陳伶莉 胡雪峰

(福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福州 350108)

表觀遺傳修飾是指不改變基因的DNA序列而使其表達(dá)發(fā)生可遺傳的表型變化[1]的遺傳修飾。表觀遺傳修飾主要包括四個(gè)方面的內(nèi)容： DNA甲基化、染色質(zhì)重塑、非編碼RNA的調(diào)控和組蛋白修飾。以上四個(gè)方面的遺傳變化均可以通過細(xì)胞分裂的方式穩(wěn)定地遺傳給后代。研究表明，組蛋白修飾與甲狀腺癌、乳腺癌和胃癌等惡性腫瘤的發(fā)生有著密切的關(guān)系。本文綜述組蛋白修飾與癌癥之間關(guān)系的研究進(jìn)展。

1 組蛋白修飾與基因的表達(dá)調(diào)控

組蛋白在真核生物中與DNA結(jié)合形成染色質(zhì)。共有五種組蛋白，即H1、 H2A、 H2B、 H3及H4。核小體是染色體功能的基本單位，是由146對(duì)堿基圍繞著四種組蛋白(H2A、 H2B、 H3和H4)的各兩個(gè)分子組成的一個(gè)組蛋白八聚體而形成[2]。核小體中的核心部分呈現(xiàn)均一穩(wěn)定的狀態(tài)，而游離在外的組蛋白末端的氨基酸殘基可以發(fā)生甲基化、乙?；⒘姿峄?、泛素化及二磷酸腺苷(ADP)糖基化等共價(jià)修飾，這些修飾方式共同構(gòu)成“組蛋白密碼”，其中甲基化和乙酰化是兩種較為重要的修飾作用。組蛋白乙酰化是可逆的動(dòng)態(tài)平衡過程，由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferase, HAT)與組蛋白去乙?；?histone deacetylase, HDAC)兩種酶共同介導(dǎo)。在HAT的作用下，乙酰輔酶A攜帶的乙?；晦D(zhuǎn)移至組蛋白N末端的指定賴氨酸殘基上，與殘基所帶的正電荷相互抵消，DNA構(gòu)象得以展開，使得核小體的結(jié)構(gòu)松弛，進(jìn)而促進(jìn)DNA與促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子和協(xié)同轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，激活特定基因的轉(zhuǎn)錄；而HDAC的功能則表現(xiàn)為消除賴氨酸殘基上乙酰基的作用，從而使組蛋白恢復(fù)正電性，同時(shí)增強(qiáng)帶負(fù)電的DNA與帶正電的組蛋白之間的作用力，于是轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件無法接近啟動(dòng)子，基因轉(zhuǎn)錄便被抑制。

組蛋白甲基化通常發(fā)生在組蛋白中的賴氨酸(Lys)和精氨酸(Arg)殘基的側(cè)鏈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都是甲基化的高發(fā)位點(diǎn)。組蛋白甲基化過程由組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶(histonemethyl transferase, HMT)介導(dǎo)完成。賴氨酸殘基存在三種甲基化方式： 單甲基化、雙甲基化和三甲基化，而精氨酸的殘基只能發(fā)生單甲基化和雙甲基化。不同類型和程度的氨基酸甲基化使得組蛋白的修飾機(jī)制和調(diào)節(jié)基因表達(dá)的機(jī)制都變得更為復(fù)雜。研究表明，相關(guān)基因沉默與激活的程度可能與甲基化的個(gè)數(shù)相關(guān)。

2 組蛋白修飾與癌癥的發(fā)生

癌癥發(fā)生是由多種因素介導(dǎo)的多步驟過程，主要影響因素包括： 遺傳機(jī)制(genetic mechanism)和表觀遺傳機(jī)制(epigenetic mechanism)。組蛋白的修飾作用是其中一種調(diào)控基因表達(dá)的表觀遺傳機(jī)制。迄今為止，研究得較為深入的是組蛋白的甲基化和乙?；揎椬饔?，其與許多癌癥的發(fā)生存在著緊密的聯(lián)系。

