神经胶质瘤的表观遗传学机制神经胶质瘤的表观遗传学机制分子诊断与治疗杂志 2011 年 9 月第 3 卷第 5 期JMolDiagnTher,September2011,Vo1.3No.5神经胶质瘤的表观遗传学机制王启琼李银杨学习【摘要】神经胶质瘤是颅内最常见的一种恶性肿瘤,它的发生,发展与表观遗传修饰密切相关.本文着重介绍了近年来神经胶质瘤发生,发展过程中 DNA 甲基化异常,miRNA 表达异常,组蛋白修饰异常三种主要的表观遗传修饰方式的研究进展.由于表观遗传修饰引起的改变可以通过药物逆转,本文进而探讨了基于表观遗传修饰机制的潜在药物治疗神经胶质瘤的前景.【关键词】神经胶质瘤;表观遗传学;DNA 甲基化;miRNA;组蛋白修饰GliomaandepigeneticWANGQiqiong,LIYin,YANGXuexi(1.TheFirstAffiliatedHospitalofSouthernMedicalUniversity,Guangzhou,Guangdong510515,China;2SchoolofBiotechnologyjSouthemMedicalUniversity,Guangdong,Guangzhou510515,China)~BSTRACT】Gliomaisoneofthemostcommonintracranialmalignanttumor.Itsoccurrenceanddevelopmentarecloselyrelevanttoepigeneticmodification.Therewerethreemainepigeneticmodificationpatterns:DNAmethylationabnormality,miRNAexpressionabnormalityandhistonemodificationabnormalityduringtheoccttrrenceanddevelopmentofglioma.Potentialdmgsforgliomamayreverseepigeneticmodificationmechanism.【KEYWORDS】Glioma;Epigenetic;DNAmethylation;miRNA;Histonemodification神经胶质瘤是发生于神经外胚层的恶性肿瘤,对人体危害大,传统的手术和放射难以治疗,且术后复发率高.神经胶质瘤的发生除与基因变异有关,还与基因修饰异常相关.基因修饰异常导致基因功能异常是表观遗传学的核心内容.近年来的研究发现神经胶质瘤的发生,发展与 DNA 甲基化,miRNA 和组蛋白修饰的异常密切相关.1 表观遗传学的概念表观遗传学是指基因的核苷酸序列不发生改变,而基因表达发生了可遗传的变化,属于遗传学的一门分支学科.表观遗传指细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质的改变,是表达型的改变而非基因型的改变.这种改变可以导致细胞发育,增殖,凋亡异常,进而引起疾病.表观遗传学引起的改变能在细胞分裂增殖过程中稳定地遗传下去[1l.目前表观遗传基金项目:南方医科大学课外科研学术活动(2009kw109)作者单位:1.南方医科大学第一临床医学院,广东,广州 5105152.南方医科大学生物技术学院,广东,广州 510515通讯作者:杨学*-7,E-mail:yxxzb@sohu.corn?综述?学的研究内容主要包括 DNA 甲基化,组蛋白修饰,非编码 RNA 调控,基因组印记,母体效应,基因沉默,核仁显性和休眠转座子激活等.2 神经胶质瘤发生,发展过程中表观遗传修饰异常目前已发现许多基因在神经胶质瘤发生,发展过程中出现表观遗传修饰异常(见表 1).随着深人研究,将会发现越来越多新的与神经胶质瘤相关的基因表观遗传修饰异常现象.2.1DNA 甲基化异常DNA 甲基化是指在 DNA 甲基转移酶(DNMT)的作用下,以 S 一腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体,将甲基基团加于 CpG 碱基对的胞嘧啶的 5 位碳原子上.