DNA甲基化与食管癌的发生和发展

郑天亮，董　岩　综述，赵亚力　审校



综述

DNA甲基化与食管癌的发生和发展

郑天亮1，董岩2综述，赵亚力3审校

表观遗传学；DNA甲基化；食管癌；分子标志物

食管癌是全球第8位常见恶性肿瘤，且死亡率居第6位[1]。食管癌的主要组织类型分为食管鳞状细胞癌(食管鳞癌)和食管腺癌[2]。在西方国家食管腺癌发病率逐渐增高；亚洲食管癌的主要类型是食管鳞癌，约占食管癌的90%。食管癌的分布呈现地域性[3, 4]。尽管多种治疗方案的联合治疗可改善食管癌的治疗效果，但其预后仍然很差[2]。食管癌的发生发展与遗传学(基因突变、杂合子缺失和染色体重塑等)及表观遗传学(DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等)的改变相关[1, 5]。DNA甲基化是表观遗传学的主要形式，并与食管癌发生发展密切相关[6-8]。为此，笔者主要对食管癌的发生发展过程中，肿瘤抑制基因甲基化的改变进行综述。

1　DNA甲基化

在真核生物基因组中，CpG双核苷酸的胞嘧啶的5′位置为DNA发生甲基化的位点，这种修饰对于基因的表达具有重要的调控作用[9]。 DNA甲基化的发生依赖于DNA甲基转移酶(DNA methyltransferases， DNMTs)。现已发现4种DNMTs，根据结构以及功能差异分为两大类：DNMT1和DNMT3。前者主要参与甲基化状态的维持，也是非CpG位点从头甲基化所必需，并与甲基化状态的延伸有关；后者包括 DNMT3a、DNMT3b和DNMT3L等。DNMT3a、DNMT3b和DNMT3L是主要从头甲基化酶，而Dnmt2 的功能从属尚不十分明确[10]。DNA甲基化的发生原理，在DNA甲基转移酶的作用下，S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine，SAM)转移到CpG岛的胞嘧啶核苷酸5′位置形成5-甲基胞嘧啶[11]。在人类肿瘤中，启动子区高甲基化作为肿瘤抑制基因失活的机制已经被广泛接受，甲基化的肿瘤抑制基因参与食管癌的发展过程，例如细胞周期调控、DNA修复、凋亡、转录调控、肿瘤代谢和抗药性、血管新生以及细胞黏附等重要的过程[12]。

2　食管腺癌与甲基化失活的基因

原发性食管腺癌的发生大部分源于Barrett食管，然而仅有少于5%的食管腺癌患者伴有Barrett化生，90%～95%的Barrett食管不会发展为肿瘤[4,13,14]。下一步研究，主要是去寻找能够区分检测Barrett食管和早期食管腺癌的稳定的分子标志物。

2.1肿瘤抑制基因CDKN2A (p16INK4a)位于9号染色体短臂2区1亚带。在食管腺癌和Barrett食管中p16基因发生异常甲基化，然而这个位置发生的杂合性缺失也被普遍认为是p16失活的主要机制[3]。Eads 等[15]运用甲基化特异性PCR的技术分析了51位Barrett食管或食管腺癌患者的104个组织样本中基因的甲基化情况。结果显示，进展期患者比非进展期患者甲基化率显著增高。许多研究表明p16基因的甲基化出现在组织化生-不典型增生-癌症的连续过程中，并且在BE患者中有3%～77%的患者发现其启动子区的甲基化情况[5, 15]。这些结果表明，对于BE患者诊断的非侵袭性测定中，p16基因的甲基化具有作为重要的分子标志物的潜力。在患有BE或食管腺癌的6例食管切除术样本中还检测了APC、ESR1、CDH1基因的甲基化状态。结果发现，APC、ESR1基因在BE、伴有坏死BE、和食管腺癌患者中发生频繁的甲基化，然而CDH1在所有的样本中都没有发生甲基化的现象[15]。这些结果表明基因异常甲基化的发生是一个连续过程。另外，对于APC、CDH1基因甲基化状态的研究显示，52例食管腺癌患者样本中有48例，APC基因发生了甲基化；同时34例的BE样本中有17例发生了甲基化，甲基化率分别为92%和39.5%。血液中APC基因的高甲基化会导致低的生存率[16]。

2.2DNA甲基化改变DNA甲基化改变与化生-增生-肿瘤的发展过程相关，大多数的患者在食管腺癌发生的早期出现DNA甲基化的改变，因此，甲基化改变可以作为早期诊断的标志物。除此，DNA甲基化能够作为Barrett食管发展成癌症的预测因子[17]。REPRIMO基因，可以调节p53介导的细胞周期阻滞。通过对175例内镜活检样本的检测，发现在13%的食管鳞癌、36%的BE、64%的HGD (BE with high-grade dysplasia)和63%的食管腺癌样本中发生甲基化情况，这些结果显示其可能作为一个重要的早期食管腺癌检测的分子标志物。另外像GPX3、GPX7、GSTM2和SOCS-1基因在食管腺癌中也发生了甲基化情况。这些结果为食管腺癌的分子机制研究提供了新的方向[4]。

