DNA甲基化与癌症之间关系研究概述

王 静 胡雪峰

(福建师范大学生命科学学院 福州 350108)

表观遗传是指在基因的核苷酸序列不改变的情况下，基因表达发生可遗传性变化，主要表现为DNA甲基化、组蛋白修饰及染色质构象变化等。本文对DNA甲基化与癌症发生关系的研究进展进行概述。

1 DNA甲基化的概念和意义

DNA甲基化(DNA methylation)是指在DNA甲基转移酶的催化下，DNA甲基基团共价结合到CpG双核苷酸的胞嘧啶5碳位上。CpG双核苷酸在人类基因组中的分布不均匀，常局部聚集形成一些CG含量较高的长度为300～3000 bp的DNA片段(即CpG岛)，DNA的甲基化主要发生于此。

DNA甲基化参与基因的差异性表达、染色体失活、衰老以及癌症的发生等多种生理过程，在哺乳类动物的发育中具有重要的作用，能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式等的改变。

2 DNA甲基化与癌症发生的关系

癌症的发生是一个多阶段过程，涉及基因变异和表观遗传等作用。DNA甲基化是一种调控基因表达的机制，异常DNA甲基化及DNA甲基化模式改变是肿瘤细胞中常见的表观遗传现象。多种癌症的发生与DNA异常甲基化有着重要的关系。

2.1 DNA甲基化与口腔癌的关系 口腔癌是指一类发生于口腔中的恶性肿瘤，好发于舌头、牙龈、颊等部位，其主要的病理类型为鳞状细胞癌，是头颈部较常见的恶性肿瘤之一。研究发现，多个影响细胞生长周期的抑癌基因的CpG岛甲基化、基因突变以及多个基因位点的杂合型缺失(一对同源染色体上相同基因座位的两个等位基因中的一个或者部分核苷酸片段发生缺失)，导致了相关抑癌基因功能的丧失，从而导致口腔癌的发生[1]。

口腔癌中，至少有3个抑癌基因的启动子的甲基化与口腔癌相关，这3个基因分别是p14ARF、p15NK4b和p16NK4a，皆定位于人染色体9p21，其中p14ARF通过与癌基因MDM2相互作用，形成p14ARF-MDM2-p53(p53为一种抑癌基因)三体复合物，减弱MDM2介导的p53的降解，增强p53的相关作用，从而抑制细胞生长，促使细胞凋亡。p16NK4a通过与周期蛋白依赖性激酶4(CDK4)和周期蛋白依赖性激酶6(CDK6)结合，抑制周期蛋白依赖性激酶4/6-细胞周期蛋白D(CDK4/6-cyclinD)复合物的催化作用，导致细胞周期停滞在G1期，不再继续分裂增殖。p15NK4b与p16NK4a具有高度同源性，也是CDK4和CDK6的抑制剂。这三个抑癌基因共同作用构成一个局部网络，控制口腔癌细胞的生长，其中任何一个基因发生异常或失活都有可能影响整个抑癌体系的正常运行。有学者对临床上口腔癌手术后的标本进行基因突变、纯合性缺失(一对同源染色体上相同基因座位的两个等位基因皆缺失)和启动子甲基化检测后发现：在87.5%的病例中，p14ARF、p15NK4b和p16NK4a至少出现一个基因一种形式的基因改变，且p16NK4a失活的病例数明显高于前两者。其中，p14ARF和p15NK4b的失活主要由甲基化引起，而p16NK4a的失活则是甲基化和纯合型缺失共同作用的结果。综合以上情况，可知p14ARF、p15NK4b和p16NK4a皆参与了口腔癌的发生，且甲基化是导致这些基因失活的重要机制之一[2]。

2.2 DNA甲基化与肺癌的关系 肺癌是呼吸系统常见的恶性肿瘤。肺癌细胞与正常细胞相比存在着不同程度的异常甲基化。在肺癌发生发展过程中常出现整个基因组DNA的低甲基化，并在DNA启动子区CpG岛发生高水平甲基化[3]。前者可使原癌基因活跃、基因组易变等，致使原癌基因的过度表达以及染色体的稳定性降低，从而导致肺癌发生；后者导致抑癌基因、凋亡基因、细胞周期调节基因等主要基因转录受到抑制，使得表达减少或沉默，相应的功能减弱或丧失，从而引起肺癌的发生。

研究发现，许多基因CpG岛的高甲基化导致其基因表达沉默，如多肿瘤抑制基因(P16)、0～6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶基因(MGMT)、死亡相关蛋白激酶基因(DAPK)等抑癌基因，与肺癌发生的早期事件有关[4]；同源基因(HOX)、叉头框G1基因(FOXG1)、离子型谷氨酸受体红藻氨酸3基因(GRIK3)等基因启动子区的CpG岛的DNA高甲基化与肿瘤的发生发展密切相关[5]；组蛋白1-H4f基因(HIST1H4F)、原钙粘蛋白γB6基因(PCDHGB6)、神经肽B和W的受体1基因(NPBWR1)的高甲基化与肺癌的复发有较为直接的关系[6]。在肺癌组织中还常见到短小同源异型框2基因(SHOX2)甲基化，其在肺癌组织中检出率高达96%[7]，这与SHOX2基因上存在两个CpG岛有关，因此SHOX2基因的甲基化可作为肺癌早期诊断的指标之一。此外，在非小细胞肺癌中抑癌基因GPC5的甲基化程度明显比正常肺组织低，使得该基因的表达被激活，利于肺癌细胞的增殖迁移。

