表观遗传学调控在胃癌中的研究进展

闫国林 李仕青⋆

胃癌是常见的恶性肿瘤。我国胃癌新发病例约67.9万/年，同期死亡人数49.8万，发病率和病死率在恶性肿瘤中均高居第二［1］。大部分胃癌患者就诊时处于中晚期，5年生存率仅5%［2］。研究显示表观遗传学介导的基因与环境之间的相互作用在胃癌的发病机制中扮演重要角色［3］。表观遗传学是指不伴有基因DNA序列改变的，基因表达水平发生可遗传的和暂时性/可逆性的变化。随着国内外研究的关注和不断深入，表观遗传学已成为较理想的早期胃癌诊断、预后标志物及临床治疗的新靶点。本文对表观遗传学调控中研究较多的DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA在胃癌发生发展中重要作用的研究进展作一综述。

1 表观遗传学

20世纪50年代，胚胎学家Conrad Waddington最初将表观遗传学描述为基因及其实现表型的基因产物间相互作用的生物学分支。随着人们发现环境因素对发育可塑性有着深刻影响，提出更为完整的定义，即表观遗传学是研究在无DNA序列变化的情况下，可以经过有丝分裂和减数分裂等在细胞和个体世代间传递，从而引起基因表达或表型改变的生命信息，其与传统孟德尔遗传规律的核内遗传不相符［4］。表观遗传学在环境因素和基因表达间架起桥梁，其在人类疾病中的关键作用也正在被逐渐揭示，显示其在细胞的再生、心血管疾病、肿瘤的发生等生理病理过程中发挥着重要作用，因此对于如DNA甲基化、染色质结构稳定、转录活性、组蛋白修饰和非编码RNA调控等不同的生物活性的全面理解能够明显推动表观遗传学的发展，并能为肿瘤的防治提供新的思路。

2 DNA甲基化与胃癌

DNA甲基化是被研究最广泛的表观遗传修饰，DNA甲基化是在一系列DNA甲基转移酶（DNMT）参与下，S-腺苷甲硫氨酸为其提供甲基的来源，基因启动子序列CpG岛中胞嘧啶上的可逆性化学修饰过程［5］。DNA甲基化并未导致遗传信息的改变，而只是改变DNA序列中保存信息的可读性，并通过随后的转录抑制引起基因表达的失活。在人类中，已经描述了各种具有不同生命功能的DNMT。DNMT3a和DNMT3b参与建立从头甲基化模式，其中DNMT1被认为是负责维持DNA甲基化。DNMT2具有未知的生物学功能，其与DNA的强结合表明其可能参与标记基因组中的特定序列。研究表明DNA甲基化在胚胎发育、转录、X染色体失活和基因印记等过程中发挥关键作用［6］。