3　食管鳞癌与甲基化失活的基因

许多基因在食管鳞癌中发生甲基化，这些基因具有作为早期诊断标志物的潜力。肿瘤抑制基因HIN-1，在乳腺、肺、胰腺、前列腺等上皮组织中高表达。在这些组织发生恶性转变的早期，HIN-1基因表达常常发生沉默。一项HIN-1基因甲基化在食管鳞癌中的研究发现，在正常黏膜组织中HIN-1基因甲基化率为0 (n=17)；Ⅰ期病变中甲基化率为31%(n=39)；Ⅱ期病变中甲基化率为33%(n=12)；Ⅲ期病变中甲基化率为44%(n=9)；原发癌组织中甲基化率为50%。在食管鳞癌的发展过程中HIN-1基因启动子区高甲基化随着肿瘤恶性程度加深，其甲基化状态越加明显[18]。除此，SRY-box containing gene17(SOX17)基因，TFPI-2基因的甲基化发生率也随着食管癌的递进发展而逐渐增高[1, 8]。此外，还有一些基因的甲基化可以在食管鳞癌患者的血清或血浆中检测到。EPB41L3, GPX3 and COL14A1在食管鳞癌患者血浆中的甲基化发生率高于30%，而在健康人的血浆中未检测到甲基化[19]。

4　DNA甲基化可作为食管鳞癌治疗的靶点

DNA甲基化具有可逆性，因此通过一定方法使得表观遗传导致的表达改变的基因恢复表达，为肿瘤治疗和预防提供了新的方向。DNA甲基化需要DNA甲基转移酶DNMTs(DNMT1, DNMT3A, 和 DNMT3B)参与。因此，针对DNMT蛋白表达的抑制剂，可以使表达沉默的基因得到恢复，进而抑制肿瘤细胞增殖，促进凋亡，增加化疗的敏感程度。阿扎胞苷被美国食品药品监督管理局批准，成为最早进入临床应用的DNA 甲基转移酶抑制药，随后，地西他滨(5-氮杂-2′-脱氧胞苷)也被美国食品药品监督管理局认证并已用于临床治疗[20, 21]。体外实验发现5-氮杂-2′-脱氧胞苷处理食管鳞癌细胞系能够恢复抑癌基因RUNX3的表达并提高细胞系对辐射治疗的敏感性[22]。尽管DNA甲基转移酶抑制药在表观遗传治疗方面发挥重要作用，不过，还没有评价这些药物对食管鳞癌治疗效果的报道。

5　DNA甲基化与食管癌预后的关系

现在食管癌预后的指标多数参照手术治疗后的肿瘤分期、组织类型、残留病灶等临床因素。虽然这些因素可以很好预测患者的预后，但是对于患者的无病或整体生存率的预测还不是很准确。为了提高对预后预测的精准性，最近的一些研究将关注点放在了遗传学和表观遗传学的方面。抑癌基因的启动子区异常甲基化与食管癌的临床分期及淋巴结的转移相关，提示其可以作为预后的判断指标。Brock等[23]在食管腺癌患者样本中检测了7个基因的甲基化的改变(APC、CDH1，ER，DAPK，MGMT，TIMP-3，P16)。结果显示，发生甲基化改变的患者2年的生存率和无复发生存率都较未发生甲基化的患者低50%。Lee 等[24]发现p14，CADM1，DCC三个基因的非甲基化的临床Ⅰ期患者的五年无病生存率是p14，DCC和/或CADM1基因发生高甲基化的临床Ⅰ期食管鳞癌患者的7.13倍。提示这些基因可以作为食管癌患者术后复发的预测指标。

综上所述，频繁发生启动子区甲基化的基因具有作为食管癌分子标志物的潜力，如预后判断癌症预测等。目前基因组测序、基因芯片的技术用于分析正常食管组织，食管癌前病变及食管癌组织中多基因的甲基化谱的差异。进一步分析这些不同组织中发生甲基化基因的差异，大样本及多中心的研究将为这些分子标志物的临床应用提供更可靠的信息。研发多基因的甲基化综合检测的方法为DNA甲基化检测用于食管癌的早期诊断及预后评估提供更可靠的依据。另外，目前去甲基化药物的细胞毒性是其应用于临床的限制因素。因此，无毒性的DNA去甲基化的天然药物亟需开发单独或与传统的治疗方法结合用于食管癌的治疗。

[1]Jia Y, Yang Y, Zhan Q,etal. Inhibition of SOX17 by microRNA 141 and methylation activates the WNT signaling pathway in esophageal cancer [J]. J Mol Diagn, 2012, 14 (6): 577-585.

[2]Toh Y, Egashira A, Yamamoto M. Epigenetic alterations and their clinical implications in esophageal squamous cell carcinoma [J]. Gen Thorac Cardiovasc Surg, 2013, 61 (5): 262-269.