2.1 組蛋白修飾與甲狀腺癌 甲狀腺癌是一種發(fā)病率較高的甲狀腺惡性腫瘤，約占全身惡性腫瘤的1%，大多數(shù)甲狀腺癌的發(fā)生源于濾泡上皮細(xì)胞的癌變，組蛋白乙?；癄顟B(tài)的失衡與甲狀腺癌的發(fā)生有著緊密的聯(lián)系。Puppin等[3]發(fā)現(xiàn),與正常組織相比，甲狀腺癌細(xì)胞的組蛋白H3中第9～14以及18位(H3K9-K14和H3K18)賴氨酸的乙?；蕉计?，而如果阻斷細(xì)胞中H3K18的乙酰化，則正常細(xì)胞不會(huì)發(fā)生癌變。這一結(jié)果說明，組蛋白乙酰化是甲狀腺癌發(fā)生過程的早期事件。Moss等[4]發(fā)現(xiàn)，具有降低癌細(xì)胞浸潤與轉(zhuǎn)移能力的異染色質(zhì)蛋白1β(heterochromatin protein 1β, HP1β)在甲狀腺癌晚期中表達(dá)水平下降。Xiao等[5]揭示，HDAC抑制劑辛二酰基二羥肟酸(SBA)和丙戊酸(VA)可以通過激活Notch1信號(hào)通路使HP1β表達(dá)上調(diào)，細(xì)胞周期蛋白依靠性激酶抑制劑P21表達(dá)提高，細(xì)胞周期蛋白D1減少，從而抑制甲狀腺癌細(xì)胞增長。Liao等[6]的研究表明： 抑制賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶5A(lysinemethyltransferase5A，KMT5A)的生理活性可以誘導(dǎo)乳頭狀甲狀腺癌細(xì)胞發(fā)生G1/S期抑制，而KMT5A表達(dá)水平升高與甲狀腺乳頭狀癌的晚期病理(如甲狀腺腫大和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移)相關(guān)；通過抑制KMT5A的活性可以抑制甲狀腺癌細(xì)胞中參與脂質(zhì)代謝的關(guān)鍵分子?？梢?，KMT5A可能是一種新的甲狀腺癌致瘤因子，也是一種甲狀腺癌脂質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)因子。

2.2 組蛋白修飾與乳腺癌 乳腺癌是一種惡性腫瘤，好發(fā)于乳腺上皮組織，為女性常見癌癥之一。研究表明，乳腺癌的發(fā)生機(jī)制之一可能是HDAC與相關(guān)啟動(dòng)子的結(jié)合異常，從而引起調(diào)節(jié)癌細(xì)胞增殖和遷移的抑癌基因的轉(zhuǎn)錄抑制。組蛋白去乙酰化酶抑制劑(HDAiC)可以解除乳腺癌細(xì)胞中維甲酸受體-β(RARp)的轉(zhuǎn)錄抑制，從而恢復(fù)RARp抑制細(xì)胞癌變的功能。Yan等[7]發(fā)現(xiàn)，GSKJ4是一種有前景的治療乳腺癌的藥物，它通過抑制組蛋白去甲基轉(zhuǎn)移酶JMJD3和UTX的活性，保持甲基轉(zhuǎn)移酶EZH2活性不變，使組蛋白H3中第27位賴氨酸三甲基化水平提高，從而導(dǎo)致乳腺癌干細(xì)胞(BCSC)擴(kuò)增和自我更新的能力的下降，實(shí)現(xiàn)對(duì)BCSC的抑制作用。周偉強(qiáng)等[8]研究了組蛋白乙?；揎棇?duì)瘦素誘導(dǎo)的乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞生長產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)瘦素誘導(dǎo)乳腺癌MDA-MB-231細(xì)胞增殖過程中，在HDAC的作用下核心組蛋白發(fā)生去乙?；?，乳腺癌細(xì)胞啟動(dòng)子的表達(dá)受到抑制，促使細(xì)胞分裂從G1變?yōu)镾期。八聚物結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子4(OCT4)能夠幫助胚胎干細(xì)胞實(shí)現(xiàn)自我更新和重新編程體細(xì)胞以維持多能性。OCT4打亂細(xì)胞預(yù)定的分化計(jì)劃，有利于癌細(xì)胞進(jìn)化成更具有侵略性的癌癥干細(xì)胞，在腫瘤的轉(zhuǎn)化中有重要意義。例如，研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白H3中第4位賴氨酸三甲基化和第9位賴氨酸甲基化及第10位絲氨酸磷酸化在啟動(dòng)子區(qū)域富集，使OCT4在乳腺癌細(xì)胞系中過度表達(dá)，會(huì)導(dǎo)致癌細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移能力的提高，以及誘導(dǎo)凋亡率急劇下降。以上結(jié)果表明組蛋白修飾是誘發(fā)OCT4過度表達(dá)和乳腺癌發(fā)生的決定性因素[9]。

