姜爭 王錫山

·綜述·

遺傳印記在人類惡性腫瘤中的研究進展

姜爭 王錫山

自1984年McGrath和Surani通過核移植實驗首先揭示親代基因組對子代的不等貢獻以來，遺傳印記作為一種對孟德爾定律的發(fā)展與擴充，這種新的遺傳現(xiàn)象正受到越來越多的關注。遺傳印記與胚胎發(fā)育、細胞增殖和細胞分化有著密不可分的關系。印記調(diào)控一旦發(fā)生紊亂，將影響個體的發(fā)育，導致遺傳性疾病甚至惡性腫瘤的發(fā)生。對遺傳印記的研究有利于全面地闡明癌變的機制，并可能開發(fā)出新的腫瘤防治措施[1]。本文就人類惡性腫瘤中遺傳印記的研究進展做一簡要綜述。

一、遺傳印記

1.遺傳印記的建立與維持及生物學意義：遺傳印記是特指來源于親本的等位基因進行不對稱“后成修飾”而導致的單等位基因表達的現(xiàn)象。該修飾作用是在胚胎發(fā)育早期形成的，具有不引起DNA序列變化，但影響基因調(diào)控以及造成2個等位基因不同表達的特性。在生物進化中形成有規(guī)律而又受控的基因失活是機體內(nèi)基因表達調(diào)控的一種重要方式。其基本機制是通過DNA甲基化作用進而調(diào)控親源特異的基因表達。

胚胎發(fā)育過程中，甲基化處于動態(tài)變化，精卵細胞形成時處于完全甲基化狀態(tài)，受精過程中，雙親基因組發(fā)生去甲基化作用，隨后根據(jù)性別進行差異甲基化，建立印記。印記修飾在體細胞分裂和分化過程中可以穩(wěn)定遺傳，但是在生殖細胞中將發(fā)生印記去除且重新建立的現(xiàn)象。因此，由印記決定的表型，在遺傳上不具有穩(wěn)定性[2]。

印記發(fā)生在等位基因之間，除甲基化修飾外，還包括組蛋白的乙?；揎椧约叭旧w重構。其在胎兒的細胞分裂、胎盤生長和行為發(fā)育過程中至關重要。母源印記的基因通常是促進胎兒和胎盤生長，而父源印記的基因則往往表現(xiàn)為抑制生長。印記基因的表達狀態(tài)有三種，即開、關和單等位表達，在不同時間、不同階段、不同組織或細胞中表達，因此對細胞的生長分化或個體發(fā)育均具有非常重要的生物學意義。

2.印記基因的特點及其意義：組織特異性：印記基因在正常組織中雙等位表達，而在某些特定組織中卻被印記。例如，人類MAS1基因在乳腺組織中特異性印記，其余組織中雙等位表達；人類KVLQT1基因在心臟中無印記，其余組織中母源表達；小鼠胚胎中Igf2和Mash2開始為雙等位基因表達，但在胚胎形成的后期則表現(xiàn)為母源等位基因表達。上述發(fā)現(xiàn)表明細胞分化過程中印記調(diào)控可能與一些奢侈基因(luxury gene)的表達有關。

群集性：印記基因在基因組中的分布并不是分散的，而是具有群集傾向。人類最大的印記群集區(qū)位于11p15.5，H19、IGF2和P57KIP2等，廣泛印記的基因正位于這些區(qū)域；另一個研究較多的群集區(qū)位于15q11-q13，該區(qū)與Prader-Willi綜合征(PWS)和強直性脊柱炎(AS)兩種人類遺傳疾病有關；第三個群集區(qū)就是X染色體由于劑量補償效應(dosage compensation effect)導致的印記失活。所有的印記基因都有一個或多個印記中心(imprinting center,IC)，即差異甲基化區(qū)(differentially methylated region,DMR)[3]。該區(qū)域富含CpG島，在印記調(diào)控中起核心作用，在印記的去除、重建和維持過程中發(fā)揮關鍵作用。

可逆性：印記是可逆的，例如有些基因在特異的組織中可以取消或繞出印記，外源去甲基化試劑處理也可以消除印記，正是由于印記的可逆性才使得腫瘤的表觀遺傳學治療成為可能。

二、遺傳印記與惡性腫瘤的關系

腫瘤的形成是多因素、多步驟的過程，其發(fā)生具有復雜性和異質(zhì)性。有關腫瘤的研究，過去主要著眼于闡明基因突變、缺失、染色體重排等病理改變的發(fā)生機制，但是腫瘤的發(fā)生并非均可用癌基因突變學說來加以解釋。實際上，表觀遺傳現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)將是腫瘤發(fā)生機制的又一研究方向。

