甲基化与肿瘤

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,甲基化与肿瘤,内容提纲,DNA,甲基化及其与肿瘤的关系,组蛋白甲基化及其与肿瘤的关系,DNA,甲基化,概念：,DNA,甲基化（,DNA methylation),是指在,DNA,甲基转移酶（,DNMTs,）的作用下，将一个甲基添加在,DNA,分子中的碱基上，最常见的是加在胞嘧啶上，由此形成,5-,甲基胞嘧啶（,5mC,）。,1,、,DNA,甲基化位点：,CpG,岛或富含,CpG,岛的区域,2,、,CpG,岛特征：,A,、,CpG,岛主要位于基因的启动子区，部分位于基因的第一个外显子区；,B,、,CpG,岛甲基化可以直接导致相关基因的表观遗传学沉默。,DNA,甲基化,3,、,DNA,甲基化的,生物学意义,DNA,甲基化直接制约基因的活化状态。在进化和生命体活动中，,DNA,甲基化的生物学意义在于,基因表达的时空调控，以及保护基因组的稳定性,。例如，基因在不同时期特异表达，有些基因在发育早期甲基化，发育晚期被诱导去甲基化；管家基因低甲基化；印记基因高甲基化等。,4,、,DNA,甲基化,抑制,基因转录的机制：,(1),干扰转录因子对,DNA,元件的识别和结合,(,2,),序列特异性的甲基化,DNA,结合蛋白与启动子区甲基化,CpG,岛结合，募集组蛋白去乙酰化酶,(HDAC),，形成转录抑制复合物，阻止转录因子与启动子区靶序列的结合，从而影响基因的转录。,Gene expression is affected by nearby DNA sequences called promoters, which often include CpG islands. When MeCP2 binds to the CpG island in a promoter (bottom), associated proteins act to prevent expression of the gene.,（,3,）,DNA,甲基化通过改变染色质结构，抑制基因表达。染色质构型的变化伴随着组蛋白的乙酰化和去乙酰化，以调控基因转录的“开”和“关”。,DNA,甲基化与肿瘤,相关基因的低甲基化,抑癌基因的过甲基化,肿瘤中重复序列,DNA,的低甲基化,肿瘤中单拷贝基因的低甲基化,人类基因组中与癌症相关的,低甲基化,：,肿瘤中,重复序列,DNA,的低甲基化,长散在核苷元件（,LINE,）和,Alu,等重复序列及某些内源性逆转录病毒元件在多种肿瘤中存在低甲基化现象。,LINE-1,是人类基因组中最活跃、最丰富的可移动,DNA,或转座子序列。这些可移动,DNA,的低甲基化可以引起癌基因转录激活且发生于许多肿瘤中。此外，可移动,DNA,的低甲基化也能破坏邻近基因的正常表达。例如，,LINE-1,的突变性插入破坏了大肠癌和乳腺癌中抑癌基因,APC,和,C-MYC,的表达，导致肿瘤的发生。,肿瘤中,单拷贝基因,的低甲基化,人类肿瘤中发现了一些与肿瘤或增殖有关的基因的甲基化。原癌基因,HOX11,在一些,T,细胞型淋巴母细胞白血病中和肿瘤抗原基因,MN/CA49,在一些肾癌细胞癌中，都已发现有低甲基化现象。在结肠癌、直肠癌中癌基因,C-MYC Hapa2,位点也观察到低甲基化。另外，一些肿瘤标志基因如编码肿瘤特异性的,MAGE,、,LAGE,和,GAGE,的成员及一些印记基因如,IGF2,、,H19,等在某些肿瘤中也程现低甲基化状态。,总之，两个主要的机制均暗示,DNA,低甲基化可能导致癌症。,第一，它可能改变单基因表达，例如癌基因的过量表达，对癌症直接发挥作用，或者，它可以打断肿瘤抑制基因，破坏体内的抗肿瘤机制。,第二，,DNA,低甲基化可能导致染色体不稳定，增加肿瘤易感性。