[3]Jemal A, Bray F, Center M M,etal. Global cancer statistics [J]. CA Cancer J Clin,2011, 61(2): 69-90.

[4]Kaz A M, Grady W M. Epigenetic biomarkers in esophageal cancer [J]. Cancer, 2014, 342 (2): 193-199.

[5]Zhang X M, Guo M Z. The value of epigenetic markers in esophageal cancer [J]. Fronti Med China, 2010, 4 (4): 378-384.

[6]Chen X Y, He Q Y, Guo M Z. XAF1 is frequently methylated in human esophageal cancer [J]. World J Gastroenterol , 2012, 18 (22): 2844-2849.

[7]Jia Y, Yang Y, Brock M V,etal. Epigenetic regulation of DACT2, a key component of the Wnt signalling pathway in human lung cancer [J]. J Pathol, 2013,230(2):194-204.

[8]Jia Y, Yang Y S , Brock M V,etal. Methylation of TFPI-2 is an early event of esophageal carcinogenesis [J]. Epigenomics, 2012, 4(2): 135-146.

[9]Herman J G, Graff J R, Myohanen S,etal. Methylation-specific PCR A novel PCR assay for methylation [J]. Proc Natl Acad Sci, 1996, 93: 9821-9826.

[10]Rodriguez P M, Esteller M. Cancer epigenetics reaches mainstream oncology [J]. Nat Med, 2011, 17 (3): 330-339.

[11]Xicola R M, Llor X. DNA methylation defects in sporadic and hereditary colorectal cancer [J]. Gastroenterol Hepatol, 2012, 35 (7): 480-487.

[12]Li J S, Ying J M, Wang X W,etal. Promoter methylation of tumor suppressor genes in esophageal squamous cell carcinoma [J]. Chin J Cancer, 2013, 32 (1): 3-11.

[13]Agarwal A, Polineni R, Hussein Z,etal. Role of epigenetic alterations in the pathogenesis of Barrett’s esophagus and esophageal adenocarcinoma [J]. Int J Clinl Exp Pathol, 2012, 5 (5): 382-396.

[14]Yousef F, Cardwell C, Cantwell M M,etal. The incidence of esophageal cancer and high-grade dysplasia in Barrett’s esophagus: a systematic review and meta-analysis [J]. Am J Epidemiol, 2008, 168 (3): 237-249.

[15]Eads C A, Lord R V, Wickramasinghe K,etal. Epigenetic Patterns in the progression of esophageal adenocarcinoma[J]. Cancer Res, 2001, 61(8): 3410-3418.

[16]Kazuyuki K, Brabender J, Lord R V,etal. Hypermethylated APC DNA in plasma and prognosis of patients with esophageal adenocarcinoma [J]. J Nati Cancer Inst, 2000, 92 (22): 1805-1811.

[17]Shah A K, Saunders N A, Barbour A P,etal. Early diagnostic biomarkers for esophageal adenocarcinoma--the current state of play [J]. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev, 2013, 22 (7): 1185-1209.

[18]Guo M Z, Ren J, Brock M V,etal. Promoter methylation of HIN-1 in the progression to esophageal squamous cancer [J]. Epigenetics, 2008, 3 (6): 336-341.

[19]Li X, Zhou F, Jiang C,etal. Identification of a DNA methylome profile of esophageal squamous cell carcinoma and potential plasma epigenetic biomarkers for early diagnosis [J]. PloS One, 2014, 9 (7): e103-162.

[20]Issa J P, Kantarjian H M, Kirkpatrick P. Azacitidine [J]. Nature reviews Drug discovery, 2005, 4 (4): 275-276.

[21]吴亮,李闻,郭明洲. 抑癌基因启动子区甲基化在食管鳞状细胞癌诊断、治疗和预后中的应用价值[J]. 胃肠病学和肝病学杂志, 2014, 23(4): 361-364.

[22]Sakakura C, Miyagawa K, Fukuda K I,etal. Frequent silencing of RUNX3 in esophageal squamous cell carcinomas is associated with radioresistance and poor prognosis [J]. Oncogene, 2007, 26 (40): 5927-5938.

[23]Brock M V, Gou M, Akiyama Y,etal. Prognostic Importance of Promoter Hypermethylation of Multiple genes in esophageal adenocarcinoma[J]. Clin Cancer Res, 2003, 9(8): 2912-2919.

[24]Lee E, Lee B B, Ko E,etal. Cohypermethylation of p14 in combination with CADM1 or DCC as a recurrence-related prognostic indicator in stage I esophageal squamous cell carcinoma [J]. Cancer,2013, 119 (9): 1752-1760.

(2015-06-11收稿2015-09-18修回)

(责任编辑郭青)

郑天亮，本科学历，主管技师。

1.100089北京，武警总部机关门诊部医技药械科；2.100853北京，解放军医学院基础医学研究所；3.572013三亚，解放军总医院海南分院中心实验室

董岩，E-mail: Wjztl_ys@163.com

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