DNA甲基化在肿瘤发生作用中的研究进展

汪关雨刘富才*

（1 山西医科大学，山西 太原 030001；2 山西省第三人民医院胸外科，山西 太原 037008）

DNA甲基化在肿瘤发生作用中的研究进展

汪关雨1刘富才2*

（1 山西医科大学，山西 太原 030001；2 山西省第三人民医院胸外科，山西 太原 037008）

表遗传学现象广泛地存在于各种生物中，表遗传现象形成的重要机制之一是DNA甲基化作用引起基因转录沉默。鉴于该重要机制，研究DNA甲基化水平的改变对肿瘤的发生、发展有重要的作用。经研究发现DNA甲基化改变可以引起细胞中C→T突变、抑癌基因的高甲基化、癌基因的低甲基化、错配修复基因异常以及诱导染色体不稳定导致肿瘤的发生。因此，通过探索肿瘤发生时DNA甲基化的变化特征，可为肿瘤治疗提供理论依据。

DNA甲基化；肿瘤；基因表达

表遗传学现象广泛地存在于各种生物中，表遗传现象形成的重要机制之一是DNA甲基化作用引起基因转录沉默。鉴于该重要机制，研究DNA甲基化水平的改变对肿瘤的发生、发展有重要的作用。最近的研究表明人体肿瘤细胞的DNA甲基化水平显著低于正常细胞，但是在某些CpG岛则表现为增高。还有在肿瘤发生的各时期中存在DNA甲基化水平和模式的紊乱。因此学界把DNA甲基化与肿瘤的发病关系的研究当作热点之一[1]。

1 DNA甲基化的相关理论

DNA甲基化的概念是S-腺苷甲硫氨酸上的甲基在DNA甲基转移酶的催化下转移至DNA分子中胞嘧啶环第5位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)的过程。其中大多数脊椎动物中，约65%～75%CpG位点中包含甲基化的胞嘧啶[2]，这个位点称为甲基化的CpG位点。研究至今的结果显示在已知所有管家基因和一些组织特异基因的5′端调控区均会出现CpG岛[3]。研究结果还发现正常组织启动子区域CpG岛一般不发生甲基化。但是如果启动子区域CpG岛发生甲基化则会表现为激活或抑制不同的基因表达[4]。

2 DNA甲基化的调节过程

DNA甲基化水平受内外性两种因素的调节，甲基化的水平高低受外源性因素如膳食中的叶酸、蛋氨酸、能量的供给等影响。叶酸是十分重要的甲基供体，如果限制叶酸的摄入将会导致淋巴细胞DNA的低甲基化[5]。白坚石等[6]研究结果表明，体内甲基化水平受甲基供体的摄入的影响，可以通过改善外源性影响因素维持体内DNA甲基化的平衡。但是，甲基结合蛋白与已经发生甲基化的DNA结合之后，由于甲基结合蛋白和去乙酰化酶的共同作用，致使甲基化状态下的DNA永久不能再与mRNA转录蛋白复合物结合，完全失去转录活性，细胞生长阻滞，表现为衰老[7]。

3 DNA甲基化与基因表达的关系

3.1 DNA甲基化与去甲基化

DNA甲基化是S-腺苷甲硫氨酸上的甲基在DNA甲基转移酶的催化下转移至DNA分子中胞嘧啶环第5位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)的过程。过程很短，需要DNA甲基转移酶。在哺乳动物体内可能存在去甲基化的酶，这种酶或许是一种糖基化酶、核酸内切酶或是去甲基化酶，可以对特异基因去甲基化也可以对非特异的去甲基化，造成细胞基因不稳定的因素之一是DNA去甲基化。DNA去甲基化有两种方式：①被动途径：由于核因子NF 黏附甲基化的DNA，使黏附点附近的DNA不能被完全甲基化，从而阻断DNM T1的作用； ②主动途径：是由去甲基酶的作用，将甲基集团移去的过程。在DNA甲基化阻遏基因表达的过程中，甲基化CPG黏附蛋白起着重要作用。虽然甲基化DNA可直接作用于甲基化敏感转录因子E2F、CREB、NF2KB、Cmyb、Ets，使它们失去结合DNA的功能从而阻断转录，但是，甲基化CpG黏附分子可作用于甲基化非敏感转录因子(SP1、CTF、YY1)，使它们失活，从而阻断转录。人们已发现5种带有恒定的甲基化DNA结合域(MBD)的甲基化CPG 黏附蛋白。其中MECP2、MBD1、MBD2、MBD3参与甲基化有关的转录阻遏；MBD1有糖基转移酶活性，可将T从错配碱基对中移去，MBD4基因的突变还与线粒体不稳定的肿瘤发生有关。在MBD2缺陷的小鼠细胞中，不含MECP1复合物，不能有效阻止甲基化基因的表达。这表明甲基化CPG 黏附蛋白在DNA甲基化方式的选择，以及DNA甲基化与组蛋白去乙酰化、染色质重组相互联系中的有重要作用。