,人类癌症中具有,高甲基化,CpG,岛的基因,基因,功能,定位,肿瘤类型,结论,p16,INK4a,周期依赖激酶抑制剂,9p21,多种肿瘤,细胞周期入口,P14,ARF,MDM2,抑制剂,9p21,结肠癌、胃癌、肾癌,p53,下游基因,P15,LNK4b,周期依赖激酶抑制剂,9p21,白血病,细胞周期入口,hMLH1,DNA,错配修复,3p21.3,结肠癌、子宫内膜癌、胃癌,移码突变,BRCA1,DNA,修复、转录,17q21,乳腺癌、卵巢癌,双链打断,抑癌基因,过甲基化,与肿瘤有关,1.,细胞周期,网络,3.,激素应答,4.,细胞因子信号,抑癌基因,过甲基化,与肿瘤发生的机制,细胞周期,在许多人类的主要肿瘤和细胞系中，细胞循环抑制物,p16,INK4a,均被过甲基化，使癌细胞易脱离衰老并增殖。同样，,RB,基因和细胞循环抑制物,p15,INK4b,也经常遭遇到异常高甲基化。,p53,网络,人类癌症中，,p53,是突变频率最高的肿瘤抑制基因；但是，一般的人类原发肿瘤是,p53,的野生型。另一个使,p53,失活的方式是通过甲基化调节使肿瘤抑制基因,p14,ARF,沉默，这条途径可使,MDM2,癌基因蛋白脱离,P14,ARF,抑制，自由引发,p53,退化。在白血病中，,p53,的同源基因,p73,也被过甲基化。,激素应答,雌激素、孕酮、雄激素和泌乳刺激素受体异常甲基化发生在乳腺和子宫肿瘤中，可能导致这些癌细胞不对此类激素发生应答。表现出视黄酸受体,2,和细胞视黄醇结合蛋白,的启动子过甲基化的肿瘤可能废止类维生素,A,的分化作用。,细胞因子信号,几条细胞因子通路负调控中的发现均暗示细胞因子信号抑制剂（,SOCS,）家族蛋白的存在，特别是转录活性转录体,Jak/STAT,通路的受体相关酪氨酸,/,信号变化器和激活剂。在人类癌症中，,SOCS-1,和,SOCS-3,经历了甲基化相关的沉默。,总之，与低甲基化相比，高甲基化是一个较简单的现象，经常出现在特殊基因的调控,/,启动区域，随癌症种类的不同而不同。很清楚，和低甲基化一样，很多与人类癌症相关的基因中存在高甲基化现象，而这种基因的数目还在成倍增加。,组蛋白甲基化,1.,概念：,指发生在,H3,和,H4,组蛋白,N,端精氨酸和赖氨酸残基上的甲基化，由组蛋白甲基转移酶介导催化。,2.,分类：,24,个组蛋白甲基化位点，其中,17,个位于赖氨酸，,7,个位于精氨酸。,组蛋白甲基化,3.,相关酶,：,蛋白质精氨酸甲基转移酶 精氨酸,SET,家族 赖氨酸,组蛋白甲基转移酶,（,HMTs,）,组蛋白去甲基化酶,LSD1,JmjC,家族蛋白,PADI4,（赖氨酸特异性去甲基化酶,1,）,（精氨酸肽基脱亚胺酶）,组蛋白甲基化,组蛋白甲基转移酶特点,A,：组蛋白赖氨酸的甲基化是可逆的,B,：分两个家族，即组蛋白赖氨酸甲基转移酶和组蛋白精氨酸甲基转移酶,C,：组蛋白甲基化标记对基因表达调控的作用可以完全相反，有时促进基因表达，有时却抑制基因表达，调控作用取决于甲基化的位点和甲基化的程度,D,：修饰的复杂性，即某一特定残疾可以结合不同数目的残基，赖氨酸残基能够单、双、三甲基化，精氨酸残疾能够单、双甲基化，极大地增加了组蛋白甲基化修饰调控的复杂性,组蛋白甲基化功能,组蛋白甲基化与异染色质形成,组蛋白甲基化与基因印记,组蛋白甲基化与,X,染色体失活,组蛋白甲基化与异染色质形成,SUV39H1,和,SUV39H2,甲基转移酶对异染色质的形成具有重要作用。将两个基因突变后，,H3K9,的甲基化会减少一半，这样出生的小鼠有丝分裂中染色体的分离有缺陷。在裂殖酵母中,H3K9,位点的甲基化可以将常染色质和异染色质在特定区域分开。在形成异染色质的过程中，,Su,（,var,）,3-9,通过与异染色质蛋白,1,（,HP1,）相互作用来控制蛋白质的定位。