(1.1.4)--表观遗传学在恶性肿瘤发生发展和治疗中的新进展.pdf
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1、91中国肺癌杂志2020年2月第23卷第2期Chin J Lung Cancer,February 2020,Vol.23,No.2 综述表观遗传学在恶性肿瘤发生发展和治疗中的新进展【摘要】表观遗传学修饰与肿瘤的发生发展密切相关,其主要通过DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控和染色质结构重构等方式对基因功能和表达水平进行调控,从而影响肿瘤的进展。目前针对表观遗传学的药物已经逐渐应用于恶性肿瘤的治疗,常见的药物类型包括DNA甲基转移酶抑制剂和组蛋白去乙酰化酶抑制剂,但此类药物仍存在诸多不足之处广泛的临床应用仍需要进一步的研究,令人鼓舞的是表观遗传药物与多种抗肿瘤药物联合应用已表现出巨大的应
2、用潜力。本文就表观遗传学在恶性肿瘤的发生发展机制和相关药物的新进展进行了综述。【关键词】肿瘤;表观遗传学;表观遗传治疗;联合用药Research Progress of Epigenetics in Pathogenesis and Treatment of Malignant Tumors Pan WANG,Honglin ZHAO,Fan REN,Qingchun ZHAO,Ruifeng SHI,Xingyu LIU,Jinghao LIU,Yongwen LI,Ying LI,Hongyu LIU,Jun CHENDepartment of Lung Cancer Surgery,Ti
3、anjin Medical University General Hospital,Tianjin Lung Cancer Institute,Tianjin Key Laboratory of lung Cancer Metastasis and Tumor Microenvironment,Tianjin 300052,China Corresponding author:Hongyu LIU,E-mail:;Jun CHEN,E-mail:【Abstract】Epigenetic modification is closely related to the occurrence and
4、development of tumors.It mainly regu-lates gene function and expression level through DNA methylation,histone modification,regulation of non-coding RNA and chromatin structure reconstruction.At present,epigenetic drugs have been gradually applied to the treatment of malignant tumors.Common drug type
5、s include:DNA methyltransferase inhibitors and histone deacetylase inhibitors.However,these drugs still have many shortcomings and a wide range of clinical applications need further research.Encouragingly,the epigen-etic drugs in combination with various anti-tumor drugs have shown great application
6、 potential.In this paper,we summarized the development mechanism of epigenetics in malignant tumors and the progress of related drugs.【Key words】Neoplasms;Epigenomics;Epigenetic therapy;Drug combinations DOI:10.3779/j.issn.1009-3419.2020.02.04作者单位:300052 天津,天津医科大学总医院肺部肿瘤外科(王攀,赵洪林,任凡,赵青春,施睿峰,刘兴雨,刘京豪,
