表观遗传调节与肿瘤产生的积极分子机制,地教育学家判别出一条人膀胱癌干细胞干性维持的新通路

中国科学院微生物研究所温廷益研究组和中国科学院生物物理研究所副研究员李翀等通过合作鉴定了人膀胱癌干细胞一条新的干性维持通路——KMT1A-GATA3-STAT3信号通路。机制研究表明,KMT1A蛋白通过其甲基转移酶活性,直接催化GATA3基因启动子区域(-1351~-1172)的组蛋白H3第9位赖氨酸进行三甲基化修饰,从而阻遏其转录;而GATA3蛋白能够直接与STAT3基因的启动子区域(-1710~-1530)结合,并阻遏其转录。因此,组蛋白甲基转移酶KMT1A介导的GATA3基因的转录阻遏,促进了STAT3的表达上调和磷酸化激活,最终实现了膀胱癌干细胞的干性维持。

对于SFRP和HIC1基因沉默的研究表明,表观遗传的改变在肿瘤发生过程中的作用包括两个方面。其一,表观遗传改变引起的基因沉默发生于肿瘤形成的早期(可能是干/祖细胞异常扩增阶段)。基因沉默使干细胞易于形成异常的克隆性扩增。在这一模型中,慢性炎症(伴随活性氧等有害物质产生)等促进肿瘤形成的致病因素引起强烈的细胞更新,用以修复组织。在更新过程中,表观遗传事件的发生导致某些基因转录抑制,由此异常地激活或抑制细胞信号通路,引起干/祖细胞扩增。干/祖细胞异常扩增以正常细胞失去分化和成熟能力为代价的。其二,表观遗传改变引起的基因沉默与肿瘤的恶化相关。肿瘤恶化不仅依赖于遗传突变,还依赖于表观遗传改变的积累。这些表观遗传改变不仅在上皮细胞中持续发生,而且基质细胞也同时发生表观遗传改变。在肿瘤形成中,基质细胞的作用显得越来越重要。
在肿瘤发生过程中表观遗传异常作用与遗传异常作用同样重要,表观遗传异常使得肿瘤细胞依赖于异常的信号途径,因此它对于将来设计干预和治疗肿瘤的方法至关重要。很显然在体内遗传改变的逆转是很难实现的,但是表观遗传改变却能够被逆转。引起染色质变化的表观遗传改变,如启动子甲基化和组蛋白修饰引起转录水平异常,很可能是潜在的药物靶点,因为表观遗传沉默的基因可以被诱导重新表达。目前,能诱导沉默基因重新表达的药物已在测试中,比如DNA去甲基化药物和组蛋白去乙酰化酶抑制剂。被美国FDA批准的去甲基化药物5-aza-cytidine,对于白血病综合症前期脊髓发育不良的患者的恶性转化具有惊人的治疗和干预效果。

该研究首次揭示了KMT1A-GATA3-STAT3信号通路促进膀胱癌干细胞自我更新的机制。与膀胱癌非干细胞和癌旁组织相比,组蛋白甲基转移酶KMT1A在膀胱癌干细胞中的高表达具有特异性。因而KMT1A可以作为首个膀胱癌干细胞特异的标志物,在膀胱癌干细胞的鉴定和膀胱癌的靶向治疗中具有广阔的应用前景。此外,该发现在分子水平加深了对膀胱癌干细胞生理特征和膀胱癌发生的认识,为膀胱癌的药物筛选和靶向治疗提供了理论基础。

