癌症与衰老的分子生物学关系的研究进展

王丹丹 康欣梅

癌症与衰老的分子生物学关系的研究进展

王丹丹 康欣梅

癌症是一种与衰老有关的疾病,在中老年人中癌症发病率很高。衰老生物学与癌症生物学存在着许多相似的特征,癌症与衰老的分子学机制又有着相互重叠的方面。因此,有关衰老的细胞及分子生物学机制的研究对于癌症的发生机制和抗肿瘤研究均具有重要价值。本文从DNA损伤修复、端粒(telomere)及端粒酶(telomerase)、RECQL4(属于人类RECQ解旋酶家族)、表观遗传学和自噬五方面,就衰老与癌症的细胞及分子生物学相关性的最新研究进展进行综述。以期为开发新抗肿瘤药物、治疗衰老相关的疾病提供依据。

1 DNA损伤修复

DNA是生物遗传信息的主要载体,其完整性和稳定性对于机体来说极其重要。由于DNA是一条很长的核苷酸链,在生物体的生命过程中DNA经常会受到损伤,而且大量的研究表明DNA的变异和损伤随着年龄的增长而增加[1]。DNA损伤激活了细胞周期进程中的信号网络,招募DNA损伤修复因子,也有助于有丝分裂期双链断裂(double-strand breaks,DSB)的修复[2]。如果修复不成功,则启动细胞凋亡和衰老程序,从而阻止细胞复制,避免DNA 改变引起的细胞转化[3]。因此维持基因组DNA的稳定对于细胞存活和肿瘤抑制至关重要。而在肿瘤中DNA损伤修复机制是过度激活状态,2009年美国临床肿瘤学会(American Society of Clinical Oncology, ASCO)报道一种全新的分子靶向药物Iniparib (BSI-201),可选择性抑制DNA修复相关的关键酶——多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1[poly(ADP-ribose)polymerase-1, PARP-1],对三阴性乳腺癌患者有效[4]。这一突破性成果强烈预示以DNA 损伤修复通路为靶标的分子治疗可能成为肿瘤治疗的新策略。

2 端粒和端粒酶

端粒、端粒酶与肿瘤一直以来都是科学家研究的热点,2009年,Elizabeth HB、Carol WG 和Jack WS 3位科学家因其“染色体是如何被端粒和端粒酶保护”的研究而获2009 年度诺贝尔生理学或医学奖,更加引起研究者们的关注[5]。

近年研究发现,端粒作为真核细胞染色体末端的一种特殊结构,其主要功能是保证染色体的稳定性,阻止染色体发生降解和端-端融合。在大多数正常人体细胞中,端粒序列不能完全复制,细胞每分裂1次,端粒就有50～300个碱基对丢失。当端粒缩短到一定长度时,就丧失了其保护染色体末端的功能,结果就是编码区基因被破坏,染色体之间发生相互融合或者染色体被降解,最终导致细胞进入衰老过程或者死亡。当端粒的长度缩短到一个临界值时,DNA损伤应答机制就会诱导依赖p53的G1/S细胞周期停止,称作复制衰老。因此,端粒的功能不仅作为“帽子”保护染色体末端不受融合、降解和重组的损伤,也能作为估计细胞老化的生物钟[6]。

肿瘤早期,端粒大幅度地缩短,而端粒的缩短又会反过来影响肿瘤的发生。而与正常细胞不同,在永生化细胞包括肿瘤细胞中,端粒长度是稳定的,而通常端粒长度是靠端粒酶的激活来维持的[7]。通过对不同类型肿瘤的研究显示,端粒酶的活性在85%的人类癌细胞中会出现上调,但是在其他大部分正常体细胞中几乎不能被检测到。同时端粒酶不仅可维持端粒长度,还可驱动细胞周期[8]。因此端粒酶的激活可能是体细胞向肿瘤转变的关键步骤,是细胞癌变的早期事件。而且这样的研究结果已在乳腺癌、前列腺癌等肿瘤中得到证实。肿瘤细胞通过激活端粒酶使细胞不死,从而维持肿瘤的无序性增殖生长。已有证据显示,除了目前常规的化疗和放疗外,靶向治疗可以有效地治疗癌症,选择有效安全的载体是肿瘤靶向治疗成功的关键。最近有文章称,端粒酶失活时,癌细胞将启动端粒替代延长机制(alternative lengthening of telomeres,ALT)[9]，因此,开发针对端粒酶的抑制药物可能成为肿瘤治疗的新思路。

