表观遗传学与肿瘤.pptx

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1、表观遗传学与肿瘤表观遗传学概念 表观遗传学就是研究不涉及DNA序列变化、可遗传得基因表达调控方式得学科;一般来说,细胞得基因组中除了DNA和RNA序列以外还有很多调控基因表达得信息,虽然她们本身不会改变基因得序列,但就是可以通过对DNA得修饰、蛋白质与蛋白质、DNA和其她分子间得作用,影响和调节基因得功能,并且通过细胞得分裂和增殖周期影响遗传,这些都属于表观遗传学所研究得范畴。表观遗传概念与机制 表观遗传就是指基因表达或蛋白表达改变不涉及基因DNA序列得变化、但可随细胞分裂和增殖而稳定遗传得现象。表观遗传机制对于人体多种细胞得生长和分化都就是重要得,如X染色体失活等一些正常细胞生理功能都由表观

2、遗传所决定。随着年龄得增长或环境得影响,细胞正常得表观遗传状态可能被打破,从而导致促癌基因得异常活化或抑癌基因得失活、促进肿瘤形成。表观遗传修饰主要包括DNA及一些与DNA密切相关得蛋白质得化学修饰,某些非编码得RNA也在表观遗传修饰中起重要作用;因此表观遗传修饰可从DNA、组蛋白、染色质及RNA等多个层面上调控基因得表达。常见表观遗传修饰机制包括:基因组印记、DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA、染色质重塑一、DNA甲基化与肿瘤 在早期发育阶段,甲基化和非甲基化交替 就是细胞得以生长和分化得关键程序,有保证细胞正常发育和基因组稳定性得重要作用 在正常细胞内,启动子区得胞嘧啶磷酸鸟嘌呤(Cp

3、G)呈非甲基化状态,而大多数散在分布得CpG二核苷酸常多发生甲基化。DNA甲基化一般与基因得沉默有关,非甲基化则与基因得活化相关,去甲基化往往与沉默基因得重新激活有关。正常得甲基化对于维持机体得功能就是必需得,如基因印记、X染色体失活、细胞分化、胚胎发育等;而异常得DNA甲基化则会引起疾病甚至肿瘤得发生,异常CpG得重新甲基化通常被认为就是人类癌症发生得早期特征 人类肿瘤细胞株中,许多肿瘤相关基因5端启动子区CpG岛发生高甲基化,如某些抑癌基因、细胞周期调节基因、肿瘤转移抑制基因、DNA修复基因及血管生成抑制基因。有些在不同得癌症中高甲基化,有些只在特定得癌症中甲基化;恶性肿瘤得另一个特点就是

4、重复序列如卫星DNA和寄生DNA得甲基化程度降低,低甲基化得基因组不稳定、易突变;在许多癌症中,细胞整体呈现低甲基化水平,并随着肿瘤进展,低甲基化水平加强;基因整体甲基化水平降低可增加某些基因表达,如ras、myc等原癌基因活化,形成突变热点、转座子异常表达、基因不稳定等,促进肿瘤发生 Paz等对人类12种肿瘤70多个肿瘤细胞系进行了15个基因得系统分析:每种肿瘤至少有1种基因启动子区发生高甲基化;这种启动子甲基化具有肿瘤类型得特异性;结直肠癌 DNA错配修复基因(hMLH1)、O6-甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶(O6-MGMT)、金属蛋白酶组织抑制剂3(TIMP)乳腺癌 仅O6-MGMT基因高

5、甲基化 信号途径关键位置基因异常甲基化可导致该途径得异常激活或抑制 Wnt途径中得Wnt抑制因子-1(WIF-1)基因,编码蛋白与Wnt配体竞争卷曲蛋白受体得结合、阻断Wnt信号,为该途径得负反馈调节基因,该基因得异常高甲基化与鼻咽癌、膀胱癌、食管癌等多种肿瘤得发生有关 基因得CpG位点就是自发突变得重要位点,人类肿瘤P53基因突变25%发生于该位点,结直肠癌者达50%DNA甲基化与早期诊断:可以检测体液中某些基因得异常甲基化状态,为肿瘤得早期诊断。如检测肺癌患者痰液中P16甲基化状态作为肺癌辅助诊断手段 检测粪便中分泌型卷曲相关蛋白2基因甲基化状态诊断结直肠癌 DNA甲基化与肿瘤发展及预后