癌细胞中DNA甲基化状态变化是极其复杂的，分为低甲基化和高甲基化。癌症中甲基化的丧失主要是由于重复DNA序列的低甲基化。在肿瘤的发展过程中，基因组的低甲基化程度随着病变从良性发展到转移而逐渐增加［7］。传统的胃癌分子研究大多是基于基因突变。近年来，研究聚焦于发现早期癌变过程中由于表观遗传学机制而表达沉默的新生物学标志物。还发现几乎一半通过突变导致失活进而引起家族性癌症的抑癌基因在散发性癌症中亦可能是由于其自身启动子高甲基化状态而失活［8］。越来越多的证据表明，基因启动子甲基化状态的变化在胃癌的发生发展中起关键作用。如p16INK4a，CDKN2B和p14ARF等基因在人细胞系和原发性肿瘤中均表现出高甲基化。由于基因启动子高甲基化引起p16沉默已在胃癌中有报道，并可以通过其甲基化水平预测肿瘤的恶性潜能和早期诊断［9］。hMLH1是错配修复系统中的主要成员之一，在DNA复制时参与错配修复功能，对维持基因组的稳定具有重要作用。hMLH1基因启动子高甲基化在胃癌中频繁发生，并与大多数表现微卫星不稳定（MSI）的胃癌中低表达的hMLH1相关。研究报道hMLH1甲基化在71%的MSI-H肿瘤中可见，但是仅分别在8%的MSI-low和13%的微卫星稳定肿瘤中可见［10］。癌细胞通过血管通道转移和侵犯器官的能力由APC、E-Cadherin（CDH1）、H-Cadherin（CDH13）和FAT肿瘤抑制因子所表示。CDH1基因启动子高甲基化在54.8%的散发性胃癌中发现，甲基化在淋巴结转移的胃癌组织中明显高于无淋巴结转移者，且与浆膜浸润有关；同时E-Cadherin表达下调与胃癌患者的预后不良密切相关［11-12］。CDH4基因甲基化在胃癌高发病例中也可见到，可能是肿瘤进展的早期事件。死亡相关蛋白激酶（DAPK）在肠型、弥漫型和混合型胃癌中呈高甲基化状态，并且与淋巴结转移、晚期和生存不良有关［13］。半胱氨酸蛋白酶家族成员Caspase-1在19.3%的胃癌中表达缺失，而使用甲基化抑制剂处理胃癌细胞系后其表达趋势相反［14］。最近，Sepulveda等鉴定了13个基因（BRINP1、CDH11、CHFR、EPHA5、EPHA7、FGF2、FLI1、GALR1、HS3ST2、PDGFRA、SEZ6L、SGCE和SNRPN），其与正常黏膜相比，在胃癌组织中呈现高甲基化，这一系列基因的进一步研究有助于开发出该致死性肿瘤的精确诊断和改善预后的方法。特异基因的低甲基化也参与胃癌的发生。胃癌中黑色素瘤抗原、突触核蛋白-γ（SNCG）和细胞周期蛋白D2的去甲基化已在胃癌中被报道［15］。已知黑色素瘤抗原（MAGE）表达是通过甲基化机制激活的。MAGE-A1和A3基因启动子的去甲基化在胃癌的晚期临床阶段较为常见（分别为29%和66%），与患者预后不良有关［16］。SNCG去甲基化在淋巴结转移病例中常见［17］。71%胃癌组织中发现cyclin D2启动子低甲基化，此事件在III期和IV期肿瘤中较I期和II期肿瘤更为常见［18］。DNA甲基化是表观遗传调控机制中与胃癌发生发展关系最为密切的一种方式，其深入研究同时有助于发展更为精确的胃癌早期检测、临床分析、预后监测的方式。

3 组蛋白修饰与胃癌

组蛋白是进化上高度保守的蛋白质，与DNA结合的碱性蛋白质的总称，是真核生物染色体的基本结构蛋白，有5种类型：H1、H2A、H2B、H3和H4，其特征是一个可作用的氨基末端尾部和组蛋白折叠结构域，介导组蛋白间的相互作用以形成核小体支架［6］。组蛋白多肽的N-末端被60种不同的翻译后修饰所广泛修饰，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、核糖基化、磺酰化、羰基化和糖基化等。基因表达调控中的组蛋白乙酰化是在由乙酰辅酶A为其提供乙酰基部分的来源，在组蛋白乙酰基转移酶（HAT）发挥的催化介导作用下，将乙酰基转移至其基团上，通过影响染色质的紧缩程度，从而影响转录因子和DNA链上的启动子结合，进而影响基因转录。正常细胞中，核小体DNA的激活/乙酰化和失活/非乙酰化形式之间存在着精确的平衡。该平衡是在HAT和组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的平衡调和的作用下完成。另一种常见的修饰包括组蛋白的精氨酸和赖氨酸残基的甲基化，这种甲基化由组蛋白甲基转移酶（HMT）催化完成，该过程涉及广泛的基因活性和染色质结构的调节［19］。通常，在H3K9、H3K27和H4K20位点的赖氨酸甲基化与基因沉默相关，其中H3K4、H3K36和H3K79的甲基化与基因活化有关。除了其在转录调控中的作用外，组蛋白修饰也与DNA复制、修复和凝聚有关。

主要发生在组蛋白N-末端结构域的赖氨酸残基上的乙酰化修饰已有文献报道其与转录激活有关。组蛋白H3K9的乙酰化与低分化型或弥漫型的组织学类型胃癌相关，H4赖氨酸16位点的乙酰化可指示癌症患者较好的预后，其可能是通过激活肿瘤抑制基因发挥作用［20］。组蛋白H4乙酰化水平在胃癌黏膜中比正常黏膜中减少，并且组蛋白H4乙酰化水平的降低与胃癌晚期、更严重的器官侵袭和更广泛程度的淋巴结转移有关［21］。在胃癌细胞中，p21WAF1与广泛的组蛋白乙酰化有关，据报道，减少的组蛋白H3乙酰化水平与肿瘤抑制基因p21WAF1/CIP1在胃癌中的表达降低有关［22］。HDAC在基因乙酰化水平的调节过程中也十分重要，研究表明HDAC在胃癌中亦存在表达异常，Mutze等［23］通过对127例的胃癌组织标本的统计分析显示HDAC1和HDAC2在胃癌组织中相对于正常组织具有高表达水平，且HDAC1可以作为对化疗药物敏感的胃癌患者危险因素分层指标。组蛋白修饰中的甲基化修饰方式亦在胃癌研究中有报道，目前研究主要聚焦于组蛋白H3和H4。Park等［20］通过胃癌组织免疫组化结果发现，胃癌组织中H3K9的三甲基化水平与胃癌分期、淋巴管浸润、肿瘤复发、患者生存率有关，多因素生存分析结果显示H3K9三甲基化可作为胃癌患者的独立预后因素。