3 RECQL4

RECQL4属于人类RECQ解旋酶家族,人类RECQ解旋酶基因家族包括5个成员:RECQL1,RECQL5,WRN,BLM和RECQ4。除了前2个突变至今未发现与疾病发生有关外,后三者的突变均导致了相关的疾病,依次为Werner综合征,Bloom综合征,RTS、BGS、RAPA综合征[10]。因此,一直以来RECQL4在解旋酶基因家族中备受关注。目前已经证实,除外BGS,RTS、RAPA患者均有强烈的肿瘤倾向,主要是骨肉瘤和淋巴瘤[11],RECQL4引起肿瘤发生的相关分子事件已成为近年来的研究热点。比如,Siddharth小组新近发现RECQL4与p53相互结合,并促进了线粒体聚合酶γ的活性,对线粒体DNA的复制和损伤修复起作用[12]。Ferrarelli等[13]报道了RECQL4还与TRF2相互结合,一起参与端粒D环区域的损伤修复。另外,RECQL4缺陷还被发现与血液系统恶性肿瘤相关[14]。不仅RECQL4的突变会导致肿瘤发生,该基因的过量表达也会引发肿瘤如乳腺癌、骨肉瘤和前列腺癌等[15]。最新研究表明,RECQL4在乳腺癌细胞中大量表达,并与生存素结合在一起,抑制癌细胞的凋亡[16]。最近,一些发现证明RECQL4在与衰老有关的DNA损伤修复、端粒维护及线粒体功能障碍这3个方面扮演了重要的角色[11]。因此,RECQL4可能在癌症和衰老中起着桥梁的作用。

4 表观遗传学

老化是一个多方面的过程,随着医学的进步,表观遗传机制在衰老过程中逐渐被人们所认识到。表观遗传学是指基于非基因序列改变所致的基因表达水平变化。表观遗传改变发生在多个层面,主要有3个方面，即DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码小分子核糖核酸(mi-RNAs)。它们相互作用,影响基因表达。目前越来越多的研究证实癌症与衰老均带有异常的表观遗传学修饰,现将其主要方面的变化和癌症与衰老的关系进行探讨。

4.1 DNA甲基化 DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶(DNA methyltransferases, DNMTs)的作用下,甲基基团以共价键结合到DNA分子上,大多出现于基因组CpG岛二核苷酸的胞嘧啶5′碳位上[17],并可传递到子代[18]。多项有关衰老的研究发现,很多基因的 CpGs位点发生不同程度的甲基化改变。Hannum 等[19]在不同年龄层次的血液样本中,检测发现了71个随着年龄增长发生改变的甲基化位点。同时,另一项大型队列研究也发现在血液样本及其他正常组织中,全基因组中有749 个 CpG 位点发生了年龄相关性的甲基化水平变化[20]。提示DNA特异位点的甲基化水平可能是一个反映衰老的可靠生物学标记。同时DNA甲基化在肿瘤的发生、发展过程中扮演重要角色。Li等[21]研究发现,肿瘤细胞与正常细胞相比在表观遗传的调控方面存在很大的差别,肿瘤细胞往往呈现出原癌基因全基因组DNA甲基化水平的降低、特定基因(尤其是抑癌基因)启动子序列区域的DNA甲基化水平升高的现象,进而导致抑癌基因的表达沉默。并且这些表现均与衰老细胞的表观遗传学改变存在多种相似之处。此外,在衰老过程中出现的H4K20甲基化水平升高会使肿瘤抑制基因RB的表达受到抑制,使得老年患者更易发生肿瘤。因此,对于DNA甲基化的深入研究,不仅可以进一步揭示衰老的发生机制,而且可以为肿瘤的发生和防治提供新的策略。