约 2/3 的神经胶质瘤基因有启动子区甲基化异常现象[2】,特别是抑癌基因启动子区 CpG 岛高甲基化.抑癌基因 RASSFIA 位于 3p21.3,可抑制细胞周?352?分子诊断与治疗杂志 2011 年 9 月第 3 卷第 5 期JMolDiagnTher,September2011,V01.3No.5表 1 神经胶质瘤表观遗传修饰异常相关基因Table1Epigeneticmodificationabnormalityofglioma—relatedgenes期素 Dl 的聚集,从而使细胞分裂停滞.Horiguchi 等】发现 54.3%的胶质瘤存在 RASSF1A 高甲基化现象.RASSF1A 高甲基化可导致 DNA 修复机制及 Ras 依赖的生长调节机制发生紊乱,从而加速神经胶质瘤的生长,并且 RASSF1A 甲基化水平随着胶质瘤分级增高而增加.抑癌基因 p16 位于 9p21,可以抑制多种肿瘤的发生.p16 基因启动子区 CpG 岛高甲基化使细胞周期素 D 依赖性激酶增多,细胞过度增殖.通过检测 ki_67 抗原增殖指数,发现 p16 的甲基化程度与神经胶质瘤的级别和浸润程度呈正相关.06.甲基鸟嘌呤一 DNA 甲基转移酶(06 一 methylguanine—DNAmethyltransferase,MGMT)负责修复 DNA 损伤和烷基损伤.应用甲基化特异性实时定量 PCR 对 28 例正常脑组织和 50 例神经胶质瘤进行 MGMT 启动子甲基化的定量分析发现神经胶质瘤中的 MGMT 启动子存在显着的高甲基化[41.Mollemann 等发现少突胶质细胞瘤中 MGMT 基因 25 个 CpG 岛位点的甲基化率为 88%.Cankovic 等发现在胶质瘤中MGMT 的甲基化率为 44%.Andreana 等对 183位神经胶质瘤病人(45 例为 MGMT 启动子高甲基化,138 例未见 MGMT 启动子甲基化异常)进行了术后放疗研究,发现 MGMT 启动子高甲基化的患者对放疗的敏感性是未甲基化的 2 倍.可见 MGMT 启动子高甲基化影响着神经胶质瘤的治疗.除上述基因外 p,7,LATSl,LATS2 等基因启动子区 CpG 岛的高甲基化也与神经胶质瘤的发生,发展密切相关.可见甲基化在神经胶质瘤的发生,发展中发挥了重大的作用.2.2miRNA 表达异常miRNA 是真核生物体内重要的非编码 RNA,是一类长约 22nt 的单链 RNA 分子,主要通过与靶基因 mRNA 的 3’-UTR 完全或不完全配对,导致靶mRNA 降解或转录后翻译抑制,从而影响细胞和个体的生命活动.Dong 等】发现在肿瘤和正常组织之间有 97 种 miRNA 存在显着差异,其中 22 种已被报道与神经胶质瘤相关,如 miR.221/222,miR.21,miR296,miR.26a 等表达上调;miR 一 124,miR 一 7,miR 一 34a,miR 一 128 等表达下调].miR.21 属于癌基因,在肿瘤组织中表达上调.miR 一 21 可使抑癌基因 ANP32A 和SMARCA4 表达下降[101;miR.21 能调控 P 陋 N 影响多数肿瘤的生长,但 ZhouX 等…发现在 U251 神经胶质瘤细胞(P 丁 EN 已突变)里 miR 一 2l 下调抑制神经胶质瘤的生长,这可能与 PTEN 调节无关.miR 一21 不仅影响神经胶质瘤的形成,还影响其治疗:miR 一21 作用于靶标 LRRFIP1 使神经胶质瘤对 VM 一 26 耐受;miR 一 21 高表达抑制 U251(Pw 突变型)和LN229(PTEN 野生型)神经胶质瘤对紫杉醇的敏感性.miR 一 221/222 作用于凋亡基因 PUMA 的 3’一UTR,使 PUMA 蛋白表达下降,抑制细胞的凋亡[1.