7、陈军);天津市肺癌研究所,天津市肺癌转移与肿瘤微环境重点实验室(李永文,李颖,刘红雨,陈军)(通讯作者:刘红雨,E-mail:;陈军,E-mail:)在全球范围内,肺癌的发病率和死亡率仍占恶性肿瘤的首位,预计2018年将新增肺癌患者210万人,将有180万人因肺癌死亡,约占癌症死亡人数的18.4%1。在大多数类型的癌症中基因改变的频率通常很低2,3,但是在人类几乎所有癌症种类中表观遗传学的改变远远超过体细胞的基因突变4-6,表观遗传学是除DNA序列之外影响基因表达和细胞表型的重要因素,其影响因素包括在胞嘧啶残基上的DNA甲基化、在组蛋白尾上添加乙酰基和甲基、非编码RNA表达和染色质结构重构等7
8、,特别是DNA甲基化的研究较早且进展显著。此外,因为表观遗传具有可逆性的特点,所以针对表观遗传的药物为恶性肿瘤的治疗提供了新的方向和策略,目前常见的药物类型包括DNA甲基转移酶抑制剂和组蛋白去乙酰化酶抑制剂,并且表观遗传药物与多种抗肿瘤药物联合应用也具有广泛的应用前景。本文就表观遗传学在恶性肿瘤发生发展和治疗中的新进展进行综述。1 表观遗传学基础和在肿瘤中异常表现表观遗传学的主要研究内容包括:DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控和染色质结构重构。表观遗传的修饰在不改变DNA序列的同时能调控基因的表达和(或)转录从而影响胚胎发育、干细胞的分化、衰老和肿瘤发生中国肺癌杂志2020年2月第23
9、卷第2期Chin J Lung Cancer,February 2020,Vol.23,No.292等过程8。1.1 DNA甲基化 DNA甲基化是指在甲基转移酶(DNMT1、DNMT3A和DNMT3B)的催化下,将S腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine,SAM)提供的甲基转移到胞嘧啶5位的碳原子,形成5甲基胞嘧啶9。DNMT1主要是维持DNA甲基化,通过DNA复制将亲代甲基化DNA遗传到子代DNA。DNMT3A和DNMT3B能将未甲基化的CpG位点甲基化,这在胚胎发育和肿瘤发生中起着重要作用。DNMT2是一种tRNA甲基转移酶,而DNMT3L是在胚胎发育过程中协调DNMT3A
10、和DNMT3B的结构蛋白10。DNMT3C最近由Barau等11发现,主要涉及雄性生殖细胞系的反转录转座子启动子的甲基化。在肿瘤的发生过程中,启动子CpG岛胞嘧啶的异常高度甲基化和整体基因的低甲基化导致整个基因组的不稳定和基因表达谱改变,包括抑癌基因,内源性逆转录酶病毒和肿瘤抗原的沉默以及癌基因的表达上调12-15。最新研究表明肺癌患者不同强度的吸烟习惯与CpG位点基因甲基化有很强的相关性16。除肿瘤以外,DNA甲基化还与衰老相关性疾病,精神疾病和免疫系统疾病等相关17。肿瘤特异性甲基化的基因能在循环肿瘤细胞(circulating tumor cells,CTCs)、血液、尿液及其他体液中被
11、检测,因此常用于早期肿瘤的诊断和预后的研究。在结肠、前列腺、乳腺、肝脏肿瘤和白血病中也发现DNMT3A、DNMT3B和DNMT3L的含量常常升高18-23。研究表明DNMT3A的缺乏会引起部分基因的低甲基化并抑制白血病的转化24,但也有证据表明DNMT3A和DNMT3B是抑制淋巴系统恶性肿瘤的肿瘤抑制基因25。1.2 组蛋白修饰 组蛋白是由H1、H3、H2A、H2B和H4这5种类型的核心蛋白组成的高度保守的蛋白质,并与DNA共同构成核小体。组蛋白氨基末端会在翻译后被修饰,组蛋白修饰后的类型和DNA甲基化的程度将会决定特定的染色质结构26。组蛋白修饰包括磷酸化、甲基化、乙酰化、泛素化、糖基化、A
12、DP核糖基化、去氨基化、类泛素化和脯氨酸异构化等27。组蛋白尾部残端不同的修饰类型与特定蛋白相互作用,从而将染色质分为异染色质和常染色质26。组蛋白修饰不仅可逆性抑制或促进基因转录而且还可以影响 DNA 修复、复制、干细胞形成和细胞状态变化等过程28。研究表明H3K9ac、H3K9me3、H4K16ac水平降低与非小细胞肺癌和急性髓系白血病的复发相关29,组蛋白H3K4ac、H3K18ac和H3K27me3的修饰在口腔鳞癌的进展和预后中起重要作用,组蛋白甲基转移酶Suv39h、Ezh2、MLL、Nsd1、Riz与肿瘤相关,其中Ezh2过表达与乳腺癌、前列腺癌、多发性骨髓瘤和淋巴瘤密切相关30。
