结直肠癌表观遗传学及泛素化修饰的相关进展

杨 妍，刘璠娜，2*，汤冬娥 （.暨南大学附属第一医院全科医学科，广东广州 5062；2.暨南大学附属第一医院全科医学科肾内科，广东广州 5062；.暨南大学第二临床医院院（深圳市人民医院）临床医学研究中心，广东深圳 58020）

2020 年世界肿瘤死亡率统计数据显示，结直肠癌（CRC）的总发病率与死亡率在世界常见癌症中分别位居第3 和第2 位[1]。在我国，85%以上的CRC 发现时已属晚期，即使通过以手术为主联合化疗、放疗等综合治疗，患者5 年生存率仍不超过40%，而早期CRC治疗后5 年生存率可超过95%，甚至完全治愈。CRC的发生、发展与基因异常表达相关。而表观遗传学可以从生物标志物层面探究CRC 组织的许多生物学过程。在鉴定得到的泛素化修饰的蛋白中，已发现许多与CRC 密切相关的蛋白。这些蛋白参与多种基本的生物学过程和分子功能，在细胞内的各个亚细胞器及胞外基质成分中均有分布。本文探讨了表观遗传学及泛素化修饰在CRC 形成和发展中的作用，以期为CRC 的诊治提供新的思路。

1 表观遗传学与肿瘤

表观遗传学是生物学中一个相对较新的领域，指的是在细胞分裂过程中不改变DNA 序列而调控可遗传的基因表达改变[2]。表观遗传学调控基因表达的方式复杂多样，如DNA 的甲基化、非编码RNA、组蛋白修饰和染色质重建等。通过研究胃癌、肺癌、乳腺癌和CRC 等多种肿瘤疾病的机制发现，肿瘤中DNA 甲基化水平发生明显改变。血浆中少量游离的甲基化DNA不但可以用来早期检测癌症，而且还能揭示患者预后和生存信息[3]。非编码RNA 可以通过参与不同生物过程的各种分子靶标结合控制 mRNA 的翻译和降解，导致其在肿瘤中表达异常。有研究报道miR-21 在结肠直肠癌、胃癌、前列腺癌、卵巢癌和胰腺癌中表达上调，miR-155 在乳腺癌中表达上调[4]。组蛋白的甲基化和乙酰化修饰作用已被多数研究报道，如甲状腺癌与组蛋白乙酰化状态的失衡相关[5]、肝癌细胞中组蛋白H3乙酰化表达水平下调[6]。遗传和表观遗传共同作用在CRC 的形成和发展过程中也发挥着重要作用，为CRC的诊断、治疗及预后提供新的靶点。

2 CRC 与表观遗传学

2.1 DNA 甲基化

DNA 甲基化是调节基因表达最普遍的表观遗传修饰之一，通过DNA 甲基转移酶介导，向DNA 分子添加甲基基团而发生。异常甲基化是CRC 中常见的表观遗传改变，其中在重复的DNA 序列中可观察到低甲基化，而高甲基化主要影响基因启动子区的CGI。Dimberg 等[7]证实，IL-8 低甲基化表达的CRC 患者在癌组织中显示出更高水平的IL-8 蛋白，这种过表达与侵袭和转移有关。LINE-1 是调控CRC 低甲基化的主要元件，LINE-1 在CRC 常处于去甲基化状态，导致其表达升高，这与患者的生存率相关[8]。CRC 的发育涉及3 种主要的致病途径，即：微卫星不稳定性（MSI）、染色体不稳定性（CIN）及CGI 甲基化表型（CIMP）[9]。最近的研究已经确定CIMP 是促进CRC 发展的重要过程。细胞周期相关蛋白（CDKN2A）启动子区域的超甲基化已经在CRC 的大多数CIMP 中报道。Shi 等[10]发现敲低CDKN2A 表达抑制了HT-29 细胞增殖，促进了细胞凋亡和细胞周期进程，并影响了CRC 的上皮间质转化过程（EMT）。O6-甲基鸟嘌呤-DNA 甲基转移酶（MGMT）是一种DNA 修复蛋白，其通过启动子高甲基化的下调使基因易发生 p53 突变[11]。一项荟萃分析显示MGMT 启动子高甲基化的频率在 CRC 中比在腺瘤中升高更显著[12]。