4.2 组蛋白修饰 组蛋白的表观遗传修饰主要包括组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等。甲基化与去甲基化、乙酰化与去乙酰化是目前研究相对清楚的机制。组蛋白的甲基化是通过组蛋白甲基化转移酶介导的将3个甲基与组蛋白的赖氨酸残基结合的过程。这一过程根据结合位点的不同对基因的表达会产生不同的影响。H3K4、H3K36、H3K79的位点发生三甲基化,将会促进基因转录的活化,而H3K9、H3K27和 H4K20 发生甲基化,将会导致基因转录的抑制[22]。恒河猴模型的研究证实,脑中的甲基化转移酶SETD7和DPY30上调,引起H3K4me2的水平上升,导致衰老相关基因水平上调,促进了衰老的发生[23]。研究显示,部分组蛋白甲基化转移酶、去甲基化酶与肿瘤的发生相关。对乳腺癌细胞的研究显示,催化单甲基化或双甲基化的H3K4去甲基化的LSD1在乳腺癌中的表达缺失,而LSD1表达可抑制癌细胞的转移和侵袭。最新研究发现,H3K27去甲基化酶JMJD3在T淋巴细胞白血病的发生和发展中是必需的,而另一个去甲基化酶UTX作为肿瘤抑制基因在急性T淋巴细胞白血病中常常失活,作用同一位点的组蛋白修饰酶在肿瘤发生、发展中的作用也是有差异的[24]。相似的,组蛋白的乙酰化主要是通过乙酰转移酶(histoneacetyltransferase, HAT)完成,通常发生在转录位点的启动子上,以促进基因转录的活化;相反,去乙酰化是通过去乙酰化酶(histone deacetylase, HDACs)完成,以抑制下游基因的转录,两者处于一个动态平衡状态。由于在肿瘤组织中发现HDACs的异常表达,因此可选用HDACs抑制剂对肿瘤进行治疗[25]。研究发现,在衰老的人间充质干细胞中HDAC1、HDAC2的表达水平下降[26],而在衰老的成纤维细胞中HDAC1水平上升,并同时伴有H3K56去乙酰化现象;从而认为,H3K56去乙酰化对于复制性衰老和癌基因诱导的衰老都有重要作用[27]。上述证据显示,组蛋白修饰在肿瘤和衰老中的发生、发展中起着非常重要的作用。

4.3 mi-RNAs miRNA是由21～23个核苷酸组成的单链非编码RNA,可与目的信使RNA的3'-UTR端结合,导致基因转录终止,进而影响它的表达[28]。miRNA是细胞和机体衰老的重要调节因子。血清的miRNA已经可以作为衰老相关的生物学和生理学诊断和预后标记物[29]。已有研究发现唾液外泌体的miRNA也可作为潜在衰老标志物[30]。Noren等[31]研究发现老年人外周血中单个核细胞的miRNA-107表达水平明显低于青年人,且其表达或功能异常可导致癌症和阿尔茨海默病(AD)等衰老相关疾病的发生。然而,有的研究中发现miRNA-107却是致癌因子,在乳腺癌和胃癌中高表达,并与癌症患者的远端转移相关,可作为转移复发和预后不良的标志[32]。乳腺癌中miRNA-107通过负调控抑癌因子miRNA let-7，上调其靶基因HMGA2和Ras,促进癌细胞增殖[33]。说明,miRNA在癌症与衰老中的作用机制还不清楚,需要我们进一步对其进行深入研究。

5 自噬

自噬是降解损伤及丧失功能的细胞器或蛋白,维持细胞更新和稳态的关键细胞机制。在化疗或放疗过程中,一些癌细胞通过自体吞噬维持休眠状态来保护自己不受抗癌治疗的伤害,进而产生耐药。而衰老往往伴随着自噬活性下降,包括衰老相关疾病癌症也存在自噬功能异常,因此自噬活性高低决定了自噬在衰老及肿瘤发生发展中的作用[34]。适度有效的自噬能够及时清除致病原,维持细胞的活性,保持机体稳态。而受损的自噬导致细胞生存能力的降低,不能及时清除细胞内错误折叠蛋白而加重细胞内质网应激反应及加重炎症进程,进而抑制细胞衰老,引发肿瘤。过度活化的自噬,导致自噬相关的细胞死亡,诱导大量实质细胞非正常死亡,破坏组织结构,导致器官功能丧失,促进细胞过度衰老,促进肿瘤进程。因此充分了解细胞自噬活性对于衰老及癌症是至关重要的,同时诱导适度自噬以延缓衰老或治疗癌症具有潜在的临床意义及药物开发意义。自噬在肿瘤中的分子机制非常复杂,涉及大量上游信号传导途径,如PI3K-AKT-mTOR、LKB1-AMPK-mTOR、p53、Beclin1和Bcl-2等调控细胞自噬的信号通路[35]。同时已有研究证明，组蛋白乙酰化能调控细胞自噬发生。由于自噬是一个动态的多步骤过程,因此要从多个环节对自噬进行干预。随着以自噬为靶点的抗肿瘤治疗研究的进展,发现不同肿瘤类型及肿瘤发展的不同阶段,自噬发挥的作用不同,自噬在肿瘤治疗中有促存活或者促死亡的双重作用[36]。因此以自噬为靶点的肿瘤治疗需根据情况来选择自噬诱导剂或抑制剂。