3.2 基因改变与DNA甲基化

DNA甲基化会造成DNA的异染色质化，抑制该段DNA上的基因表达。结构基因含有很多CpG 结构，2CpG和2GPC中两个胞嘧啶的5位碳原子通常被甲基化，且两个甲基集团在DNA双链大沟中呈特定三维结构。基因组中60%～90%的CpG都被甲基化，未甲基化的CpG成簇地组成CpG岛，位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。有实验证明超甲基化阻遏转录的进行。DNA甲基化可引起基因组中相应区域染色质结构变化，使DNA失去核酶限制性内切酶的切割位点，以及DNA酶的敏感位点，使染色质高度螺旋化，凝缩成团，失去转录活性。5位C甲基化的胞嘧啶脱氨基生成胸腺嘧啶，由此可能导致基因置换突变，发生碱基错配，如果在细胞分裂过程中不被纠正，就会诱发遗传病或癌症，而且，生物体甲基化的方式是稳定的，可遗传的[8]。DNA甲基化加速5mC→T的突变，DNA甲基化导致基因突变的机制主要是甲基转移酶（DMT）催化反应形成。DMT加速C(胞嘧啶)和5mC脱氨，阻断U(尿嘧啶)的修复，同时使U→T改变，因此DMT引起CpG序列的C→T突变[9]。此外，DNA甲基转移酶1(DNA methyltransferase1，DNMT1)的作用是促使5mC或C转变为T，导致C→T突变增加。因此甲基化异常的DNA表现为因外源性致癌物的影响而发生突变，最终导致细胞癌变的发生[10]。

3.3 基因错配修复与DNA甲基化

DNA错配修复(Mismatch rePair，MMR)系统广泛存在于生物体中，是进化上保守的生化通路，MMR系统由一系列特异性修复DNA碱基错配的酶分子(错配修复基因产物)组成。MMR系统的主要功能是修复DNA复制过程中产生的错配，包括单碱基错配和2个以上的错配。从而保持遗传物质的完整性和稳定性，避免遗传物质发生突变。此外，MMR系统与DNA损伤应答有关，MMR缺失的细胞可以抵抗烷化剂、顺铂和紫外线辐射等诱导的细胞死亡；B细胞发育过程中由基因重排导致的抗体分化也与MMR系统蛋白有关；MMR系统还参与细胞凋亡，由于MMR系统功能障碍导致的DNA损伤会触发一个DNA代谢过程来激活细胞周期关卡，也有人认为MMR蛋白可能直接参与凋亡信号转导[11]。Ahujia等研究结果表明当MMR缺陷时，基因突变和基因启动子区的高甲基化则是错配修复基因表达缺陷中的主要原因[12]。3.4 基因表达受DNA甲基化的影响而表达异常是通过基因机制和表基因机制的作用。其中基因机制有基因点突变、染色体重排，产生结构异常的基因产物；染色体重组和基因放大引起过度表达等。表基因机制是指DNA5-胞嘧啶甲基化改变，引发基因表达异常，DNA顺序和基因产物不变。转录因子与DNA结合表现为抑制转录则是通过甲基化的DNA与特异结合蛋白结合及DNA甲基化改变染色质结构等作用。目前研究结果已证实组蛋白去乙酰化与DNA甲基化呈正相关[13]。

4 DNA甲基化与肿瘤

4.1 DNA甲基化改变与肿瘤

肿瘤细胞与正常细胞中甲基化水平不同。肿瘤细胞中DNA甲基化表现为控制失常，导致基因中CpG位点甲基化明显降低，同时出现染色体区域性CpG岛高甲基化，表现为区域性高甲基化水平和普遍性低甲基化同时共存。总结前人研究结果，在肿瘤的发生、发展中DNA甲基化起重要作用，对肿瘤形成的作用可能通过一种或多种机制介导[14]。

4.2 DNA甲基化与肿瘤

近年来诸多研究结果说明当肿瘤细胞中DNA甲基转移酶的活性异常后，细胞总DNA甲基转移酶活性增加，而正常甲基化位点中的甲基化大量丢失，与此同时出现更多区域的高甲基化[15]。究其机制，可能是下述的一种或多种。第一，肿瘤细胞中C→T突变，由5-mC的水解脱氨基作用引起C→T转换。第二，在人类肿瘤中发生的低甲基化，不仅表现为整体基因组低甲基化，还表现出特殊癌基因也存在低甲基化。第三，Rb基因是肿瘤抑制基因的高甲基化中最先被发现的CpG岛高甲基化。

5 DNA甲基化作用于肿瘤发生中的问题与展望

回顾对肿瘤表遗传现象的研究已经历时近20余年，期间也曾有许多令人振奋的结果出现，但至今甲基化的作用机制尚未完全阐明，仍有许多问题亟待解决。如不同肿瘤中出现的甲基化作用机制是否相同?甲基化作用的记忆是如何建立和维持的?不同肿瘤的发生不仅与多种基因的遗传性改变有关，而且也与多基因的异常甲基化引起的表遗传改变有很大的关系。肿瘤发生是多基因的遗传和表遗传共同起作用的结果。DNA甲基化研究已成为肿瘤分子生物学研究的一个热点，可以预测，DNA甲基化研究将在人类生长与发育调控、肿瘤发病机制探讨、基因表达调控、细胞免疫与防御，以及肿瘤预防与治疗等方面研究中，发挥非常重要的作用。随着表遗传学的不断发展，DNA甲基化和伴随基因变化的研究，将会使肿瘤分子生物学的研究和发展发生新的飞跃。

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1671-8194（2013）11-0054-02

*通讯作者