遗传印记在人类恶性肿瘤中的研究进展

姜争 王锡山

·综述·

遗传印记在人类恶性肿瘤中的研究进展

姜争 王锡山

自1984年McGrath和Surani通过核移植实验首先揭示亲代基因组对子代的不等贡献以来，遗传印记作为一种对孟德尔定律的发展与扩充，这种新的遗传现象正受到越来越多的关注。遗传印记与胚胎发育、细胞增殖和细胞分化有着密不可分的关系。印记调控一旦发生紊乱，将影响个体的发育，导致遗传性疾病甚至恶性肿瘤的发生。对遗传印记的研究有利于全面地阐明癌变的机制，并可能开发出新的肿瘤防治措施[1]。本文就人类恶性肿瘤中遗传印记的研究进展做一简要综述。

一、遗传印记

1.遗传印记的建立与维持及生物学意义：遗传印记是特指来源于亲本的等位基因进行不对称“后成修饰”而导致的单等位基因表达的现象。该修饰作用是在胚胎发育早期形成的，具有不引起DNA序列变化，但影响基因调控以及造成2个等位基因不同表达的特性。在生物进化中形成有规律而又受控的基因失活是机体内基因表达调控的一种重要方式。其基本机制是通过DNA甲基化作用进而调控亲源特异的基因表达。

胚胎发育过程中，甲基化处于动态变化，精卵细胞形成时处于完全甲基化状态，受精过程中，双亲基因组发生去甲基化作用，随后根据性别进行差异甲基化，建立印记。印记修饰在体细胞分裂和分化过程中可以稳定遗传，但是在生殖细胞中将发生印记去除且重新建立的现象。因此，由印记决定的表型，在遗传上不具有稳定性[2]。

印记发生在等位基因之间，除甲基化修饰外，还包括组蛋白的乙酰化修饰以及染色体重构。其在胎儿的细胞分裂、胎盘生长和行为发育过程中至关重要。母源印记的基因通常是促进胎儿和胎盘生长，而父源印记的基因则往往表现为抑制生长。印记基因的表达状态有三种，即开、关和单等位表达，在不同时间、不同阶段、不同组织或细胞中表达，因此对细胞的生长分化或个体发育均具有非常重要的生物学意义。

2.印记基因的特点及其意义：组织特异性：印记基因在正常组织中双等位表达，而在某些特定组织中却被印记。例如，人类MAS1基因在乳腺组织中特异性印记，其余组织中双等位表达；人类KVLQT1基因在心脏中无印记，其余组织中母源表达；小鼠胚胎中Igf2和Mash2开始为双等位基因表达，但在胚胎形成的后期则表现为母源等位基因表达。上述发现表明细胞分化过程中印记调控可能与一些奢侈基因(luxury gene)的表达有关。

群集性：印记基因在基因组中的分布并不是分散的，而是具有群集倾向。人类最大的印记群集区位于11p15.5，H19、IGF2和P57KIP2等，广泛印记的基因正位于这些区域；另一个研究较多的群集区位于15q11-q13，该区与Prader-Willi综合征(PWS)和强直性脊柱炎(AS)两种人类遗传疾病有关；第三个群集区就是X染色体由于剂量补偿效应(dosage compensation effect)导致的印记失活。所有的印记基因都有一个或多个印记中心(imprinting center,IC)，即差异甲基化区(differentially methylated region,DMR)[3]。该区域富含CpG岛，在印记调控中起核心作用，在印记的去除、重建和维持过程中发挥关键作用。

可逆性：印记是可逆的，例如有些基因在特异的组织中可以取消或绕出印记，外源去甲基化试剂处理也可以消除印记，正是由于印记的可逆性才使得肿瘤的表观遗传学治疗成为可能。

二、遗传印记与恶性肿瘤的关系

肿瘤的形成是多因素、多步骤的过程，其发生具有复杂性和异质性。有关肿瘤的研究，过去主要着眼于阐明基因突变、缺失、染色体重排等病理改变的发生机制，但是肿瘤的发生并非均可用癌基因突变学说来加以解释。实际上，表观遗传现象的发现将是肿瘤发生机制的又一研究方向。

