组蛋白修饰与癌症之间关系的研究综述

陈伶莉 胡雪峰

(福建师范大学生命科学学院 福州 350108)

表观遗传修饰是指不改变基因的DNA序列而使其表达发生可遗传的表型变化[1]的遗传修饰。表观遗传修饰主要包括四个方面的内容： DNA甲基化、染色质重塑、非编码RNA的调控和组蛋白修饰。以上四个方面的遗传变化均可以通过细胞分裂的方式稳定地遗传给后代。研究表明，组蛋白修饰与甲状腺癌、乳腺癌和胃癌等恶性肿瘤的发生有着密切的关系。本文综述组蛋白修饰与癌症之间关系的研究进展。

1 组蛋白修饰与基因的表达调控

组蛋白在真核生物中与DNA结合形成染色质。共有五种组蛋白，即H1、 H2A、 H2B、 H3及H4。核小体是染色体功能的基本单位，是由146对碱基围绕着四种组蛋白(H2A、 H2B、 H3和H4)的各两个分子组成的一个组蛋白八聚体而形成[2]。核小体中的核心部分呈现均一稳定的状态，而游离在外的组蛋白末端的氨基酸残基可以发生甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化及二磷酸腺苷(ADP)糖基化等共价修饰，这些修饰方式共同构成“组蛋白密码”，其中甲基化和乙酰化是两种较为重要的修饰作用。组蛋白乙酰化是可逆的动态平衡过程，由组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase, HAT)与组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)两种酶共同介导。在HAT的作用下，乙酰辅酶A携带的乙酰基被转移至组蛋白N末端的指定赖氨酸残基上，与残基所带的正电荷相互抵消，DNA构象得以展开，使得核小体的结构松弛，进而促进DNA与促进转录因子和协同转录因子结合，激活特定基因的转录；而HDAC的功能则表现为消除赖氨酸残基上乙酰基的作用，从而使组蛋白恢复正电性，同时增强带负电的DNA与带正电的组蛋白之间的作用力，于是转录调控元件无法接近启动子，基因转录便被抑制。

组蛋白甲基化通常发生在组蛋白中的赖氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)残基的侧链N原子上，如H3的第4、27和36位和H4的第20位Lys以及H3的第2、17、26位和H4的第3位Arg都是甲基化的高发位点。组蛋白甲基化过程由组蛋白甲基化转移酶(histonemethyl transferase, HMT)介导完成。赖氨酸残基存在三种甲基化方式： 单甲基化、双甲基化和三甲基化，而精氨酸的残基只能发生单甲基化和双甲基化。不同类型和程度的氨基酸甲基化使得组蛋白的修饰机制和调节基因表达的机制都变得更为复杂。研究表明，相关基因沉默与激活的程度可能与甲基化的个数相关。

2 组蛋白修饰与癌症的发生

癌症发生是由多种因素介导的多步骤过程，主要影响因素包括： 遗传机制(genetic mechanism)和表观遗传机制(epigenetic mechanism)。组蛋白的修饰作用是其中一种调控基因表达的表观遗传机制。迄今为止，研究得较为深入的是组蛋白的甲基化和乙酰化修饰作用，其与许多癌症的发生存在着紧密的联系。

2.1 组蛋白修饰与甲状腺癌 甲状腺癌是一种发病率较高的甲状腺恶性肿瘤，约占全身恶性肿瘤的1%，大多数甲状腺癌的发生源于滤泡上皮细胞的癌变，组蛋白乙酰化状态的失衡与甲状腺癌的发生有着紧密的联系。Puppin等[3]发现,与正常组织相比，甲状腺癌细胞的组蛋白H3中第9～14以及18位(H3K9-K14和H3K18)赖氨酸的乙酰化水平都偏高，而如果阻断细胞中H3K18的乙酰化，则正常细胞不会发生癌变。这一结果说明，组蛋白乙酰化是甲状腺癌发生过程的早期事件。Moss等[4]发现，具有降低癌细胞浸润与转移能力的异染色质蛋白1β(heterochromatin protein 1β, HP1β)在甲状腺癌晚期中表达水平下降。Xiao等[5]揭示，HDAC抑制剂辛二酰基二羟肟酸(SBA)和丙戊酸(VA)可以通过激活Notch1信号通路使HP1β表达上调，细胞周期蛋白依靠性激酶抑制剂P21表达提高，细胞周期蛋白D1减少，从而抑制甲状腺癌细胞增长。Liao等[6]的研究表明： 抑制赖氨酸甲基转移酶5A(lysinemethyltransferase5A，KMT5A)的生理活性可以诱导乳头状甲状腺癌细胞发生G1/S期抑制，而KMT5A表达水平升高与甲状腺乳头状癌的晚期病理(如甲状腺肿大和淋巴结转移)相关；通过抑制KMT5A的活性可以抑制甲状腺癌细胞中参与脂质代谢的关键分子。可见，KMT5A可能是一种新的甲状腺癌致瘤因子，也是一种甲状腺癌脂质代谢的调节因子。