13、1.3 非编码RNA调控 非编码RNA(non-coding RNA,ncRNA)是指能被转录但不能翻译为蛋白质的功能性RNA,主要包括IncRNA、miRNA、circRNA、rRNA、tRNA、snRNA、snoRNA等。IncRNA参与许多重要生物学现象,例如印记基因组位点,形成染色体构象和变构调节酶活性31,32。IncRNA表达的特定模式能影响细胞状态、分化、发育和疾病33。miRNA不仅能在转录后水平抑制靶基因表达或诱导其降解和翻译抑制,而且在转录水平上与靶基因启动子形成互补序列从而导致基因沉默34,因此miRNA可诱导靶mRNA的双重抑制。circRNA由pre-mRNA中的外显
14、子反向剪切形成的单链环状RNA分子,circRNA可以通过滴定microRNA来调节转录和干扰剪切进一步影响基因表达35。一些circRNA能调控重要的肿瘤特性,包括肿瘤细胞的增殖、凋亡、转移、代谢、衰老和耐药性甚至与肿瘤患者的预后相关36-39。circRNA通常为低水平表达40,但最新研究发现数十种circRNA以细胞或组织特异性的方式高度表达41,42。尽管大多数环状RNA的功能尚不清楚,但其在基因调控中的重要作用正在被逐步证实35,43,44。最新的研究表明部分非编码RNA也能编码多肽,例如植物中的蒺藜状苜蓿的pri-miR171b和拟南芥的pri-miR165a能产生多肽,这些多肽能
15、增强相应的成熟miRNAs的产生,从而下调参与根部发育的靶基因的表达45。1.4 染色质结构重构 在DNA转录时染色质由紧密的超螺旋结构变构为开放式的疏松结构,这种不改变DNA碱基序列的结构改变称为染色质重塑。染色质重构与基因表达、凋亡、DNA复制和修复、以及肿瘤的发生密切相关46。其主要机制包括:ATP依赖的染色质重塑复合物、共价组蛋白修饰、组蛋白变异和DNA甲基化47。根据功能结构域的不同可以将ATP依赖的重塑复合物主要分为ISWI、SWI/SNF、INO80和CHD等亚家族48,49。ISWI复合物在核小体阵列和核小体自由区重塑从而调控基因表达50、异染色质的建立与复制51、DNA修复5
16、2以及rRNA基因表达的协调53。研究表明SWI/SNF家族复合物是肿瘤抑制因子而非致癌因子54,55,SWI/SNF家族复合物是在特定组织中产生特殊功能的广泛多样性的复合物。在对44项全基因组和外显子组测序报道的人类肿瘤中,哺乳动物的SWI/SNF复合物的大多数突变高于背景突变率,其突变率达到19.6%,广泛涉及实体和血液系统肿瘤,包括:卵巢透明细胞、胰腺、肾细胞、肝细胞、膀胱、胃、乳腺和血液恶性肿瘤,甚至在某些癌症中不止一个亚基突变56。INO80复合物能促93中国肺癌杂志2020年2月第23卷第2期Chin J Lung Cancer,February 2020,Vol.23,No.2进
17、DNA复制叉的稳定、DNA合成的恢复和DNA损伤的耐受,这些与复制叉上重构核小体有关。INO80复合物还参与端粒调节、着丝粒稳定性和染色体分离57。研究发现在前列腺癌中TP53位点的缺失与局部三维结构的改变和新的拓扑相关域边界形成相关58。2 表观遗传药物治疗进展与肿瘤的遗传因素相比,可逆的表观遗传变异可以通过化学药物调节,在癌症治疗中具有广泛的前景。目前针对表观遗传学的药物正在逐步被开发并用于肿瘤的治疗。主要包括:DNA甲基转移酶抑制剂、组蛋白去乙酰化酶抑制剂和联合用药。2.1 DNA甲基转移酶抑制剂(DNA methyltransferase inhibitors,DNMTis)核苷类抑制
18、剂:通过抑制DNMTs的活性来促进抑癌基因的表达从而减少肿瘤细胞的产生,所以DNMTs可以作为特异性抗肿瘤药物的有效靶点59,其主要包括核苷类和非核苷类60。核苷类抑制剂主要包括azacitidine(AZA)和decitabine。低剂量的azacitidine和decitabine可以诱导之前因甲基化而沉默的细胞周期蛋白再次活化从而诱导细胞分化,减少增殖和增加子代细胞的凋亡,高剂量用药可直接引起肿瘤细胞死亡61,62。低剂量的DNMTi能够在避免细胞毒性的同时实现全基因组的DNA甲基化和转录组的持续变化63。Azacitidine主要是通过核苷转运体进入哺乳动物的DNA和RNA中发挥作用,
19、与RNA相比其与DNA结合程度较低,但其对DNA的合成抑制作用远大于对RNA。而decitabine可被不同的激酶磷酸化并且仅存在于DNA中64。Azacitidine通过非竞争性抑制DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase 1,DNMT1)使胞嘧啶甲基化阻滞,从而导致甲基转移酶耗尽实现DNA的低甲基化,但对静止的不能分裂的细胞无效65,66。AZA最初用于治疗急性髓系白血病患者,在发现其在甲基化机制中的作用后被美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)批准用于治疗骨髓增生异常综合征(Myelodysplastic Syndr