2.3 DNA甲基化与胃癌的关系 胃癌是消化系统多发的肿瘤之一，同其他癌症类似，胃细胞的癌变是一个多因素、多步骤、多阶段的发展过程。其中，甲基化行为异常在胃癌组织中较为常见。同源结构域蛋白β基因(HOPX-β)在胃癌组织中的甲基化率为84%，而在相应的正常组织中仅为10%，因此该基因的甲基化水平异常被认为与胃癌的发生有着高度相关性[8]。胃癌组织中的转铁蛋白基因(TRF)甲基化率仅为20%，而正常胃组织中该基因甲基化率为60%，该基因甲基化程度的降低导致了原癌基因TRF2表达的升高[9]。另外，胃癌组织中原癌基因LAMB3及LAMC2的表达升高也被证实与其启动子的甲基化程度降低相关[10]。

研究发现，胃癌组织中的一种DNA错配修复基因MGMT，常因高度甲基化而失活，使得MGMT蛋白无法表达。MGMT蛋白的缺失会使某些关键基因(如p53、原癌基因K-ras等)发生G-C突变为A-T而无法被修复，导致相应基因失去正常生理功能[11]。DNA错配修复基因hMLH1和hMSH2同样被发现在胃癌中呈高度甲基化状态，导致错配修复功能缺陷，从而引发胃癌。

除此之外，抑癌基因ZIC1的抑癌作用表现为使胃癌细胞停滞在S期，该基因启动子区高甲基化使该基因表达下调，从而促使胃癌发生。CDH1也是一种抑癌基因，对同型细胞的黏附、维持上皮细胞的极性和完整性起重要作用。该基因发生甲基化会使得E-钙粘蛋白表达降低，细胞间黏附力下降，癌细胞则易于通过基底膜进入到周围组织和血管，从而促进胃癌细胞转移等。在甲醛固定、石蜡包埋的胃癌组织中，检测发现CDH1基因甲基化阳性率高达100%，因此该基因的高度甲基化与胃癌的发生与发展密切相关。

2.4 DNA甲基化与前列腺癌的关系 前列腺癌是指发生在前列腺的上皮性恶性肿瘤，其中谷胱甘肽S-转移酶1基因(GSTP1)启动子的甲基化是前列腺癌中最常见的表观遗传学改变。该基因与DNA修复有关，其正常表达可保护细胞免受DNA损伤和癌变。但在90%以上的前列腺癌变标本中都发生GSTP1基因启动子甲基化[12]。此外，一些与细胞周期相关的基因的异常表达与前列腺癌的发生、发展有关，如细胞传导通路基因相关结构域家族蛋白1亚型A基因(RASSF1A)能够抑制细胞在有丝分裂早期增长，但该基因启动子甲基化在前列腺癌中的发生率为54%～96%[13]，使前列腺中的多数或绝大多数癌细胞的增长不受抑制。进一步研究发现该基因启动子甲基化出现在前列腺癌的早期，且甲基化程度随着病情恶化而提高。

雌激素受体(estrogen receptor，ESR)有两种，分别是ESR1和ESR2，均在前列腺组织中表达，但在发生前列腺癌的组织中均受抑制，其功能失活的主要机制是这两者基因的启动子发生甲基化，因此前列腺癌常用雌激素进行治疗[14]。研究还发现甲基化诱导静止因子基因(TMS1/ASC)能够编码一种促进癌细胞凋亡的蛋白质，该基因不仅因其启动子甲基化在前列腺癌中低表达或不表达，且其甲基化水平与前列腺癌的复发有关[15]。

2.5 DNA甲基化与卵巢癌的关系 卵巢癌是女性常见癌症之一。研究发现阿片样物质结合蛋白/细胞黏附样分子(OPCML，属于免疫球蛋白超家族)基因的启动子甲基化会导致OPCML在卵巢癌中表达缺失[16]，而OPCML的表达水平越低，则卵巢癌越严重。另外与DNA修复有关的乳腺癌1型基因(BRCA1)编码的蛋白质在保持基因组稳定性上有重要的作用。该基因启动子甲基化使该基因在卵巢中表达降低，增加患卵巢癌的风险。

此外，含有WW结构域的氧化还原酶基因(WWOX)对诱导卵巢癌细胞凋亡、抑制卵巢癌细胞增殖及黏附等有重要的作用，研究发现WWOX基因异常甲基化导致该基因的失活，与卵巢癌的发生与发展进程有着密切关系[17]。另外，生长抑制剂4基因(ING4)启动子甲基化参与了卵巢癌的生长和分化，在卵巢癌组织中ING4基因转录的mRNA的表达显著减少，且表达与其基因甲基化程度负相关[18]。

最新研究显示，HOXA9和同源异型框A10基因(HOXA10)的异常甲基化与卵巢癌的发展紧密相关，其中HOXA9基因启动子常出现甲基化，且其高甲基化显著增加卵巢癌风险。HOXA9通过肿瘤相关成纤维细胞和血管内皮细胞生长促进卵巢癌细胞的生长增殖[19]，HOXA10基因启动子常出现低甲基化，使得该基因在卵巢癌中高表达，导致卵巢癌的恶化[20]。

3 结论与展望

DNA甲基化作为表观遗传学的一项重要内容，日益受到人们的重视。越来越多研究表明，异常DNA甲基化及DNA甲基化模式的改变与癌症的发生发展有着密切的关系，它们导致基因表达异常，从而促使癌症的发生和发展。而DNA的甲基化和去甲基化有一定的可逆性。随着研究的不断深入，DNA甲基化与癌症之间关系的研究将为癌症早期诊断、评估癌症风险、制定治疗方案以及预后判断等方面提供新的启示。

(基金项目：国家自然科学基金项目“BMP/Wnt信号内稳态破坏导致小鼠肺气肿的机制”，No.81570036；福建省科技厅重点项目“心脏起搏细胞的体外诱导及其功能验证”，No.2015I0011)；*通信作者)