1.印記與腫瘤易感性:人類遺傳性疾病Beckwith-Wiedemann綜合征(BWS)患者常有母源的11p15.5缺失和IGF2基因的甲基化模式改變，該區(qū)域基因的正常印記發(fā)生變化將增加基因組不穩(wěn)定性[4]?；颊邔ε咛ツ[瘤，如Wilms瘤、橫紋肌肉瘤和肝胚細胞瘤等具有易感性；某些印記基因在正常組織中雙等位表達，而在某些特異組織中單等位表達，這將增加腫瘤的易感性，如MAS1和ZAC1基因在乳腺組織和卵巢中特異性印記，增加罹患乳腺癌和卵巢癌的風險[5]，IGF2R在某些組織的父源印記，增加了肝、乳腺、胃和結(jié)腸腫瘤發(fā)生的風險[6-9]；根據(jù)“二次突變理論”，胚胎印跡的基因一旦發(fā)生遺傳或表觀遺傳的異常將增加胚胎瘤的易感性[10]。

2.印記與腫瘤的形成:印記基因可以通過三種途徑參與腫瘤的形成：第一，印記區(qū)的印記丟失(LOI)，可以使原癌基因過度表達，從而促進細胞生長，是人類腫瘤中普遍存在的遺傳改變。如IGF2和H19是在多種組織中廣泛印記的基因，而在子宮、乳腺、前列腺、膽囊、結(jié)腸、肺部和生殖細胞等多種惡性腫瘤中都發(fā)現(xiàn)了LOI現(xiàn)象[11-14]。PEG1/MEST的LOI則與乳腺癌、肺癌和結(jié)腸癌發(fā)病相關[15]。第二，印記的雜合性丟失(LOH)導致的抑癌基因沉默。如抑癌基因LOT1的LOH與乳腺癌和卵巢癌發(fā)生相關，而ARH1的LOH除與乳腺癌、卵巢癌發(fā)生相關外[16]，還與囊泡狀甲狀腺癌的形成緊密相關[17]。IGF2R的LOH與小鼠肝和乳腺腫瘤的形成相關[6-7]，NNAT基因的LOH與兒童急性白血病有關[18]，Kank基因的LOH與腎細胞癌相關[19]。第三，印跡調(diào)控中心，通常指DMR的失活突變可使染色體上多個印記的原癌基因和抑癌基因異常表達。

3.印記與腫瘤的診斷和治療：在生命誕生時已經(jīng)形成的基因組印記可能是重要的癌前事件，而且每種類型的腫瘤都有相關基因的特定甲基化模式，這將可能成為腫瘤早期診斷又一潛在指標。目前主要的表觀遺傳學標記是應用甲基化PCR檢測患者體液(血液、尿液和痰液)中微量DNA是否發(fā)生異常甲基化。

遺傳印記具有可逆性，逆轉(zhuǎn)其改變是腫瘤化學治療的新策略，目前，有些表觀遺傳藥物已進入臨床試驗階段，如DNA甲基化抑制劑和組蛋白去乙酰化酶抑制劑。但由于這些藥物通常會引起基因組廣泛的去甲基化，因而其臨床應用尚需時日[20]。

三、問題和展望

盡管對于遺傳印記的研究取得了很大進展，但對于其機制還有許多問題有待于解決。如，通過何種機制引起的特異基因異常甲基化；同一印記基因在不同腫瘤以及同一腫瘤不同時期為何表達形式不同；同一組織類型中不同模式的印記基因如何共存等等。這些理論局限限制了已有基因的臨床應用。印記修飾存在于DNA水平和染色體區(qū)域，表型相對不明顯且無特異性的技術，研究具有一定的難度。近年，限制性標記基因組掃描技術(restriction landmark genome screening RLGS)等可直接鑒定印記基因技術的開發(fā)為腫瘤早期診斷和風險評估提供了客觀條件。

研究表明，遺傳印記機制涉及染色質(zhì)構型、DNA甲基化和復制時間等[21]，此外，組蛋白乙?；?、DNA甲基化以及染色體重構也是值得重視的調(diào)控方式，對組蛋白修飾和染色體改型標志系統(tǒng)[22]的研究國內(nèi)外報道相對較少，可能成為今后研究的重要切入點。

目前，已知的印記基因由于特異性低、靈敏度差而很難應用于臨床，國內(nèi)外的研究正致力于發(fā)現(xiàn)新印記基因，尤其是抑癌基因的印跡研究，今后的研究應在兼顧尋找高度特異標記的同時，注重基因甲基化模式圖譜及微量診斷等技術的開發(fā)，從而滿足進行個體監(jiān)測及腫瘤分子亞型鑒別等需要[23]；而在開發(fā)具有高特異、高敏感藥物的同時，也應重視對反義RNA等其他治療手段的探索及應用。

[1] Jin B,Robertson KD.DNA methyltransferases,DNA damage repair,and cancer.Adv Exp Med Biol,2013,754:23-29.

[2] Pfeifer K.Mechanisms of genomic imprinting.Am J Hum Genet,2000,67(4):777-787.

