制中的作用

2.1 DNA甲基化

DNA甲基化是由DNA甲基轉移酶（DNMT）催化S腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，將胞嘧啶轉化為5-甲基胞嘧啶的反應[5]。通常，最易被DNMT作用的是CG二核苷酸序列，即CpG。正常哺乳動物細胞的大多數(shù)CpG序列存在甲基化，非甲基化CpG序列僅存在DNA的CpG島區(qū)域。CpG島通常被定義為GC含量大于50%，長度大于200～500個堿基的一段序列，并且觀測到的CpG比例較預測的比例高0.6[6]。60%～70%的基因啟動子區(qū)域含有CpG島，并且處于非甲基化狀態(tài)，在腫瘤中，他們發(fā)生異常甲基化。啟動子區(qū)域CpG島的甲基化與轉錄沉默有關，發(fā)生在基因啟動子區(qū)域以外CpG位點的甲基化稱為基因體甲基化，與轉錄失活無關，而與轉錄活化相關[7]。

基因的甲基化模式對基因表達的調控至關重要。CpG甲基化可以通過多種機制導致轉錄失活，如直接抑制順式作用原件AP-2、CREB、E2F等[8]。DNA甲基化的一個重要機制是通過與調節(jié)核染色質結構的酶合作交互調控基因表達。這種合作交互機制與一種甲基結合蛋白（PcG）有關，通過與高親和力的甲基化DNA結合導致級聯(lián)放大反應，招募蛋白質改變染色質結構來調控組蛋白乙?；⒔M蛋白甲基化及染色質重塑，從而使染色質固縮并封閉轉錄因子到啟動子區(qū)域的通道[9]。DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質重塑之間的相互作用錯綜復雜，存在各種各樣的串話。異常的DNA甲基化有可能改變染色質重塑和基因表達，組蛋白及其修飾蛋白的調節(jié)異?？赡軐е庐惓５腄NA甲基化。研究表明PcG蛋白復合體PRC2的異?；罨赡苁钦T導腫瘤中DNA異常甲基化的機制之一[10]。

2.2 DNA甲基化與年齡因素

年齡是結直腸癌發(fā)生的一個重要危險因素，老化的腸黏膜表現(xiàn)為年齡相關的整個基因組的低甲基化和某些特定區(qū)域的高甲基化。起初認為組織結構正常的腸上皮細胞上的ESR1、IGF2和TUSC3基因的異常甲基化與年齡相關，隨后發(fā)現(xiàn)另外一些基因也存在年齡相關性甲基化[11]。約50%年齡相關性甲基化基因與結直腸癌發(fā)病機制相關的基因是相同的，這表明年齡相關性基因在增加腫瘤易感性上起到一定的作用。有研究表明年齡相關性DNA甲基化和腫瘤相關性DNA甲基化機制可能是相同的，然而年齡相關性異常甲基化的機制仍不清楚[12]。在老年人正常組織中檢測到異常DNA甲基化提示高齡腸癌患者比低齡者存在更多的表觀遺傳學驅動事件[13]。

2.3 DNA甲基化與結直腸癌的發(fā)生、發(fā)展

目前認為在多數(shù)結直腸癌基因組中存在成百上千個異常甲基化基因，且只有一部分可能與這些腫瘤的發(fā)生有重要關系。在正常黏膜向腺瘤，息肉向腫瘤的進展過程中，可以顯而易見地看到發(fā)生甲基化的基因大幅增加，比較正常黏膜和早期腺瘤，早期腺瘤和進展期腺瘤，甲基化基因在不段大幅增加[14]。Esteller[15]研究發(fā)現(xiàn)結直腸腺瘤中MGMT、MLH1等DNA修復基因的異常甲基化可能促進腺瘤發(fā)生惡變。

