TET蛋白家族和5-羟甲基胞嘧啶在肿瘤发病中的研究进展

郭 严，王 斌，王 军(综述)，陈东风(审校)

(第三军医大学大坪医院野战外科研究所消化内科，重庆400042)

表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达了可遗传的变化的遗传学机制。表观遗传的现象包括DNA胞嘧啶甲基化、基因组印迹、组蛋白修饰、染色体重塑等。其中，DNA的胞嘧啶甲基化在基因组印迹、基因表达调节、X染色体失活、癌症发生等发面发挥重要作用［2］。DNA胞嘧啶甲基化是一个动态可逆的过程，其在特定位点生成的 5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mc)可经 ten eleven translocation(TET)蛋白家族羟化后生成5-羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine，5hmc)，这一研究极大地拓展了对DNA去甲基化的认识。现对TET蛋白家族和5hmc在胖瘤发病中的研究进展进行综述。

1 概述

DNA的胞嘧啶5-甲基化是一种重要的表观遗传学修饰，它在生物发育和基因调节中发挥着重要的作用，不同细胞或组织的不同发育阶段，基因组存在不同的甲基化分布［1］。在哺乳动物的发育过程中，DNA甲基化组除有谱系特异性外，目前报道的还有两种发生DNA甲基化部位:一种是受精卵，另一种是初级生殖细胞发育［1］。催化DNA甲基化的酶是DNA甲基化转移酶(DNA methyltransferases，DNMTs):DNMT1、DNMT3A、DNMT3B和调节的亚基DNMT3L。但是，全基因组DNA甲基化怎样分别调节并动态调控生物发育仍是一个疑问。可以肯定的是，DNA甲基化调控的程度可能与下游基因表达程序有关。

研究表明，5mc甲基化修饰是一个可逆的过程［2］。DNA中还存在5mc的羟基化修饰形式——5hmc［2］。5hmc最初是在T偶数噬菌体中被发现，随后又在脊椎动物的大脑和其他组织中检测出5hmc大量存在［3］。这说明5hmc在脊椎动物的生长发育中发挥重要的生物学作用。5hmc在鼠类的胚胎干细胞中含量很高，其含量随胚胎干细胞的分化而逐渐减少［4］，但在终末分化细胞中再次升高，如浦肯野神经元。如果下调 5mc，5hmc在小鼠、牛以及兔的雄性原核中存在特殊的聚集［5］，这一现象说明5hmc的一个潜在的生物学功能和其在早期发育过程中动态调节DNA甲基化。

最近研究发现，TET蛋白家族具有催化5mc羟基化的酶活性。哺乳动物的TET蛋白家族包括3个成员:TET1、TET2、TET3，它们在靠近C端的位置拥有1个催化结构域，该结构域具有3个Fe2+和1个α-铜戊二酸(α-ketoglutarate，α-KG)的结合位点，催化结构域前还拥有一段富含半胱氨酸区［6］。TET家族的发现揭示5hmc作为中间体调控DNA的甲基化，但在发育过程中的5hmc和TET家族的生物学功能和调控机制尚不明确。研究发现，TET蛋白可以氧化5mc或5hmc，从而将其转化为5fc(5-formylcytosine)和(或)5caC(5-carboxylcytosine)［7-8］，进一步说明 TET 蛋白家族和5hmc在发育过程中的表观遗传学调控的功能。

2 TET蛋白和5hmc与肿瘤的发生

2.1 TET蛋白家族在肿瘤发生中的作用 TET蛋白家族与5hmc不仅调控哺乳动物的生长发育，已有研究发现，其在肿瘤发生和发展过程中均发挥重要作用［9］。作为染色体异位的结果，TET1在急性髓性白血病(acute myelocytic leukemia，AML)患者中存在t(10;11)(q22;q23)组蛋白甲基转移酶和混合性白血病(mixed-lineage leukemia，MLL)基因融合现象。除了t(10;11)(q22;q23)异位，TET1尚无其他异位部位被报道。MLL-TET1融合蛋白相对分子质量大约为204 000，由MLL的N端部分和TET1的C端部分融合而成。其产物蛋白包含AT钩区(AT hook)，局限的亚核化区域和MLL结构融合成TET1的催化核心区域的CXXC。MLL-TET1融合蛋白催化活性尚不清楚，它可能有TET1和MLL都不具有的新功能或是既没有TET1也没有MLL的功能，从而导致癌症的产生。但无论是哪种机制，MLL异位均与ALL和AML患者预后差有关［10-11］。