2.2 组蛋白修饰与乳腺癌 乳腺癌是一种恶性肿瘤，好发于乳腺上皮组织，为女性常见癌症之一。研究表明，乳腺癌的发生机制之一可能是HDAC与相关启动子的结合异常，从而引起调节癌细胞增殖和迁移的抑癌基因的转录抑制。组蛋白去乙酰化酶抑制剂(HDAiC)可以解除乳腺癌细胞中维甲酸受体-β(RARp)的转录抑制，从而恢复RARp抑制细胞癌变的功能。Yan等[7]发现，GSKJ4是一种有前景的治疗乳腺癌的药物，它通过抑制组蛋白去甲基转移酶JMJD3和UTX的活性，保持甲基转移酶EZH2活性不变，使组蛋白H3中第27位赖氨酸三甲基化水平提高，从而导致乳腺癌干细胞(BCSC)扩增和自我更新的能力的下降，实现对BCSC的抑制作用。周伟强等[8]研究了组蛋白乙酰化修饰对瘦素诱导的乳腺癌MDA-MB-231细胞生长产生的影响，发现瘦素诱导乳腺癌MDA-MB-231细胞增殖过程中，在HDAC的作用下核心组蛋白发生去乙酰化，乳腺癌细胞启动子的表达受到抑制，促使细胞分裂从G1变为S期。八聚物结合转录因子4(OCT4)能够帮助胚胎干细胞实现自我更新和重新编程体细胞以维持多能性。OCT4打乱细胞预定的分化计划，有利于癌细胞进化成更具有侵略性的癌症干细胞，在肿瘤的转化中有重要意义。例如，研究发现，组蛋白H3中第4位赖氨酸三甲基化和第9位赖氨酸甲基化及第10位丝氨酸磷酸化在启动子区域富集，使OCT4在乳腺癌细胞系中过度表达，会导致癌细胞增殖和转移能力的提高，以及诱导凋亡率急剧下降。以上结果表明组蛋白修饰是诱发OCT4过度表达和乳腺癌发生的决定性因素[9]。

2.3 组蛋白修饰与胃癌 胃癌是世界上第四种常见的恶性肿瘤，也是全球癌症死亡的第二大原因，其病死率极高。据统计，我国2015年死于胃癌的患者高达49.8万。Fehri等[10]发现，幽门螺杆菌可以降低组蛋白H3中丝氨酸10(H3S10)磷酸化水平，导致细胞周期发生改变，诱发胃癌。Mitani等[11]分析了29例的胃癌组织样本，结果表明胃癌细胞中组蛋白H3乙酰化水平提高可以诱导抑癌基因p21(WAF1/CIP1)的转录和翻译。相反，若乙酰化水平降低，则该抑癌基因的表达受到抑制。与此相似，Chen等[12]的研究也发现组蛋白去乙酰化可以抑制抑癌基因RhoE的表达。此外，Mutze等[13]进一步分析了127例的胃癌组织标本，发现在胃癌细胞中，两种组蛋白去乙酰化酶HDAC1和HDAC2均有着较高水平的表达，均可抑制抑癌基因的表达。

2.4 组蛋白的修饰与肝癌 肝癌是全球癌症死亡的主要原因之一，分为原发性肝癌和继发性肝癌两种。前者在中国的发病率高，危害巨大。该病情进展迅猛，早期难以准确诊断。研究表明，组蛋白低乙酰化和甲基化均与肝癌的发生密切相关。Wei等[14]发现组蛋白甲基转移酶G9a(又名全色组蛋白-赖氨酸N-甲基转移酶2,EHMT2)的表达在人类肝癌中经常上调，其与肝癌进展和侵袭性临床病理特征显著相关。G9a作用于视黄酸受体应答因子3(RARRES3)，促使其表达沉默，促进了肝癌的发生。Wang等[15]发现，肝癌细胞中组蛋白H3呈现低乙酰化状态，并且肝癌转移细胞中H3乙酰化的水平下调更加明显。An等[16]发现脱甲基酶(JMJD2A)在体外和体内均能加速肝癌细胞的恶性进展，其作用机制如下： JMJD2A促进基因pre-miR372的表达，miR372阻止相关内含子的切除并形成JMJD2A的新转录物。此外，JMJD2A还能通过降低组蛋白H3中第27位赖氨酸三甲基化活性来抑制基因p21(WAF1/CIP1)的表达。因此，JMJD2A可以通过抑制该抑癌基因来增强丝氨酸/苏氨酸激酶Pim1的转录，增加Pim1的表达，促进视网膜母细胞瘤抑制蛋白pRB、细胞周期蛋白依赖性激酶2(CDK2)和细胞周期蛋白E(CyclinE)之间的相互作用，从而促进细胞骨髓细胞瘤病癌基因(C-myc)的转录和翻译，导致癌症的发生。这一结果表明，JMJD2A或可以用作肝癌的新型治疗靶标。