,组蛋白甲基化与基因印记,基因印记是指一对等位基因中，一条来自父方，一条来自母方，其中任何一方基因表达处于抑制状态，就被称为基因印记。组蛋白甲基转移酶在基因印记中发挥重要作用，缺少组蛋白甲基转移酶会导致基因印记丢失。最近，有两项在大鼠,7,号染色体中的研究都发现组蛋白甲基化可能是除了,DNA,甲基化以外维持基因印记的另一种重要途径。,组蛋白甲基化与X染色体失活,雌性哺乳动物的剂量补偿是由,X,染色体失活和,Xist,非编码,RNA,决定的。在胚胎干细胞分化过程中，,Xist,表达和,H3K27me3,、,H4K20me1,、,DAN,甲基化有关。胚胎组织随机,X,染色体失活是由,DNA,甲基化控制的，而胚外组织对于已经印记的,X,染色体失活的维持是依赖,Eed,的功能和,Xist,的表达，与,DAN,甲基化无关。由此可见，,X,染色体失活和基因印记可能由同样的机制引起，这些机制中就包括组蛋白甲基化。,组蛋白甲基化与肿瘤,组蛋白的甲基化状态与基因表达有关， 因此肿瘤细胞也存在组蛋白甲基化的异常，如下表。,组蛋白甲基化与肿瘤,RIZ1,（,PRDM2,）具有,H3K9,位甲基转移酶活性，研究发现在某些肿瘤，如乳腺癌、肝癌、结肠癌、神经母细胞瘤中，该基因发生基因突变而失去活性，而其失活有引起,G2-M,期的细胞周期延长，凋亡抑制，因此推测,H3K9,位组蛋白甲基转移酶可能具有肿瘤抑制功能，它的功能缺失可能参与癌症的发生过程。,组蛋白甲基化与肿瘤,Suv39h1/2,剔除的鼠基因不稳定，染色体错误分离，导致,B,细胞淋巴瘤。人的,Suv39h1/2,与视网膜胶质瘤蛋白,RB,共同调节周期蛋白,E,（,cycline E,）的基因表达，,Suv39h1/2,的功能下调可能导致增殖失控而发生癌变，如霍奇金淋巴瘤。另外，,H4R3,位甲基化影响白血病细胞的分化。,MLL1,甲基转移酶突变与多种类型白血病有关。结肠癌和肝癌细胞中,SMYD3,甲基转移酶过表达，前列腺癌、淋巴瘤、乳腺癌中,EZH2,甲基转移酶高表达，这些研究说明组蛋白甲基转移酶异常可能从参与实体肿瘤的发生。,肿瘤表观遗传学的临床意义,一、,CpG,岛高甲基化用于肿瘤的诊断,近年来的广泛定位确定了越来越多的癌症中异常过甲基化的基因,CpG,岛，包含了多数人类癌症的形成。这些,DNA,甲基化图使人们发现定义不同癌症发生的甲基化,CpG,岛的独特外形，从而可能制作一个全面的人类每种癌症的“甲基型”或“,DNA,甲基化签名”。例如，直结肠癌中,p16,INK4a,、,p14,ARF,、,APC,和,MGMT,存在过甲基化，而非典型子宫内膜增生中,hMLH1,异常甲基化。所以，异常,CpG,岛甲基化的存在可用于早期筛查，在家族癌症发生高危人群中,尤其有用，因为它们有和散发病例相似的,CpG,岛过甲基化。,二、,CpG,岛高甲基化用于预测肿瘤疗效,MGMT,蛋白（,O-6-,甲基鸟嘌呤,DNA,甲基转移酶）在,DNA,鸟嘌呤额外烷基化中直接起作用。该碱基是,DNA,中几个烷基化化疗药物的首选靶点，如,BCNU,（卡氮芥）、丙卡巴肼、替莫唑胺。所以，因过甲基化而失去,MGMT,的肿瘤可能对这些烷化剂更敏感，因为在癌细胞中，它们的,DNA,损害不可能被修复，从而导致细胞死亡。这个假说确实被证实了，而且,MGMT,启动子甲基化有效地预测了化疗药物卡莫司汀的良好疗效，更高的整体存活率和神经胶质瘤患者病情的缓慢发展。,三、抗癌剂的筛选,5-,氮,-2-,脱氧核苷（,5-aza-CdR,，地西他滨）是一个可以介入,DNA,的核苷酸类似物，从而产生,DNA,甲基转移酶的不可逆失活。在白血病、,MDS,、非小细胞肺癌患对不同剂量的,5-aza-CdR,表现出抗癌活性。,Thank you for your listening,