与TET1相类似，TET2也是4q24染色体受累基因。TET2在骨髓增生性肿瘤存在突变已得到证实［12］。同时，TET2突变也在骨髓增生异常综合征、红细胞增多症、原发性血小板增多症、骨髓纤维化、母细胞性浆细胞样树突细胞瘤中被发现［13-17］。

TET2的突变范围从无义密码子和错误突变到移码和缺失。这些突变均被认为是TET2酶失活的结果。在骨髓增生性肿瘤患者中检测到许多常见的突变均受TET2活性的影响，包括 W1291R、E1318G、P1367S、I1873T 和 G1913D［18］。所有这些突变位于富含半胱氨酸的区域或人TET2催化结构域。TET2突变常常发生在单个或两个等位基因，说明TET2突变可能存在抑癌基因单倍体不足或是获得致癌的功能。有文献指出TET2类似于抑癌基因，特别是在造血干细胞中［17，19］。但是，在其他一些重要的旁路中(如 JAK 激酶和p53)，TET2突变可能不足以导致基因转化。

TET2可能直接导致骨髓细胞生成，下调TET2可以改变骨髓间充质干细胞的分化。此外，在大鼠中选择性敲除或降低TET2的表达会导致造血干细胞和祖细胞不成比例的扩增，分化成髓细胞和淋巴细胞［20］。研究发现，TET2突变与AML存活时间下降［21］和单核细胞性白血病低存活率有关［22］。但在MDS患者中，TET2突变会增加存活率，减少向AML转化的风险［23］。TET酶需要辅因子催化，其中之一为α-铜戊二酸。α-铜戊二酸由细胞质中的异柠檬酸脱氢酶1(isocitrate dehydrogenase，IDH1)和其线粒体同源的 IDH2产生［24］。IDH1和IDH2在5hmc和TET表达增多的疾病中存在突变，如胶质瘤、白血病、星形细胞瘤和骨髓增生性肿瘤，这些突变不仅相互排斥，同时还伴随TET2的突变。

IDH1和IDH2突变会获得表型功能，从而导致α-铜戊二酸表达减少，并突变成2-羟基戊二酸［25］。突变的IDH过表达会导致整体甲基化增高，但与TET2同时过表达则不会引起5hmc水平增高［24］。免疫组织化学研究发现，胶质瘤、星形细胞瘤、胶质母细胞瘤组织中都存在IDH1突变导致的5hmc表达下降和5mc表达增高［26］，Xu等［27］也在液相质谱分析中发现，IDH突变导致5hmc下降。这些研究表明，5hmc的下降既直接破坏了TET酶，同时也改变了相关的辅助因子，它的变化可能参与肿瘤及相关疾病的发生、发展。

2.2 5hmc与肿瘤的发生 假设5hmc是去甲基化过程的中间产物，它作为TET蛋白功能破坏的结果可能导致超甲基化。急性髓细胞白血病患者中特定位点广泛的超甲基化伴随着TET2突变已经被报道［22］。另一研究发现白血病患者中TET2突变，与5hmc表达减少和局部 DNA甲基化有关［18］。Kraus等［28］研究发现，脑部病变，尤其是星形细胞瘤和胶质母细胞瘤，其5hmc均与肿瘤的分级呈负相关。此外，多种肿瘤均出现较正常组织中5hmc下降的情况［29］。整体低羟甲基化在肿瘤和与TET突变的关系尚不明确，可能依赖于肿瘤的类型和分级。在临床研究中，超甲基化基因最初在MDS和白血病患者中被检测出来。TET突变率在上述两种疾病中升高明显，说明TET突变与临床治疗有效率存在某种关系。