6 展望

随着全世界老龄人口比例的加大,人口的老龄化已经成为许多国家都要面对的社会问题[37]。衰老是多因素共同作用的复杂生物学过程,衰老研究的一个重要目的就是要理解这些因素是如何相互作用,从而最终导致生物体的衰老。确定癌症和衰老的具体机制,从而制定相关的预防和治疗策略将使很大一部分人群受益。如何通过调节细胞衰老的进程,治疗与衰老相关的癌症,且在治疗中避免严重不良反应,将是一个重要挑战。

[1] Vijg J. Somatic mutations and aging: a re-evaluation[J].Mutat Res,2000,447(1):117-135.

[2] Vasileva A, Hopkins KM, Wang X, et al. The DNA damage checkpoint protein RAD9A is essential for male meiosis in the mouse[J].J Cell Sci,2013,126(Pt 17):3927-3938.

[3] Insinga A, Cicalese A, Faretta M, et al. DNA damage in stem cells activates p21,inhibits p53, and induces symmetric self-renewing divisions[J].Proc Natl Acad Sci USA, 2013, 110(10): 3931-3936.

[4] 王东. 基于DNA损伤修复的分子靶向治疗:肿瘤靶向治疗的新篇章[J]. 第三军医大学学报, 2014,36(22):2243-2249.

[5] 钟天映，陈媛媛，毕利军. 端粒与端粒酶的研究——解读2009年诺贝尔生理学或医学奖[J]. 生物化学与生物物理进展,2009, 36(10): 1233-1238.

[6] 吴军,姜苏蓉.生物钟与衰老的研究进展[J].实用老年医学,2013,27(8):685-687.

[7] Sinha S, Shukla S, Khan S, et al. Telomeric Repeat Containing RNA (TERRA):Aging and cancer[J].CNS Neurol Disord Drug Targets, 2015,14(7):936-946.

[8] Hu J, Hwang SS, Liesa M, et al. Antitelomerase therapy provokes ALT and mitochondrial adaptive mechanisms in cancer[J].Cell, 2012,148(4):651-663.

[9] O’Sullivan RJ, Arnoult N, Lackner DH, et al. Rapid induction of alternative lengthening of telomeres by depletion of the histone chaperone ASF1[J].Nat Struct Mol Biol, 2014, 21 (2): 167-174.

[10]Fradin M, Merklen-Djafri C, Perrigouard C, et al. Long-term follow-up and molecular characterization of a patient with a RECQL4 mutation spectrum disorder [J]. Dermatology, 2013, 226(4):353-357.

[11]Croteau DL, Singh DK, Hoh Ferrarelli L, et al.RECQL4 in genomic instability and aging[J]. Trends Genet, 2012,28(12):624-631.

[12]Gupta S,De S,Srivastava V,et al.RECQL4 and p53 potentiate the activity of polymerase γ and maintain the integrity of the human mitochondrial genome[J]. Carcinogenesis, 2014, 35(1):34-45.

[13]Ferrarelli LK,Popuri V,Ghosh AK,et al.The RECQL4 protein,deficient in Rothmund-Thomson syndrome is active on telomeric D-loops containing DNA metabolism blocking lesions[J].DNA Repair,2013,12(7):518-528.

[14]Ng AJ,Walia MK,Smeets MF,et al. The DNA helicase recql4 is required for normal osteoblast expansion and osteosarcoma formation[J].PLoS Genet, 2015, 11(4):e1005160.

[15]Veith S, Mangerich A. RecQ helicases and PARP1 team up in maintaining genome integrity[J]. Ageing Res Rev， 2015, 23(Pt A):12-28.

[16]Arora A, Agarwal D, Abdel-Fatah TM, et al. RECQL4 helicase has oncogenic potential in sporadic breast cancers[J]. J Pathol, 2016, 238(4):495-501.