2.5 组蛋白修饰与卵巢癌 卵巢癌是一种致命的妇科恶性肿瘤，死亡率在各类妇科肿瘤中排名第一，严重威胁女性的健康。研究发现，赖氨酸特异性去甲基化酶1(LSD1)与上皮细胞钙粘蛋白E-cadherin启动子和该区域的去甲基化组蛋白H3中第四位赖氨酸相互作用，下调E-cadherin的表达，从而增强卵巢癌细胞迁移。与上述发现相似，Chung等[17]的研究表明，转录因子GRHL2(grainyheadas 2)的缺失增加了E-cadherin基因的启动子与GRHL2结合位点的组蛋白三甲基化水平，有利于维持正常的上皮细胞表型，阻止其分化为卵巢癌细胞。Kuang等[18]对比分析了正常、良性、交界性和恶性卵巢组织样品中赖氨酸特异性去甲基化酶2B(KDM2B)和组蛋白甲基转移酶(EZH2)增强子的mRNA和蛋白质水平，发现KDM2B在卵巢肿瘤中的表达逐渐增加，且与卵巢组织中EZH2表达呈正相关。该结果表明，KDM2B在卵巢癌的肿瘤发生中起着重要的作用，其可能的机制是增加致癌基因的表达，促进卵巢癌细胞的增殖和迁移。另有研究对组蛋白H1的一种变体H1.3在卵巢癌细胞中的影响进行了观察，结果发现H1.3可能为非编码癌基因H19的特异性阻遏物。H1.3过度表达导致H19在包含印迹控制区域的H19调节子区域占据增加，显著抑制H19表达，这有助于抑制上皮性卵巢癌发生。

2.6 组蛋白修饰与结直肠癌 结肠和直肠癌(CRC)是常见的消化系统恶性肿瘤之一，病程早期无明显性状表现，晚期会表现出贫血、体重减轻等不良症状，其发病率和病死率都比较高。Mitani等对人结肠癌细细胞系和人直肠癌细胞系进行研究，发现这些癌细胞中组蛋白乙酰化水平相比正常细胞上调明显，p21(WAF1/CIP1)等抑癌基因的表达受到抑制，细胞周期停滞于G1期。Chen K[19]等研究了一大批结直肠癌(CRC)样本和细胞系中新型组蛋白甲基转移酶SETDB1的表达。研究结果表明，SETDB1在多数CRC组织和细胞系中高度表达；此外，SETDB1表达的上调促进了CRC细胞在体外和体内的增殖和迁移，CRC患者的生存率呈负相关。CRC的其他研究表明，组蛋白修饰如H3K56ac、 H3k9me2和H3K27me3有可能成为CRC的预后指标。与此相似，H3K9me3和H4K20me3的表达水平下调可作为CRC早期诊断的生物标志物。

2.7 组蛋白修饰与肺癌 肺癌是近些年来发病率和死亡率增长最快的恶性肿瘤，对人们的健康造成了严重的威胁。对肺癌细胞的临床分析表明： 组蛋白H3第9位(H3K9)赖氨酸残基的乙酰化或三甲基化和H4第16位(H3K16)赖氨酸残基乙酰化与肺癌的复发密切相关。在肺癌的早期进程中可以观察到： ①组蛋白H4第5以及8位(H4K5和H4K8)赖氨酸的乙酰化和H4第12以及16位(H4K12和H4K16)的赖氨酸的去乙酰化；低表达水平的H4第20位(H4K20)赖氨酸的三甲基化，且随着病程进一步发展，H4K20me3的表达量持续下降；②组蛋白甲基转移酶G9a通过抑制细胞黏附分子Ep-CAM的活性，促进肺癌的侵袭和转移；③G9a在侵袭性肺癌细胞中的表达上调，其升高的表达与预后不良有关，而通过一定的调节方式使得G9a的表达下调，可以抑制体外肺癌细胞迁移和侵袭以及在体内的转移。

3 总结与展望

组蛋白修饰是表观遗传学研究的一大重要领域，其表达异常与功能受损和各种癌症的发生和发展密不可分。组蛋白修饰的深入研究不仅有利于癌症发生机制的阐明，并且对于不同癌症的前期诊断及预后治疗也有积极意义。往往多个抑癌基因同时发生变异才会导致癌症的发生，因此若想有效抑制癌症的发生，仅仅针对某个基因的治疗是不够的。下一步药物开发新的靶点可能就在于提高生物基因组的稳定性，而联合使用表观基因药物和基因药物将成为癌症治疗的新方法。