除了脑胶质瘤和造血系统肿瘤，5hmc还在多种肿瘤，如乳腺癌、结肠癌、膀胱癌、肝癌、肺癌及胰腺癌中表达降低［30-31］。这种5hmc表达水平与肿瘤形成的负相关说明5hmc在肿瘤发生中的表观遗传的修饰作用。同时，TET蛋白家族的3个成员(TET1、TET2、TET3)在肿瘤中的表达，如乳腺癌、肝癌均较正常组织降低。值得注意的是，3种TET蛋白的在肿瘤组织的表达降低不尽相同:TET1下降最为显著，其次是TET2、TET3［30］。研究表明，5hmc在肿瘤表达下降的机制有两种:一是TET2突变导致功能丢失，二是由IDH1/2突变导致TET本身活性受抑制，从而阻止5mc向5hmc转化［27］。这些研究说明，5hmc在肿瘤表达减少的机制除TET2和IDH1/2基因突变，还有一种全新的机制可以阻止5mc向5hmc转化——TET转录失活。

3 展望

TET蛋白和5hmc在生物进化和疾病中的作用是目前表观遗传学研究的一大热点。虽然大量的研究表明5hmc在血液系统和实体肿瘤发病过程中具有表观遗传调控功能，从而阻止肿瘤发生，但减少5hmc表达水平是否可以预防肿瘤发生仍不明确，这也将是未来研究的重点。同时，TET蛋白家族在5mc转化为5hmc过程中的羟基化修饰，为认识DNA甲基化修饰的机制和复杂性提供了基础，深化了对生物进化和肿瘤发生的认识，从而为疾病的诊断、预防和治疗提供了新的靶点。

［1］Suzuki MM，Bird A.DNA methylation landscapes:provocative insights from epigenomics［J］.Nat Rev Genet，2008，9(6):465-476.

［2］郭晓强，王越甲，郭振清，等.TET蛋白:一个新的DNA修饰家族［J］.中国生物化学与分子生物报，2011，27(12):1101-1106.

［3］Song J，Rechkoblit，Bestor TH，et al.Structure of DNMT1-DNA complex reveals a role for autoinhibition in maintenance DNA methylation［J］.Science，2011，331(6020):1036-1040.

［4］Szwagierczak A，Bultmann S，Schmidt CS，et al.Sensitive enzymatic quantification of 5-hydroxymethylcytosine in genomic DNA［J］.Nucleic Acids Res，2010，38(19):e181.

［5］Iqbal K，Jin SG，Pfeifer GP，et al.Reprogramming of the paternal genome upon fertilization involvesgenome-wide oxidation of 5-methylcytosine［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2011，108(9):3642-3647.

［6］Loenarz C，Schofield CJ.Oxygenase catalyzed 5-methylcytosine hydroxylation［J］.Chem Biol，2009，16(6):580-583.

［7］He YF，Li BZ，Li Z，et al.Tet-mediated formation of 5-carboxylcytosine and its excision by TDG in mammalian DNA［J］.Science，2011，333(6047):1303-1307.

［8］Ito S，Shen L，Dai Q，et al.Tet proteins can convert 5-methylcytosine to 5-formylcytosine and 5-carboxylcytosine［J］.Science，2011，333(6047):1300-1303.

［9］Gal-Yam EN，Saito Y，Egger G，et al.Cancer epigenetics:modifications，screening，and therapy［J］.Annu Rev Med，2008，59:267-280.

［10］Liedtke M，Cleary ML.Therapeutic targeting of MLL［J］.Blood，2009，113(24):6061-6068.

［11］Chou WC，Chou SC，Liu CY，et al.TET2 mutation is an unfavorable prognostic factor in acute myeloid leukemia patients with intermediate-risk cytogenetics［J］.Blood，2011，118(14):3803-3810.

［12］Tefferi A，Levine RL，Lim KH，et al.Frequent TET2 mutations in systemic mastocytosis:clinical，KITD816V and FIP1L1-PDGFRA correlates［J］.Leukemia，2009，23(5):900-904.

［13］Langemeijer SM，Aslanyan MG，Jansen JH.TET proteins in malignant hematopoiesis［J］.Cell Cycle，2009，8(24):4044-4048.

［14］Tefferi A，Pardanani A，Lim KH，et al.TET2 mutations and their clinical correlates in polycythemia vera，essential thrombocythemia and myelofibrosis［J］.Leukemia，2009，23(5):905-911.