20、omes,MDS)的一线药物67。Decitabine对肿瘤有双重作用,在高剂量是具有细胞毒性而低剂量时可有效绕过突变性凋亡缺陷68-70。在azacytidine对胃肠癌、肺癌、乳腺癌和黑色素瘤等实体肿瘤的研究中发现最好的用药效果往往不是使用最大量或者最大的耐受剂量71,72。考虑到azacitidine和decitabine的作用机制略有不同以及所涉及的不同的代谢活化途径,两种低甲基化剂之间不一定存在完全的交叉抗性。一种药物的失败可能不排除另一种药物的疗效73。Azacitidine和decitabine现已被FDA批准用于MDS和白血病的治疗74,其常见的副作用包括恶心、呕吐、腹泻甚至致
21、突变损伤71。现有的核苷类DNMT抑制剂的不足之处主要包括口服生物利用度低,稳定性差,而且药物毒副作用大,最常见的毒性反应是骨髓移植,主要表现为中性粒细胞减少症和血小板减少症,因此限制了其在恶性肿瘤中的应用75-77。核苷衍生物抑制剂:与恶性血液病相比,治疗实体瘤的难题之一就是实体瘤分裂细胞数量有限而且azacitidine和decitabine是S期特异性药物需要结合到DNA才能实现其表观遗传效应,另外这两种抑制剂的氮杂胞嘧啶环在水溶液中非常不稳定,甚至因对血清中的胞苷脱氨酶更敏感从而限制了其应用。既往研究发现在顺铂联合decitabine治疗非小细胞肺癌患者并不比单用顺铂有明显改善,预估其
22、客观疗效为15%,联合用药患者的生存期未超过1年,低于其他含顺铂的联合治疗78,因此更稳定的下一代甲基化抑制剂例如zebularine、S-110和NPEOC-DAC有望提高对肿瘤的疗效71。相比于核苷类,核苷衍生物抑制剂例如zebularine则具有更高的稳定性和更低的毒性79。Zebularine是一种缺乏4-氨基的胞苷,其不仅可以抑制DNA甲基化并重新激活沉默基因而且可以增强肿瘤细胞对化疗和放疗的敏感性、抑制细胞分裂和血管活性,其作用机制是通过稳定DNMTs与DNA的结合来阻止甲基化和抑制复合物解离并且其细胞毒性低所以可以长时间用药维持去甲基化的状态80。此外,胞苷类似物需要转化成5-a
23、za-2脱氧氮杂胞苷三磷酸才能与DNA结合而且是通过抑制甲基化的酶来调控新的细胞分裂从而稀释甲基化的DNA81,这就部分解释了为何甲基化抑制剂的临床效果常常有滞后性82加上其半衰期短,所以对于那些增殖性低的疾病可能会影响用药效果83。S-110是一种双核苷酸,由5-aza-2-脱氧胞苷和脱氧尿苷组成。可诱导p16表达并且抑制胞苷脱氧酶的脱氨作用而比5-aza-2-脱氧胞苷更稳定,是一种耐受性好、毒性小的新型药物84。非核苷类DNMT抑制剂:非核苷类DNMT抑制剂在白血病,前列腺和乳腺癌中表现出良好的抗肿瘤作用60,85。使用硅片筛选方法和甲基化抑制试验确定出一种新型的选择性非核苷DNMT1抑制
24、剂DC_05能显著抑制癌细胞增殖86。SGI-1027是一种喹诺酮类非核苷化合物,能快速诱导多种癌细胞中DNMT1蛋白酶的降解并诱导沉默的抑癌基因P16、MLH1和TIMP3的去甲基化和重新表达87。理论上讲长度为4个-8个核苷酸的中国肺癌杂志2020年2月第23卷第2期Chin J Lung Cancer,February 2020,Vol.23,No.294RNA分子可以充分地占据DNMT的催化区域而且不超过30个核苷酸的RNA使用更方便,因此针对DNMTs的小RNA抑制剂具有很好的应用前景。RNA抑制剂可以通过竞争性抑制来降低DNMT1的活性,miR-155-5p在人结直肠癌细胞系HCT
25、-116中可明显增加基因组的低甲基化,免疫共沉淀实验进一步证实了miR-155-5p能与HCT细胞中的DNMT1结合从而抑制酶的活性86。小干扰RNA是一种具有显著基因调控的效率的非编码RNA,能有效治疗感染和癌症等多种疾病88,siRNA通过转录后水平激活RNA诱导的沉默复合物直接诱导靶基因沉默。由腺病毒复制表达的干扰性长链非编码RNAs(long noncoding RNAs,lncRNAs)与肿瘤相关的内源性microRNAs oncogenic miRNAs(OncomiR)的靶基因竞争性结合OncomiR并消耗OncomiRs,从而保护大量抑癌基因不被OncomiRs抑制,从而实现对
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- 1.1 表观 遗传学 恶性肿瘤 发生 发展 治疗 中的 进展
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