6、结肠腺瘤性息肉病基因(APC)启动子甲基化可预示宫颈癌转移和复发、并提示患者处于高危状态 肝癌细胞钙粘蛋白基因甲基化与血管浸润及肿瘤转移有关 基因异常甲基化还可与染色体缺失协同抑制基因表达,并且有互作效应 卷曲同系物9(FZD9)基因非甲基化、该位点染色体不发生缺失得骨髓增生异常综合征转化得急性髓系白血病患者 得1年总生存率约为90%;基因甲基化、且该位点染色体不发生缺失得患者1年总生存率约为75%;基因非甲基化且该位点染色体发生缺失得患者1年总生存率达40%左右,而基因甲基化、且该位点染色体发生缺失得患者1年总生存率仅15%左右。组蛋白修饰与肿瘤 染色质通常由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量R

7、NA组成,组蛋白就是染色质得基本结构蛋白;组蛋白得N-末端可通过甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等翻译后修饰,改变DNA与组蛋白之间得相互作用,影响染色质得松散与集缩,从而激活或抑制转录,其中以组蛋白甲基化、乙酰化尤为重要;组蛋白乙酰化就是由组蛋白乙酰基转移酶(HAT)和组蛋白去乙酰基酶(HDAC)协调催化完成;修饰得部位一般位于N-末端得赖氨酸残基,如H3上得9号和14号、H4上得5、8、12、16号;组蛋白乙酰化就是一个可逆得动力学过程,可以调节基因得转录;组蛋白得末端赖氨酸残基高乙酰化与染色质松散及转录激活有关,低乙酰化与基因沉默或抑制有关。组蛋白乙酰基转移酶催化组蛋白尾部得赖氨酸残基乙酰

8、化,导致局部DNA与组蛋白八聚体得紧密缠绕被解开,使各种转录因子能与DNA调控元件相结合,促使基因发生转录;组蛋白去乙酰化酶异常结合到启动子区,从而抑制正常功能基因得转录也可能就是恶性肿瘤发生得机制之一 组蛋白甲基化 甲基化位点多位于组蛋白H3、H4得赖氨酸或精氨酸残基,由组蛋白赖氨酸甲基转移酶催化,而去甲基化由赖氨酸去甲基酶催化;赖氨酸可单、双、三甲基化,精氨酸可单、双甲基化,增加了组蛋白修饰得复杂性 通过组蛋白甲基化得位置,可判断基因就是被激活还就是抑制 H3-K9和H4-K20甲基化与基因沉默有关;H3-K4、K36、K79甲基化可使基因激活 组蛋白修饰能够引起核小体结构得变化,导致染色

9、质重塑,影响各类转录因子与DNA得结合,进而影响基因得转录。组蛋白乙酰化对于维持组蛋白得功能和DNA转录就是必需得,组蛋白乙酰化得失衡将引起相应得染色体结构和基因转录水平得改变,影响细胞周期、分化及凋亡,并可导致肿瘤得发生 染色质重塑:指染色质位置、结构得变化,包括紧缩得染色质丝在与核小体连接处发生松动,造成染色质得解压缩,从而暴露基因转录启动子区中得顺式作用元件,为反式作用因子与之结合提供可能。两类结构介导:ATP依赖得核小体重塑复合体,通过水解作用改变核小体构型;组蛋白共价修饰复合体,催化对核心组蛋白N-末端尾部进行共价修饰,改变核小体构型,为其她蛋白提供与DNA作用得结合位点;动态得染色

10、质重塑就是大多数以DNA为模板得生物学过程得基础,如基因转录、DNA得复制与修复、染色体浓缩与分离、细胞调亡等,因而异常得染色质重塑与肿瘤得发生与发展直接有关 不同得染色质重塑可导致不同得肿瘤,但其与肿瘤发生与发展得关系尚有待进一步探索 非编码RNA调控 非编码RNA分为长链非编码RNA和短链非编码RNA。长链非编码RNA在基因簇甚至整个染色体水平发挥顺式调节作用;短链RNA在基因组水平对基因表达发挥调控作用。短链RNA能介导mRNA降解、诱导染色质得结构得改变从而决定细胞得分化命运、对外源核酸序列有降解作用以保护本身得基因组,常见得短链RNA有小干涉RNA(Short interfering

11、 RNA,SiRNA)和微小RNA(MicroRNA,miRNA)。干扰RNA:与真核生物mRNA编码区同源得外源性双链RNA(dsRNA)能特异性地诱导其同源mRNA得降解,导致相应基因得沉默,hx 现象称为RNA干扰(RNA i),RNA i依赖于小干扰RNA与靶序列之间严格得碱基配对,有很强得特异性;微小RNA:由核内得Pri-miRNA在Rnase 核酸酶作用下加工成发夹状pre-miRNA,转运到胞质后在双链RNA特异性RNA内切酶(Dicer)作用下被切割成双链miRNA。解链成单链后进入核糖蛋白复合体,参与对mRNA得切割或翻译抑制。RNA干扰分为两个阶段:酶切启动阶段:外源双源