Toyota等[16]于1999年提出了這些腫瘤中有一個獨特的分子發(fā)病機制，稱為CpG島甲基化表現(xiàn)型（CIMP），且接近20%的結直腸癌是CIMP腫瘤。CIMP可在進展期管狀腺瘤中檢測到，但是在管狀腺瘤早期卻不是普遍能檢測到的[15]。目前尚不清楚在息肉形成結直腸癌的晚期能否檢測到CIMP。另外，CIMP腫瘤中存在高突變率的BRAF基因，并且常發(fā)生在女性的右半結腸[17-18]。有研究對125例結直腸癌標本進行了全基因組DNA甲基化性能分析，將CIMP腫瘤分為CIMP-H和CIMP-L，前者表現(xiàn)為異常高頻的腫瘤特異性DNA甲基化，與MLH1甲基化和BRAF突變密切相關[19]。目前CIMP腫瘤發(fā)生的潛在原因還不清楚，但已表明與吸煙有關，同時有證據(jù)表明與營養(yǎng)狀態(tài)、體型、身體活動情況等也有一定關聯(lián)[20]。然而，總體來看，DNA的異常甲基化主要涉及結直腸癌形成的早期事件，較少涉及進展期事件。

3 DNA甲基化在結直腸癌臨床應用中的價值

3.1 DNA甲基化與結直腸癌的早期診斷

對于將甲基化基因作為結直腸癌特異性生物學標志物，目前最先進的用途是基于DNA水平的結直腸癌的篩查。雖然目前腸鏡仍是結直腸癌篩查最準確的方法，但是由于該檢查操作程序較復雜及存在一定的并發(fā)癥，患者依從性欠佳。盡管大便潛血檢查價格便宜且操作簡單，但靈敏性和特異性相對較低。筆者對結直腸癌分子病理學方面的研究進展，已將這些有應用前景的早期檢測分子標記用于結直腸癌的非侵襲性篩查。啟動子區(qū)域的一些基因在早期結直腸癌中存在高甲基化，可作為早期檢測標志物。糞便中的甲基化波形蛋白是已得到驗證的結直腸癌早期檢測標記，人波形蛋白基因（VIM）在53%～84%的結直腸癌患者中存在異常甲基化，有報道提出靈敏度達到83%，特異性達到82%[21]。另外，在歐洲和中東已將檢測外周血中甲基化SEPT9基因的檢測用于結直腸癌篩查，目前正不斷地在提高用糞便、血漿進行甲基化分析達到臨床用途的可行性[21]。

3.2 DNA甲基化與結直腸癌療效及預后評價

由于CpG島高甲基化和整體DNA的低甲基化之間的相反關系，對關于結直腸癌臨床應用的表觀遺傳學標志的研究主要集中在基因的甲基化，本課題組研究發(fā)現(xiàn)TIP30啟動子在高轉移性、低分化的大腸癌細胞株HCT116和非高轉移性的大腸癌細胞株HT29中存在CpG島高甲基化，這可能是抑癌基因TIP30表達降低或缺失的機制之一[22]，與筆者前期關于大腸癌組織中TIP30蛋白表達情況[23]及TIP30過表達能抑制大腸癌細胞生長，降低其侵襲、遷移能力[24]等研究結果相一致。另外，還發(fā)現(xiàn)結直腸癌TIP30啟動子甲基化狀態(tài)與患者淋巴結轉移、臨床分期及對5-FU、奧沙利鉑化療藥物的敏感性相關[22,25]。

Ide等[26]研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤CIMP狀態(tài)可作為5-FU反應性的預測標記，然而目前關于CIMP狀態(tài)與5-FU輔助治療反應性之間的尚存在相互矛盾的數(shù)據(jù)。低甲基化的LINE-1作為一種生物學標志已在研究，近來Ahn等[27]研究表明，甲基化的LINE-1有望成為近端結直腸癌無病生存期較短的預后指標，且腫瘤復發(fā)患者LINE-1的甲基化水平較無復發(fā)者低。然而，迄今為止的數(shù)據(jù)還不足以支持將基因甲基化作為預測性生物指標。

4 結論

在過去十年里，表觀遺傳學對腫瘤發(fā)病機制作用的研究取得了飛速發(fā)展，現(xiàn)已明確表觀遺傳學事件是結直腸癌發(fā)病機制的驅動事件，表觀遺傳學事件與基因突變共同參與正常腸黏膜向結直腸癌進展的過程，而且結直腸癌基因組中受異常DNA甲基化影響的基因較受基因突變影響的基因多。異常DNA甲基化的研究為結直腸癌的早期診斷、預后判斷和干預治療提供了新的思路，并且已經(jīng)展現(xiàn)了良好的前景。

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