4 非编码RNA与胃癌

蛋白编码基因在总基因组中占1.5%～2%，人类基因组中大部分是非编码部分，并且曾被认为是无功能的，然而，最近关于这些RNA功能方面的研究报道逐渐增多。Li等［24］证实DNA甲基化水平与miR-155表达下调相关，miR-155是一种重要的多功能miRNA，通过靶向SMAD2调控胃癌细胞的转移。此外，miR-34c-5p的高表达通过下调微管相关蛋白tau蛋白表达显著增加胃癌的化疗耐受性［25］。Zhu等［26］发现miR-200bc/429簇在多药耐受的发展中通过靶向抑制BCL-2和XIAP进而发挥重要作用。

有证据表明lncRNA在剪接前的修饰、转录、转录后修饰如剪接和翻译中均发挥作用［27］。其也可通过DNA的表观遗传修饰在染色质重塑中发挥重要作用。Arita等［28］检测发现胃癌患者血浆中H19、HOX反义基因RNA（HOTAIR）和转移相关肺腺癌转录因子-1（MALAT1）的表达异常，基于这些发现，Zhou等［29］发现胃癌患者血浆中H19相较于正常呈现高表达水平，且可以用作理想的生物诊断标志物。此外，HOTAIR的表达与胃癌的组织病理学和预后不良有关［30］。母系表达基因3（MEG3）参与调控胃癌细胞增殖和凋亡，同时其表达下调与胃癌患者的生存率降低相关［31］。Li等［32］从大样本测序数据库中确定2种lncRNA（HOTAIR和UCA1）在胃癌中的诊断和预后中的效用。

5 表观遗传学在胃癌中的临床意义

深入研究表观遗传学有助于癌症的诊断和治疗。启动子异常甲基化在癌症发生过程中出现较早。CpG岛的高甲基化可能会成为肿瘤早期发现的最有前景的生物标志物之一。在诊断价值方面，因基因启动子甲基化水平在肿瘤发生过程中的变化较基因产物更加频繁，启动子甲基化的诊断价值高于其对应遗传产物的作用，此外目前还可以同时分析几个甲基化位点，同时由于启动子甲基化发生在基因的一个明确区域内，表观遗传学研究将会更加有效和经济［6］。胃癌的总体生存率较低。用于病变部位的早期检测和/或用于监测局部复发的可靠生物标志物在增加胃癌患者生存率方面有较大作用。肿瘤的表观遗传改变也可用于预测胃癌的肿瘤行为或预后。在癌症发展中通过表观遗传机制沉默相关基因的最新研究进展与表观遗传药物的设计和开发密切相关。这些化合物主要通过三个不同的过程：DNA胞嘧啶甲基化，组蛋白修饰和核小体重塑。两种主要的药物是DNA甲基化抑制剂和HDAC抑制剂。

6 小结

胃癌的发生是一个表观遗传学介导的环境与基因相互作用的多阶段的发展过程。目前已有较多关于表观遗传调控在胃癌进展中发挥作用的研究报道，然而其精确分子机制和临床应用仍不清楚。未来，这些表观遗传修饰变化可作为早期胃癌检测的潜在筛选标志物，也可作为风险判定工具用来评估患者发展为胃癌的概率，同时对于预测胃癌患者的肿瘤行为和预后、监测患者对于治疗药物反应性，表观遗传标记也是理想的候选者。此外，DNA甲基化抑制剂和HDAC抑制剂可作为单一疗法或与其他抗癌药物联合使用治疗胃癌。更重要的是，关于胃癌相关表观遗传学的研究将会为以后开展胃癌个体化基因治疗奠定必要的基础。