［15］Tefferi A，Lim KH，Abdel-Wahab O，et al.Detection of mutant TET2 in myeloid malignancies other than myeloproliferative neoplasms:CMML，MDS，MDS/MPN and AML［J］.Leukemia，2009，23(7):1343-1345.

［16］Makishima H，Jankowska AM，McDevitt MA，et al.CBL，CBLB，TET2，ASXL1，and IDH1/2 mutations and additional chromosomal aberrations constitute molecular events in chronic myelogenous leukemia［J］.Blood，2011，117(21):e198-206.

［17］Jardin F，Ruminy P，Parmentier F，et al.TET2 and TP53 mutations are frequently observed in blastic plasmacytoid dendritic cell neoplasm［J］.Br J Haematol，2011，153(3):413-416.

［18］Ko M，Huang Y，Jankowska AM，et al.Impaired hydroxylation of 5-methylcytosine in myeloid cancers with mutant TET2［J］.Nature，2010，468(7325):839-843.

［19］Swierczek SI，Yoon D，Bellanné-Chantelot C，et al，Extent of hematopoietic involvement by TET2 mutations in JAK2V617F polycythemia vera［J］.Haematologica，2011，96(5):775-778.

［20］Quivoron C，Couronné L，Della Valle V，et al.TET2 inactivation results in pleiotropic hematopoietic abnormalities in mouse and is a recurrent event during human lymphomagenesis［J］.Cancer Cell，2011，20(1):25-38.

［21］Abdel-Wahab O，Mullally A，Hedvat C，et al.Genetic characterization of TET1，TET2，and TET3 alterations in myeloid malignancies［J］.Blood，2009，114(1):144-147.

［22］Kosmider O，Gelsi-Boyer V，Ciudad M，et al.TET2 gene mutation is a frequent and adverse event in chronic myelomonocytic leukemia［J］.Haematologica，2009，94(12):1676-1681.

［23］Kosmider O，Gelsi-Boyer V，Cheok M，et al.TET2 mutation is an independent favorable prognostic factor in myelodysplastic syndromes(MDSs)［J］.Blood，2009，114(15):3285-3291.

［24］Figueroa ME，Abdel-Wahab O，Lu C，Ward PS，et al.Leukemic IDH1 and IDH2 mutations result in a hypermethylation phenotype，disrupt TET2 function，and impair hematopoietic differentiation［J］.Cancer Cell，2010，18(6):553-567.

［25］Ward PS，Patel J，Wise DR，et al.The common feature of leukemiaassociated IDH1 and IDH2 mutations is a neomorphic enzyme activity converting alpha-ketoglutarate to 2-hydroxyglutarate［J］.Cancer Cell，2010，17(3):225-234.

［26］Gu TP，Guo F，Yang H，et al.The role of Tet3 DNA dioxygenase in epigenetic reprogramming by oocytes［J］.Nature，2011，477(7366):606-610.

［27］Xu W，Yang H，Liu Y，et al.Oncometabolite 2-hydroxyglutarate is a competitive inhibitor of α-ketoglutarate-dependent dioxygenases［J］.Cancer Cell，2011，19(1):17-30.

［28］Kraus TF，Globisch D，Wagner M，et al.Low values of 5-hydroxymethylcytosine(5hmc)，the"sixth base，"are associated with anaplasia in human brain tumors［J］.Int J Cancer，2012，131(7):1577-1590.

［29］Terragni J，Bitinaite J，Zheng Y，et al.Biochemical characterization ofrecombinantβ-glucosyltransferase and analysisofglobal 5-hydroxymethylcytosine in unique genomes［J］.Biochemistry，2012，51(5):1009-1019.

［30］Yang H，Liu Y，Bai F，et al.Tumor development is associated with decrease of TET gene expression and 5-methylcytosine hydroxylation［J］.Oncogene，2013，32(5):663-669.

［31］Haffner MC，Chaux A，Meeker AK，et al.Global 5-hydroxymethylcytosine content is significantly reduced in tissue stem/progenitor cell compartments and in human cancers［J］.Oncotarget，2011，2(8):627-637.