[17]Moore LD, Le TG. DNA methylation and its basic function[J].Neuropsychopharmacology, 2013, 38(1):23-38.

[18]Jiang L, Zhang J, Wang JJ, et al. Sperm, but not oocyte, DNA methylome is inherited by zebrafish early embryos[J].Cell, 2013,153(4):773-784.

[19]Hannum G, Guinney J, Zhao L, et al. Genome-wide methylation profiles reveal quantitative views of human aging rates [J].Mol Cell, 2013, 49(2):359-367.

[20]Xu Z, Taylor JA. Genome-wide age-related DNA methylation changes in blood and other tissues relate to histone modification,expression and cancer[J]. Carcinogenesis, 2014, 35(2):356-364.

[21]Li J, Huang Q, Zeng F, et al. The prognostic value of global DNA hypomethylation in cancer:a meta-analysis[J]. PLoS One, 2014, 9(9):e106290.

[22]Hublitz P, Albert M, Peters AH. Mechanisms of transcriptional repression by histone lysine methylation[J]. Int J Dev Biol, 2009,53(2/3):335-354.

[23]McCord RP, Nazario-Toole A, Zhang H, et al. Correlated alterations in genome organization, histone methylation, and DNA lamin A/C interactions in Hutchinson-Gilford progeria syndrome [J]. Genome Res, 2013, 23(2):260-269.

[24]Van der Meulen J, Sanghvi V, Mavrakis K,et al.The H3K27me3 demethylase UTX is a gender-specific tumor suppressor in T-cell acute lymphoblasticleukemia.[J].Blood, 2015, 125(1):13-21.

[25]Giaginis C, Damaskos C, Koutsounas I, et al. Histone deacetylase (HDAC)-1,-2,-4 and-6 expression in human pancreatic adenocarcinoma: associations with clinicopathological parameters, tumor proliferative capacity and patients' survival[J].BMC Gastroenterol, 2015, 15:148.

[26]Chambers SM, Shaw CA, Gatza C, et al. Aging hematopoietic stem cells decline in function and exhibit epigenetic dysregulation[J].PLoS Biol,2007,5(8):e201.

[27]Pollina EA, Brunet A. Epigenetic regulation of aging stem cells[J].Oncogene, 2011, 30(28): 3105-3126.

[28]Stark A, Bushati N, Jan CH, et al. A single Hox locus in Drosophila produces functional microRNAs from opposite DNA strands[J].Genes Dev,2008,22(1):8-13.

[29]Zhang H, Yang H, Zhang C, et al. Investigation of microRNA expression in human serum during the aging process[J]. J Gerontol A Biol Sci Med Sci, 2015,70(1):102-109.

[30]Machida T,Tomofuji T,Ekuni D,et al. MicroRNAs in salivary exosome as potential biomarkers of aging[J].Int J Mol Sci, 2015, 16(9):21294-21309.

[31]Noren Hooten N, Abdelmohsen K, Gorospe M, et al.microRNA expression patterns reveal differential expression of target genes with age [J].PLoS one,2010,5(5):e1074.

[32]Li F, Liu B, Gao Y, et al. Upregulation of microRNA-107 induces proliferation in human gastric cancer cells by targeting the transcription factor FOXO1[J].FEBS Lett, 2014, 588(4):538-544.

[33]Chen PS, Su JL, Cha ST, et al. miR-107 promotes tumor progression by targeting the let-7microRNA in mice and humans[J].J Clin Invest, 2011, 121(9):3442-3455.

[34]Mar FA,Debnath J,Stohr BA.Autophagy-independent senescence and genome instability driven by targeted telomere dysfunction.[J].Autophagy, 2015,11(3):527-537.

[35]Akkoc Y,Berrak O,Arisan ED,et al.Inhibition of PI3K siganling triggered apoptotic potential of curcumin which is hindered by Bcl-2 through activation of autophagy in MCF-7 cells[J]. Biomed Pharmacother,2015,71:161-171.

[36]Tian Y,Kuo CF,Sir D, et al.Autophagy inhibits oxidative stress and tumor suppressors to exert its dual effect on hepatocarcinogenesis[J].Cell Death Differ,2015,22(6):1025-1034.

[37]吴斌,李延萍.衰老的网络机制与干预方法[J].实用老年医学,2014,28(2):108-111.

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