[3] Croteau S,Andrade MF,Huang F,et al.Inheritance patterns of maternal alleles in imprinted regions of the mouse genome at different stages of development.Mamm Genome,2002,13(1):24-29.

[4] Weksberg R,Nishikawa J,Caluseriu O,et al.Tumor development in the Beckwith-Wiedemann syndrome is associated with a variety of constitutional molecular 11p15 alterations including imprinting defects of KCNQ1OT1.Hum Mol Genet,2001,10(26):2989-3000.

[5] Abdollahi A,Pisarcik D,Roberts D,et al.LOT1(PLAGL1/ZAC1),the candidate tumor suppressor gene at chromosome 6q24-25,is epigenetically regulated in cancer.J Biol Chem,2003,278(8):6041-6049.

[6] Huang J.Current progress in epigenetic research for hepatocarcinomagenesis.Sci China C Life Sci,2009,52(1):31-42.

[7] Kong A,Steinthorsdottir V,Masson G,et al.Parental origin of sequence variants associated with complex diseases.Nature,2009,462(7275):868-874.

[8] Yoshimizu T,Miroglio A,Ripoche MA,et al.The H19 locus acts in vivo as a tumor suppressor.Proc Natl Acad Sci USA,2008,105(34):12417-12422.

[9] Clément G,Bosman FT,Fontolliet C,et al.Monoallelic methylation of the APC promoter is altered in normal gastric mucosa associated with neoplastic lesions.Cancer Res,2004,64(19):6867-6873.

[10] Murphy SK,Jirtle RL.Imprinting evolution and the price of silence.Bioessays,2003,25(6):577-588.

[11] Honda S,Arai Y,Haruta M,et al.Loss of imprinting of IGF2 correlates with hypermethylation of the H19 differentially methylated region in hepatoblastoma.Br J Cancer,2008,99(11):1891-1899.

[12] Vu TH,Chuyen NV,Li T,et al.Loss of imprinting of IGF2 sense and antisense transcripts in Wilms’ tumor.Cancer Res,2003,63(8):1900-1905.

[13] Cui H,Onyango P,Brandenburg S,et al.Loss of imprinting in colorectal cancer linked to hypomethylation of H19 and IGF2.Cancer Res,2002,62(22):6442-6446.

[14] Cheng YW,Idrees K,Shattock R,et al.Loss of imprinting and marked gene elevation are 2 forms of aberrant IGF2 expression in colorectal cancer.Int J Cancer,2010,127(3):568-577.

[15] Pedersen IS,Dervan P,McGoldrick A,et al.Promoter switch:a novel mechanism causing biallelic PEG1/MEST expression in invasive breast cancer.Hum Mol Genet,2002,11(12):1449-1453.

[16] Yuan J,Luo RZ,Fujii S,et al.Aberrant methylation and silencing of ARH1,an imprinted tumor suppressor gene in which the function is lost in breast cancer.Cancer Res,2003,63(14):4174-4180.

[17] Weber F,Aldred MA,Morrison CD,et al.Silencing of the maternally imprinted tumor suppressor ARHI contributes to follicular thyroid carcinogenesis.J Clin Endocrinol Metab,2005,90(2):1149-1155.

[18] Kuerbitz SJ,Pahys J,Wilson A,et al.Hypermethylation of the imprinted NNAT locus occurs frequently in pediatric acute leukemia.Carcinogenesis,2002,23(4):559-564.

[19] Sarkar S,Roy BC,Hatano N,et al.A novel ankyrin repeat-cintaining gene(Kank)located at 9p24 is a growth suppressor of renal cell carcinoma.J Biol Chem,2002,277(39):36585-36591.

[20] Robert MF,Morin S,Beaulieu N,et al.DNMT1 is required to maintain CpG methylation and aberrant gene silencing in human cancer cells.Nature Genet,2003,33(1):61-65.

[21] Recillas-Targa F.DNA methylation,chromatin boundaries,and mechanisms of genomic imprinting.Arch Med Res,2002,33(5):428-438.

[22] Jones PA,Baylin SB.The epigenomics of cancer.Cell,2007,128(4):683-692.

[23] Perri F,Cotugno R,Piepoli A,et al.Aberrant DNA methylation in non-neoplastic gastric mucosa of H.Pylori infected patients and effect of eradication.Am J Gastroenterol,2007,102(7):1361-1371.

姜爭，王錫山.遺傳印記在人類惡性腫瘤中的研究進展[J/CD].中華結(jié)直腸疾病電子雜志，2013,2(2)：72-74.

10.3877/cma.j.issn.2095-3224.2013.02.06

黑龍江省博士后基金(LRB87859)；黑龍江省衛(wèi)生廳基金(2011-144)；黑龍江省普通高等學校醫(yī)學遺傳學重點實驗室開放基金

作者電位：150086 哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院結(jié)直腸腫瘤外科 哈爾濱醫(yī)科大學大腸癌研究所

Email：wxshan1208@126.com

2013-01-26)

(本文編輯：馬天翼)