1.印记与肿瘤易感性:人类遗传性疾病Beckwith-Wiedemann综合征(BWS)患者常有母源的11p15.5缺失和IGF2基因的甲基化模式改变，该区域基因的正常印记发生变化将增加基因组不稳定性[4]。患者对胚胎肿瘤，如Wilms瘤、横纹肌肉瘤和肝胚细胞瘤等具有易感性；某些印记基因在正常组织中双等位表达，而在某些特异组织中单等位表达，这将增加肿瘤的易感性，如MAS1和ZAC1基因在乳腺组织和卵巢中特异性印记，增加罹患乳腺癌和卵巢癌的风险[5]，IGF2R在某些组织的父源印记，增加了肝、乳腺、胃和结肠肿瘤发生的风险[6-9]；根据“二次突变理论”，胚胎印迹的基因一旦发生遗传或表观遗传的异常将增加胚胎瘤的易感性[10]。

2.印记与肿瘤的形成:印记基因可以通过三种途径参与肿瘤的形成：第一，印记区的印记丢失(LOI)，可以使原癌基因过度表达，从而促进细胞生长，是人类肿瘤中普遍存在的遗传改变。如IGF2和H19是在多种组织中广泛印记的基因，而在子宫、乳腺、前列腺、胆囊、结肠、肺部和生殖细胞等多种恶性肿瘤中都发现了LOI现象[11-14]。PEG1/MEST的LOI则与乳腺癌、肺癌和结肠癌发病相关[15]。第二，印记的杂合性丢失(LOH)导致的抑癌基因沉默。如抑癌基因LOT1的LOH与乳腺癌和卵巢癌发生相关，而ARH1的LOH除与乳腺癌、卵巢癌发生相关外[16]，还与囊泡状甲状腺癌的形成紧密相关[17]。IGF2R的LOH与小鼠肝和乳腺肿瘤的形成相关[6-7]，NNAT基因的LOH与儿童急性白血病有关[18]，Kank基因的LOH与肾细胞癌相关[19]。第三，印迹调控中心，通常指DMR的失活突变可使染色体上多个印记的原癌基因和抑癌基因异常表达。

3.印记与肿瘤的诊断和治疗：在生命诞生时已经形成的基因组印记可能是重要的癌前事件，而且每种类型的肿瘤都有相关基因的特定甲基化模式，这将可能成为肿瘤早期诊断又一潜在指标。目前主要的表观遗传学标记是应用甲基化PCR检测患者体液(血液、尿液和痰液)中微量DNA是否发生异常甲基化。

遗传印记具有可逆性，逆转其改变是肿瘤化学治疗的新策略，目前，有些表观遗传药物已进入临床试验阶段，如DNA甲基化抑制剂和组蛋白去乙酰化酶抑制剂。但由于这些药物通常会引起基因组广泛的去甲基化，因而其临床应用尚需时日[20]。

三、问题和展望

尽管对于遗传印记的研究取得了很大进展，但对于其机制还有许多问题有待于解决。如，通过何种机制引起的特异基因异常甲基化；同一印记基因在不同肿瘤以及同一肿瘤不同时期为何表达形式不同；同一组织类型中不同模式的印记基因如何共存等等。这些理论局限限制了已有基因的临床应用。印记修饰存在于DNA水平和染色体区域，表型相对不明显且无特异性的技术，研究具有一定的难度。近年，限制性标记基因组扫描技术(restriction landmark genome screening RLGS)等可直接鉴定印记基因技术的开发为肿瘤早期诊断和风险评估提供了客观条件。

研究表明，遗传印记机制涉及染色质构型、DNA甲基化和复制时间等[21]，此外，组蛋白乙酰化、DNA甲基化以及染色体重构也是值得重视的调控方式，对组蛋白修饰和染色体改型标志系统[22]的研究国内外报道相对较少，可能成为今后研究的重要切入点。

目前，已知的印记基因由于特异性低、灵敏度差而很难应用于临床，国内外的研究正致力于发现新印记基因，尤其是抑癌基因的印迹研究，今后的研究应在兼顾寻找高度特异标记的同时，注重基因甲基化模式图谱及微量诊断等技术的开发，从而满足进行个体监测及肿瘤分子亚型鉴别等需要[23]；而在开发具有高特异、高敏感药物的同时，也应重视对反义RNA等其他治疗手段的探索及应用。

[1] Jin B,Robertson KD.DNA methyltransferases,DNA damage repair,and cancer.Adv Exp Med Biol,2013,754:23-29.

[2] Pfeifer K.Mechanisms of genomic imprinting.Am J Hum Genet,2000,67(4):777-787.

[3] Croteau S,Andrade MF,Huang F,et al.Inheritance patterns of maternal alleles in imprinted regions of the mouse genome at different stages of development.Mamm Genome,2002,13(1):24-29.

[4] Weksberg R,Nishikawa J,Caluseriu O,et al.Tumor development in the Beckwith-Wiedemann syndrome is associated with a variety of constitutional molecular 11p15 alterations including imprinting defects of KCNQ1OT1.Hum Mol Genet,2001,10(26):2989-3000.