越来越多研究证实DNA 甲基化标志物用于早期筛查CRC 具有明显特异性。Jin 等[13]在多靶点粪便DNA 甲基化检测中，以SNCA、SPG20 和Septin9 等作为分子靶点，发现随着阳性甲基化标志物数量的增加，诊断CRC 的特异性逐渐增强。APC、SEPT9、VIM、WIF1 等大量高甲基化基因在CRC 患者粪便中检出率较高[14-16]。其中，SEPT9 甲基化检测用于CRC 筛查已于2016 年获得美国食品和药物管理局批准[17]。基于血液的甲基化标记物如FBN1、SPG20、ITF2、RUNX3、SNCA 和MLH1 等也证实可用于检测CRC，它们具有良好的诊断性能[18]。

因此，DNA 甲基化的标志物对肿瘤早期预测具有重要意义，粪便和血液（血清或血浆）检测相较于以往的筛查方式具有更小的侵入性。

2.2 非编码RNA

MicroRNA（miRNA）又称内源性短非编码单链RNA，长度约为22～24 个核苷酸[19]，在许多代谢疾病、心血管疾病、癌症中发挥重要作用[20-21]。研究发现，一些表达改变的miRNA 已成为CRC 患者诊断、分期和监测治疗的有效标志物。Zhang 等[22]研究发现，28例CRC 患者（III/IV 期）血浆样本中miR-31 高表达可能是诊断CRC 淋巴结转移（LNM）的生物标志物。通过研究44 例CRC 患者与健康对照组的血清外泌体miRNA，科研人员证实miR-19b、miR-21、miR-222、miR-92a 可作为CRC 患者转移性疾病初始评估的生物标志物，其中miR-21 和miR-19b 比传统的生物标志物CEA 具有更高的敏感性和特异性[23]。此外，miR-1、miR-155、miR-21、miR-92a 等基因的表达水平也被报道与CRC 的发生、发展显著相关[24-26]。

lncRNA 是长度超过200 个核苷酸的非编码RNA，通过包括转录和翻译在内的多种机制激活或抑制特定基因，在肿瘤组织和细胞系中异常表达。lncRNA AB073614 可以激活JAK/STAT3 信号通路，诱导CRC细胞中的EMT 过程[27]。lncRNA TUG1 作为肿瘤启动子，通过miR-542-3p/TRIB2 轴抑制Wnt/β-catenin 通路抑制CRC 的进展，为CRC 的治疗提供了新的靶点[28]。此外，lnc RNA 还可通过影响其他肿瘤相关的信号通路，如PI3K/AKT、EGFR 和TP53 等，影响CRC 的发生、发展[28-30]。lncRNA 的表达水平可作为肿瘤预后指标，与预后不良程度呈正相关。Shen 等[31]研究发现，与治疗前和复发患者相比，lncRNA DANCR 在CRC 组织和血清中的水平显著升高，而在术后患者中表达降低。lncRNA DANCR 的分化表达增加表明CRC 患者的生存时间缩短。

非编码RNA 在外周血中稳定存在，是具有较高灵敏度和特异度的新型生物标志物，在CRC 患者的早期诊断、疗效评价和预后评估中发挥重要作用[32]。

2.3 组蛋白修饰

组蛋白是一种由核心蛋白H2A、H2B、H3 和H4拷贝组成的蛋白质八聚体，每个组蛋白的核心蛋白都有一条富含赖氨酸和精氨酸残基的特征性尾巴，这些残基受到翻译后修饰的影响调节基因表达。翻译后修饰作为调节蛋白质生物学功能的一个重要环节，在细胞的生长、分化、代谢等生命过程发挥重要作用[33]。目前已知的哺乳动物表达的所有蛋白质中，大部分蛋白质在特定的时间和亚细胞空间发生不同的翻译后修饰。已发现的被修饰的氨基酸残基有赖氨酸、丝氨酸、苏氨酸、精氨酸和酪氨酸等，而甲基化、泛素化、磷酸化、乙酰化、糖基化和丙酰化等都是常见的组蛋白修饰方式[34]。m6A 修饰是真核生物mRNA 中最为普遍的组蛋白甲基化修饰，METTL14 介导的m6A 修饰靶向SOX4，影响EMT 过程和PI3K/Akt 信号通路，抑制CRC进展[35]。METTL3 通过靶向m6A-BHLHE41-CXCL1/CXCR2 轴抑制抗肿瘤免疫，METTL3 抑制加抗 PD1治疗显示出对 CRC 良好的抗肿瘤功效[36]。组蛋白H3K27 乙酰化激活TRIM11 的表达进而促进结肠癌细胞增殖[37]。CDK2 抑制靶向蛋白Rb 磷酸化，调控CRC细胞增殖和凋亡[38]。