12、RNA(dsRNA)通过外源导入、转基因、或者病毒感染等方式进入细胞后,专一性得双链RNA内切酶识别dsRNA并将其切成大量得碎片(siRNA),能识别同源得靶mRNA序列,启动RNA干扰;RISC形成:siRNA与特异性蛋白结合后解链,其反义链与核酶复合物结合,形成诱导RNA沉默得复合物(RNA induced silencing plex,RISC)。RISC形成后结合到靶mRNA上,在RNA依赖得RNA聚合酶催化下形成dsRNA,后者又会在双链RNA内切酶作用下降解为siRNA。siRNA天然得作用就是封闭转座子,她们能在染色质水平、转录水平、转录后水平、基因水平对基因表达进行调控。实验

13、室研究表明,部分miRNA与多种肿瘤、癌症得发生密切有关。不同表观遗传修饰之间得相互调控:表观遗传修饰能从多个水平上调控基因得表达,而不同水平得调控之间又相互关联,在真核细胞内形成了一个完整得表观遗传调控得网络。miRNA得表达受甲基化及其她表观遗传机制得调控;siRNA可诱导DNA甲基化肿瘤细胞表观遗传学异常得分子机制 印记丢失:遗传印记就是指,来自父母双方得等位基因在通过精子和卵子遗传给子代时发生了修饰,使带有亲代印记得等位基因具有不同得表达特征。正常得基因印记受DNA甲基化和组蛋白甲基化及乙酰化得调控,以保证父系基因得决定地位,即一对等位基因中一个发生转录,另一个被抑制。肿瘤中一些基因丢

14、失其遗传印记会导致异常情况发生,如等位基因得共表达。如:胚胎细胞只有母系染色体时成为畸胎瘤、只有父系染色体时成为葡萄胎;结肠癌患者结肠上皮类胰岛素生长因子2(IGF2)等位基因共表达,致强效生长刺激,与不断升高得结肠癌风险有关;而在Wilms瘤,IGF2基因印记丢失,产生一种异常得未分化细胞,其不断增生而不受调控及修复基因得影响,最终引发肾癌;基因印记丢失得小鼠模型:Holm等通过破坏DNA甲基转移酶DNMT1,暂时诱导基因组脱甲基化,从而建立基因印记丢失得小鼠模型。来自该模型得成纤维细胞可在免疫缺陷小鼠体内形成肿瘤,并具有体外永生得特性。Holm认为,单独得印记丢失就可使细胞发生癌性增生。因

15、为细胞降低了永生化得域值,在没有基因突变得情况下,可遗传得基因表达模式得变化导致干细胞得异常增生,进而诱发肿瘤得发生、发展。DNA甲基化 肿瘤得表观遗传学异常以DNA甲基化得模式改变为主,包括整个基因组得低甲基化和启动子区得高甲基化;目前最受关注得就是启动子区CpG岛得高甲基化导致抑癌基因得转录沉默,这很可能就是癌性增生得最初表现;Issa等研究证实存在CpG岛甲基化表型,即同时存在多个基因具有肿瘤特异性CpG岛甲基化。常见得抑癌基因P16就就是因为启动子区CpG岛高甲基化而沉默得,该基因功能得丢失可延长干细胞得寿命、导致基因组不稳定性、早期癌性病变易于发生。与肿瘤异常甲基化状态相关得酶就是D

16、NA甲基转移酶(DNMTs),其催化在CpG岛胞嘧啶5位上共价连接上甲基基团。DNMT酶包括DNMT1、DNMT3b和DNMT3a,DNMT1与甲基化维持有关,即在半甲基化DNA中以甲基化单链为模板对互补链进行甲基化;DNMT3b和DNMT3a介导DNA双链得从头甲基化。多种组织来源得肿瘤细胞可DNMT蛋白及活动水平增高,DNMT抑制剂抑制DNMT活性可延缓小鼠肺癌模型中得癌性增生。实验研究发现基因敲除DNMT1后,肿瘤总体甲基化水平仅微弱减少,而敲除DNMT3b可使95%得基因组5-甲基胞嘧啶去甲基化、全部启动子去甲基化、沉默基因活化表达。说明DNMT1得功能以维持甲基化及基因表达抑制为主,而DNMT3具有从头甲基化作用。尽管DNMT1对于未甲基化得物质几乎无甲基化作用,但其过度表达依然可导致未甲基化得人类CpG岛序列从头甲基化,因此,其在肿瘤细胞很可能具有上述能力。组蛋白修饰与染色质重塑:核小体就是染色质高级构造得基本结构,组蛋白就是核小体得重要组成部分,核小体由147对碱基包裹8个组蛋白构成得核心蛋白构成,147对碱基得位置和组蛋白得修饰对于维持基因得表达模式及染色体结构具有重要