2.3 組蛋白修飾與胃癌 胃癌是世界上第四種常見的惡性腫瘤，也是全球癌癥死亡的第二大原因，其病死率極高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國2015年死于胃癌的患者高達(dá)49.8萬。Fehri等[10]發(fā)現(xiàn)，幽門螺桿菌可以降低組蛋白H3中絲氨酸10(H3S10)磷酸化水平，導(dǎo)致細(xì)胞周期發(fā)生改變，誘發(fā)胃癌。Mitani等[11]分析了29例的胃癌組織樣本，結(jié)果表明胃癌細(xì)胞中組蛋白H3乙?；教岣呖梢哉T導(dǎo)抑癌基因p21(WAF1/CIP1)的轉(zhuǎn)錄和翻譯。相反，若乙?；浇档?，則該抑癌基因的表達(dá)受到抑制。與此相似，Chen等[12]的研究也發(fā)現(xiàn)組蛋白去乙?；梢砸种埔职┗騌hoE的表達(dá)。此外，Mutze等[13]進(jìn)一步分析了127例的胃癌組織標(biāo)本，發(fā)現(xiàn)在胃癌細(xì)胞中，兩種組蛋白去乙?；窰DAC1和HDAC2均有著較高水平的表達(dá)，均可抑制抑癌基因的表達(dá)。

2.4 組蛋白的修飾與肝癌 肝癌是全球癌癥死亡的主要原因之一，分為原發(fā)性肝癌和繼發(fā)性肝癌兩種。前者在中國的發(fā)病率高，危害巨大。該病情進(jìn)展迅猛，早期難以準(zhǔn)確診斷。研究表明，組蛋白低乙酰化和甲基化均與肝癌的發(fā)生密切相關(guān)。Wei等[14]發(fā)現(xiàn)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a(又名全色組蛋白-賴氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶2,EHMT2)的表達(dá)在人類肝癌中經(jīng)常上調(diào)，其與肝癌進(jìn)展和侵襲性臨床病理特征顯著相關(guān)。G9a作用于視黃酸受體應(yīng)答因子3(RARRES3)，促使其表達(dá)沉默，促進(jìn)了肝癌的發(fā)生。Wang等[15]發(fā)現(xiàn)，肝癌細(xì)胞中組蛋白H3呈現(xiàn)低乙?；癄顟B(tài)，并且肝癌轉(zhuǎn)移細(xì)胞中H3乙?；乃较抡{(diào)更加明顯。An等[16]發(fā)現(xiàn)脫甲基酶(JMJD2A)在體外和體內(nèi)均能加速肝癌細(xì)胞的惡性進(jìn)展，其作用機(jī)制如下： JMJD2A促進(jìn)基因pre-miR372的表達(dá)，miR372阻止相關(guān)內(nèi)含子的切除并形成JMJD2A的新轉(zhuǎn)錄物。此外，JMJD2A還能通過降低組蛋白H3中第27位賴氨酸三甲基化活性來抑制基因p21(WAF1/CIP1)的表達(dá)。因此，JMJD2A可以通過抑制該抑癌基因來增強(qiáng)絲氨酸/蘇氨酸激酶Pim1的轉(zhuǎn)錄，增加Pim1的表達(dá)，促進(jìn)視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤抑制蛋白pRB、細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶2(CDK2)和細(xì)胞周期蛋白E(CyclinE)之間的相互作用，從而促進(jìn)細(xì)胞骨髓細(xì)胞瘤病癌基因(C-myc)的轉(zhuǎn)錄和翻譯，導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。這一結(jié)果表明，JMJD2A或可以用作肝癌的新型治療靶標(biāo)。

2.5 組蛋白修飾與卵巢癌 卵巢癌是一種致命的婦科惡性腫瘤，死亡率在各類婦科腫瘤中排名第一，嚴(yán)重威脅女性的健康。研究發(fā)現(xiàn)，賴氨酸特異性去甲基化酶1(LSD1)與上皮細(xì)胞鈣粘蛋白E-cadherin啟動(dòng)子和該區(qū)域的去甲基化組蛋白H3中第四位賴氨酸相互作用，下調(diào)E-cadherin的表達(dá)，從而增強(qiáng)卵巢癌細(xì)胞遷移。與上述發(fā)現(xiàn)相似，Chung等[17]的研究表明，轉(zhuǎn)錄因子GRHL2(grainyheadas 2)的缺失增加了E-cadherin基因的啟動(dòng)子與GRHL2結(jié)合位點(diǎn)的組蛋白三甲基化水平，有利于維持正常的上皮細(xì)胞表型，阻止其分化為卵巢癌細(xì)胞。Kuang等[18]對(duì)比分析了正常、良性、交界性和惡性卵巢組織樣品中賴氨酸特異性去甲基化酶2B(KDM2B)和組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(EZH2)增強(qiáng)子的mRNA和蛋白質(zhì)水平，發(fā)現(xiàn)KDM2B在卵巢腫瘤中的表達(dá)逐漸增加，且與卵巢組織中EZH2表達(dá)呈正相關(guān)。該結(jié)果表明，KDM2B在卵巢癌的腫瘤發(fā)生中起著重要的作用，其可能的機(jī)制是增加致癌基因的表達(dá)，促進(jìn)卵巢癌細(xì)胞的增殖和遷移。另有研究對(duì)組蛋白H1的一種變體H1.3在卵巢癌細(xì)胞中的影響進(jìn)行了觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)H1.3可能為非編碼癌基因H19的特異性阻遏物。H1.3過度表達(dá)導(dǎo)致H19在包含印跡控制區(qū)域的H19調(diào)節(jié)子區(qū)域占據(jù)增加，顯著抑制H19表達(dá)，這有助于抑制上皮性卵巢癌發(fā)生。