3 CRC 的泛素化修饰

泛素分子通过泛素激活酶E1、泛素偶联酶E2 和泛素连接酶E3 依次与靶蛋白共价结合，介导靶蛋白降解，这种蛋白质翻译后修饰过程即泛素化修饰[39]。泛素化修饰分布广泛，富有诱导性和调控作用，包含基因转录、能量代谢和信号传导等方面，在多种类型的肿瘤中都发现泛素化修饰介导肿瘤组织发生异常的表达和突变现象。

泛素化修饰通过调控底物表达参与CRC 转移相关信号通路，进而影响CRC 转移进程。如APC 是调控CRC 发生和发展的重要基因，参与Wnt/β-Catenin 通路中akt-trcp 介导的catenin 降解泛素化的过程[40]。泛素化修饰的膜联蛋白A2 在CRC 中过度表达常会加速肿瘤细胞的浸润与迁徙[41]。泛素羧基末端水解酶 L1 是泛素化修饰的关键酶之一，在伴有淋巴结转移的CRC组织中明显上调，影响肿瘤细胞的迁移过程。Zhang等[42]发现了人转移性CRC 与原发性结肠腺癌相比具有独特的泛素化，并揭示细胞周期蛋白依赖性激酶1（CDK1）泛素化下调在癌变中的重要作用。

基于已有的研究进展，我们可以靶向泛素途径的相关成分，包括E3 泛素连接酶、脱泛素酶和蛋白酶体，使用小分子抑制剂进行CRC 治疗[43]。E3 泛素连接酶识别底物的特异性最强，被认为是癌症的潜在诊断和治疗靶点[44]。Hsc70 相互作用蛋白的羧基末端（CHIP）作为一种E3 泛素连接酶，可作用于体内或体外，具有降解更多癌蛋白的泛素连接酶活性。半乳糖凝集素1（Gal-1）作为一种细胞自分泌蛋白，能促进CRC 细胞的增殖、迁移和侵袭[45]，而CHIP 可通过泛素化靶向调节Gal-1 从而抑制CRC 细胞的增殖和转移[46]。膜相关鸟苷酸激酶3（MAGI3）是一种新型的 E3 泛素连接酶，能够识别c-Myc，并促进c-Myc 泛素化和降解。MAGI3通过抑制体外和体内c-Myc 的活化来抑制CRC 细胞生长，促进细胞凋亡，提高对氟嘧啶基化疗的化学敏感性。Wang 等[47]在临床研究中发现MAGI3 高表达的II/III 期CRC 患者生存率较高，并且不需要进一步的辅助化疗。HERC3 属于HERC E3 家族，HERC3 的蛋白表达在CRC 肿瘤组织中下调[48]。核糖体蛋白L23A（RPL23A）被认为是HERC3 的一个潜在靶标，在CRC中过表达。在机理上，HERC3 可以通过泛素化蛋白酶体依赖性途径直接结合和降解RPL23A，并进一步调节CRC 细胞增殖和细胞周期[49]。

4 小结与展望

CRC 从癌前病变进展到癌一般需要5～10 年的时间，为疾病的早期诊断和临床干预提供了重要时间窗口。CRC 的表观遗传改变发生在早期，并且比基因改变表现得更频繁。因此，表观遗传学相关机制的研究为CRC 的早期诊断及治疗提供了新的研究方向。泛素化修饰的功能涉及CRC 组织中的许多生物学过程，与代谢调控之间存在密切联系，进一步揭示了CRC 发生、发展的具体机制，为发现新的生物标志物提供理论基础。