除作用于 PUMA 外,miR 一 221/222 还靶向作用于p27,抑制抑癌基因 p27(Kip1)的表达[15]op27kipl是重要的细胞周期负调控因子,能使细胞周期停滞于 G1 期,诱导细胞凋亡.故 p27kipl 表达下降会使细胞无限增殖.最近还发现,NF—KB 和 C—JUN 的亚基 p65 可以和 miR 一 221/222 启动子上游末端结合,充分转录,从而诱导癌基因 miR.221/222 表达【】.miR 一124 可以抑制神经胶质瘤的侵袭,浸润和增殖,还可诱导脑肿瘤干细胞的分化[17,18]omiR 一 124 直接作用于靶基因 CDK 一 6,使 CDK-6 表达下调,导致细胞分裂停滞.虽然不同的 miRNA 作用机制不同,但都是通过调控靶基因参与细胞的信号通路进而影响神经胶质瘤的发生,发展.2.3 组蛋白修饰异常组蛋白的修饰包括乙酰化,甲基化,磷酸化等.分子诊断与治疗杂志 2011 年 9 月第 3 卷第 5 期JMolDiagnTher,September2011,Vo1.3No.5?353表 2 应用表观遗传修饰机制治疗神经胶质瘤的药物和方法Table2Thetreatmentagentsofgliomathroughepigeneticmodification组蛋白的修饰异常可导致基因表达异常,引起神经胶质瘤的发生.在多种肿瘤细胞中发现组蛋白去乙酰化酶 HDACs 过度表达,乙酰化酶 HAT 总体下降,甲基转移酶和去甲基化酶失调[191o 在组蛋白的众多修饰中,目前报道得最多的是乙酰化和去乙酰化.组蛋白赖氨酸的 N 端乙酰化或去乙酰化修饰分别由组蛋白乙酰转移酶(HAT)和去乙酰化转移酶(HDAC)催化调控,可以通过改变核小体的结构影响基因的表达.在神经胶质瘤细胞中,组蛋白去乙酰化酶HDAC2 和 HDAC9 均发生了明显的变化[1,201,神经胶质瘤组织组蛋白 H3 乙酰化水平总体增高,II,Iv 型的 HDACs 的表达比正常的脑组织也明显增多.II 和IV 型的 HDACs 的过表达使 mRNA 表达下降,从而影响胶质细胞的正常增殖[21]o 在神经胶质瘤细胞中组蛋白去甲基化酶 JMJD1A,JMJD1B 和组蛋白甲基转移酶 SET7,SETD7,MLL,MLL4 均发生了明显的变化[1,20]o 组蛋白赖氨酸甲基化与基因转录调节,基因组整合密切相关.一般认为,H3K9,H3K27 甲基化与基因转录抑制相关.研究还发现低分化和高分化的神经胶质瘤中 BMI 一 1 蛋白表达水平均发生了明显下调.BMI 一 1 是一种调控 H3K27 甲基化的多梳蛋白复合物,BMI 一 1 的缺失会导致神经胶质瘤病人预后不良[221o 组蛋白磷酸化主要影响信号传导通路相关激酶的活性,直接影响细胞的有丝分裂,死亡和 DNA复制,损伤修复[2,现已发现 c—los 基因的活化与 H3的磷酸化有关[24]o 组蛋白的不同修饰问相互作用交织成网,影响了染色体的重塑和功能状态,在神经胶质瘤的发生,发展中发挥着重要的作用.3 神经胶质瘤的诊疗3.1 神经胶质瘤的诊断患者的血浆里含有坏死或凋亡的肿瘤细胞,可以从患者血液中提取 DNA 进而测定其甲基化程度和miRNA 表达水平.因 DNA 甲基化与神经胶质瘤的发生,发展密切相关,可以通过测定 CpG 岛的甲基化程度来预测神经胶质细胞是否发生癌变及癌变的程度.甲基化的测定有多种方法,目前最广泛使用的是DNA 经亚硫酸盐处理后用甲基化特异性 PCR 分析,但该方法只能定性而不能定量且准确率低.实时定量甲基化特异性 PCR 不仅灵敏度,精确度高,还能检测福尔马林浸泡标本组织的 DNA 甲基化情况.因此,实时定量甲基化特异性 PCR 有用于神经胶质瘤诊断的潜质[4】.由于 miRNA 在血清中能稳定存在,且较易获得,具有成为早期诊断分子标志物的潜力『9】.血清中 miR25 和 miR 一 223 含量可作为非小细胞肺癌病人的诊断标志『2,但目前尚未发现神经胶质瘤特有的 miRNA 标志物.如果可以筛选。