2.6 組蛋白修飾與結(jié)直腸癌 結(jié)腸和直腸癌(CRC)是常見的消化系統(tǒng)惡性腫瘤之一，病程早期無明顯性狀表現(xiàn)，晚期會(huì)表現(xiàn)出貧血、體重減輕等不良癥狀，其發(fā)病率和病死率都比較高。Mitani等對(duì)人結(jié)腸癌細(xì)細(xì)胞系和人直腸癌細(xì)胞系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)這些癌細(xì)胞中組蛋白乙酰化水平相比正常細(xì)胞上調(diào)明顯，p21(WAF1/CIP1)等抑癌基因的表達(dá)受到抑制，細(xì)胞周期停滯于G1期。Chen K[19]等研究了一大批結(jié)直腸癌(CRC)樣本和細(xì)胞系中新型組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶SETDB1的表達(dá)。研究結(jié)果表明，SETDB1在多數(shù)CRC組織和細(xì)胞系中高度表達(dá)；此外，SETDB1表達(dá)的上調(diào)促進(jìn)了CRC細(xì)胞在體外和體內(nèi)的增殖和遷移，CRC患者的生存率呈負(fù)相關(guān)。CRC的其他研究表明，組蛋白修飾如H3K56ac、 H3k9me2和H3K27me3有可能成為CRC的預(yù)后指標(biāo)。與此相似，H3K9me3和H4K20me3的表達(dá)水平下調(diào)可作為CRC早期診斷的生物標(biāo)志物。

2.7 組蛋白修飾與肺癌 肺癌是近些年來發(fā)病率和死亡率增長最快的惡性腫瘤，對(duì)人們的健康造成了嚴(yán)重的威脅。對(duì)肺癌細(xì)胞的臨床分析表明： 組蛋白H3第9位(H3K9)賴氨酸殘基的乙?；蛉谆虷4第16位(H3K16)賴氨酸殘基乙酰化與肺癌的復(fù)發(fā)密切相關(guān)。在肺癌的早期進(jìn)程中可以觀察到： ①組蛋白H4第5以及8位(H4K5和H4K8)賴氨酸的乙酰化和H4第12以及16位(H4K12和H4K16)的賴氨酸的去乙?；坏捅磉_(dá)水平的H4第20位(H4K20)賴氨酸的三甲基化，且隨著病程進(jìn)一步發(fā)展，H4K20me3的表達(dá)量持續(xù)下降；②組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a通過抑制細(xì)胞黏附分子Ep-CAM的活性，促進(jìn)肺癌的侵襲和轉(zhuǎn)移；③G9a在侵襲性肺癌細(xì)胞中的表達(dá)上調(diào)，其升高的表達(dá)與預(yù)后不良有關(guān)，而通過一定的調(diào)節(jié)方式使得G9a的表達(dá)下調(diào)，可以抑制體外肺癌細(xì)胞遷移和侵襲以及在體內(nèi)的轉(zhuǎn)移。

3 總結(jié)與展望

組蛋白修飾是表觀遺傳學(xué)研究的一大重要領(lǐng)域，其表達(dá)異常與功能受損和各種癌癥的發(fā)生和發(fā)展密不可分。組蛋白修飾的深入研究不僅有利于癌癥發(fā)生機(jī)制的闡明，并且對(duì)于不同癌癥的前期診斷及預(yù)后治療也有積極意義。往往多個(gè)抑癌基因同時(shí)發(fā)生變異才會(huì)導(dǎo)致癌癥的發(fā)生，因此若想有效抑制癌癥的發(fā)生，僅僅針對(duì)某個(gè)基因的治療是不夠的。下一步藥物開發(fā)新的靶點(diǎn)可能就在于提高生物基因組的穩(wěn)定性，而聯(lián)合使用表觀基因藥物和基因藥物將成為癌癥治療的新方法。