[5] Abdollahi A,Pisarcik D,Roberts D,et al.LOT1(PLAGL1/ZAC1),the candidate tumor suppressor gene at chromosome 6q24-25,is epigenetically regulated in cancer.J Biol Chem,2003,278(8):6041-6049.

[6] Huang J.Current progress in epigenetic research for hepatocarcinomagenesis.Sci China C Life Sci,2009,52(1):31-42.

[7] Kong A,Steinthorsdottir V,Masson G,et al.Parental origin of sequence variants associated with complex diseases.Nature,2009,462(7275):868-874.

[8] Yoshimizu T,Miroglio A,Ripoche MA,et al.The H19 locus acts in vivo as a tumor suppressor.Proc Natl Acad Sci USA,2008,105(34):12417-12422.

[9] Clément G,Bosman FT,Fontolliet C,et al.Monoallelic methylation of the APC promoter is altered in normal gastric mucosa associated with neoplastic lesions.Cancer Res,2004,64(19):6867-6873.

[10] Murphy SK,Jirtle RL.Imprinting evolution and the price of silence.Bioessays,2003,25(6):577-588.

[11] Honda S,Arai Y,Haruta M,et al.Loss of imprinting of IGF2 correlates with hypermethylation of the H19 differentially methylated region in hepatoblastoma.Br J Cancer,2008,99(11):1891-1899.

[12] Vu TH,Chuyen NV,Li T,et al.Loss of imprinting of IGF2 sense and antisense transcripts in Wilms’ tumor.Cancer Res,2003,63(8):1900-1905.

[13] Cui H,Onyango P,Brandenburg S,et al.Loss of imprinting in colorectal cancer linked to hypomethylation of H19 and IGF2.Cancer Res,2002,62(22):6442-6446.

[14] Cheng YW,Idrees K,Shattock R,et al.Loss of imprinting and marked gene elevation are 2 forms of aberrant IGF2 expression in colorectal cancer.Int J Cancer,2010,127(3):568-577.

[15] Pedersen IS,Dervan P,McGoldrick A,et al.Promoter switch:a novel mechanism causing biallelic PEG1/MEST expression in invasive breast cancer.Hum Mol Genet,2002,11(12):1449-1453.

[16] Yuan J,Luo RZ,Fujii S,et al.Aberrant methylation and silencing of ARH1,an imprinted tumor suppressor gene in which the function is lost in breast cancer.Cancer Res,2003,63(14):4174-4180.

[17] Weber F,Aldred MA,Morrison CD,et al.Silencing of the maternally imprinted tumor suppressor ARHI contributes to follicular thyroid carcinogenesis.J Clin Endocrinol Metab,2005,90(2):1149-1155.

[18] Kuerbitz SJ,Pahys J,Wilson A,et al.Hypermethylation of the imprinted NNAT locus occurs frequently in pediatric acute leukemia.Carcinogenesis,2002,23(4):559-564.

[19] Sarkar S,Roy BC,Hatano N,et al.A novel ankyrin repeat-cintaining gene(Kank)located at 9p24 is a growth suppressor of renal cell carcinoma.J Biol Chem,2002,277(39):36585-36591.

[20] Robert MF,Morin S,Beaulieu N,et al.DNMT1 is required to maintain CpG methylation and aberrant gene silencing in human cancer cells.Nature Genet,2003,33(1):61-65.

[21] Recillas-Targa F.DNA methylation,chromatin boundaries,and mechanisms of genomic imprinting.Arch Med Res,2002,33(5):428-438.

[22] Jones PA,Baylin SB.The epigenomics of cancer.Cell,2007,128(4):683-692.

[23] Perri F,Cotugno R,Piepoli A,et al.Aberrant DNA methylation in non-neoplastic gastric mucosa of H.Pylori infected patients and effect of eradication.Am J Gastroenterol,2007,102(7):1361-1371.

姜争，王锡山.遗传印记在人类恶性肿瘤中的研究进展[J/CD].中华结直肠疾病电子杂志，2013,2(2)：72-74.

10.3877/cma.j.issn.2095-3224.2013.02.06

黑龙江省博士后基金(LRB87859)；黑龙江省卫生厅基金(2011-144)；黑龙江省普通高等学校医学遗传学重点实验室开放基金

作者电位：150086 哈尔滨医科大学附属第二医院结直肠肿瘤外科 哈尔滨医科大学大肠癌研究所

Email：wxshan1208@126.com

2013-01-26)

(本文编辑：马天翼)