遗传改变和表观遗传改变哪个先发生?
最近研究表明,尽管表观遗传调控的基因沉默在肿瘤发展过程中的任何阶段均可发生,但是在肿瘤形成的早期发生最频繁,如癌前病变阶段。研究发现家族性遗传的Wilms肿瘤病人,因基因印记的改变引起表观遗传异常有可能引起肾细胞异常的早期扩增,这种情况同样出现于结肠癌和其他癌症的早期。基因沉默与早期肺癌和乳腺癌中p16表达下调及前列腺癌中谷光苷肽-S-转移酶-π1的表达下调相关,表观遗传基因沉默也与早期结肠癌一些基因的表达缺失相关。早期的表观遗传改变很有可能进一步促进细胞发生遗传异常,进一步加速了肿瘤的发展。例如,CDKN2A的沉默使得乳腺上皮细胞免于衰老,导致遗传的不稳定性以及肿瘤细胞的其他特性。而编码O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶的基因MGMT发生沉默,则使得细胞失去修复DNA鸟嘌呤核苷加合物的能力,从而出现特异性的遗传突变。
肿瘤细胞基因组研究表明表观遗传异常对于肿瘤的形成和发展有着重要的作用。这些研究表明,表观遗传的改变以及同遗传改变的相互作用使得肿瘤细胞依赖于各种致癌的信号途径,那么,仅仅通过表观遗传机制能否引起上述信号通路的异常?为了便于细胞克隆性扩增,转移前或者早期的肿瘤细胞是否因依赖于表观遗传调控引起某单一途径的失调,从而使肿瘤细胞避免正常的分化而进入异常增殖的状态?这种依赖性很有可能使得细胞内该信号途径获得后续突变,这又增加了细胞对异常信号途径的依赖性,最终导致了肿瘤的发展。另一种情况是,肿瘤细胞可能需要遗传和表观遗传同时发生改变而依赖信号途径异常。
Wnt途径异常的激活导致干细胞和祖细胞的扩增。在结肠癌中通常会发现肿瘤抑制基因APC发生突变而激活Wnt信号通路。目前认为在绝大多数的结直肠癌中,这些突变独自起作用就足以促使肿瘤的形成和发展。在培养的结肠肿瘤细胞中,通过恢复APC的功能而阻断Wnt信号途径的激活,便会导致细胞凋亡。肿瘤细胞依赖于单一的致癌基因调控的信号通路及对肿瘤抑制基因的失活表现出高敏感性,Weinstein认为上述的Wnt-APC信号途径就是一个重要的例证。
早期转移前的结肠肿瘤被称为异常隐窝病灶,有可能恶化成结肠癌。对这个阶段的肿瘤研究指出,在Wnt信号途径发生突变以前,表观遗传调控的机制有可能诱导了Wnt信号途径的激活。大多数ACF细胞中Wnt信号通路异常激活,但信号通路中的基因不发生突变,但是,这些细胞要发生恶化则需发生遗传改变。研究ACF细胞发现SFRP基因家族成员的启动子区域异常的甲基化。SFRP蛋白同frizzled蛋白有同源性,frizzled蛋白是Wnt信号蛋白的受体。SFRP在细胞膜上拮抗Wnt信号途径的激活。SFRP基因的启动子区域的甲基化不仅在ACFs细胞中检测到,而且在几乎所有的原位结肠癌细胞中都能检测到。并且,在SFRP基因沉默的结肠癌细胞中重新表达SFRP基因会阻断Wnt信号途径而引起细胞凋亡。重要的是,结肠癌细胞中Wnt信号通路下游的基因发生的失活突变和激活突变,被认为是结肠癌形成的原因。Wnt信号通路中的基因被称作“门控基因”(gatekeeper)。这些基因的失活被认为是结肠癌发生所必须的。图片 1

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通常认为肿瘤是由渐进性的遗传异常驱动的一种疾病,这些遗传异常包括肿瘤抑制基因与致癌基因突变和染色体异常。然而,肿瘤显然也是由表观遗传改变引起的一种疾病,表观遗传是指不引起基因序列改变的可遗传改变,这种改变影响基因表达的变化。表观遗传的变化包括DNA甲基化的丢失、获得,以及组蛋白修饰的改变。目前发现越来越多的肿瘤抑制基因和潜在的肿瘤抑制基因在转录水平上被抑制,这种抑制与DNA甲基化水平改变相关。通过这种沉默机制,肿瘤细胞中的肿瘤抑制基因的表达降低或者完全消除,这可能也是遗传变异的一种替代机制。

膀胱癌是泌尿系统最常见的恶性肿瘤,且极易复发,严重危害人类生命健康。我国的膀胱癌发病率为6.69/10万,在泌尿系统肿瘤中高居第一位;死亡率为2.53/10万,并呈逐年上升趋势。但临床上目前还没有针对膀胱癌预防和靶向治疗的有效策略。膀胱癌干细胞作为靶向治疗的最佳选择,具有自我更新、无限增殖和多向分化潜能,是膀胱肿瘤发生、发展、复发和转移的根源。但膀胱癌干细胞自我更新的分子机理仍不清楚。尽管转录因子GLI1、STAT3、BMI1和CTNNB1可能参与了膀胱癌干细胞的干性维持,但这些转录因子在正常膀胱干细胞中也具有重要的功能,不适合作为膀胱癌治疗的特异性靶点。因此,亟需阐明膀胱癌干细胞自我更新的新机制,寻找有效预防和靶向治疗膀胱癌的新型措施。

核心提示:
通常认为肿瘤是由渐进性的遗传异常驱动的一种疾病,这些遗传异常包括肿瘤抑

该研究进展已于近日在Clinical Cancer Research
在线发表,微生物所博士杨昭为该文的第一作者,温廷益和李翀为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金(81602644,81672956和81472413)和国家重大新药创制专项(2010ZX09401-403)的资助。

信号通路/功能 高甲基化的基因 突变基因 生物功能
Wnt信号通路 SFRP1、SFRP2、SFRP4、SFRP5 CTNNB1的激活性突变 激活Wnt信号通路、干/祖细胞扩增、细胞存活
错配修复 野生型MLH1等位基因 MLH1另一条等位基因 错配修复功能缺失
细胞周期调控 野生型CDKN2A等位基因 CDKN2A另一条等位基因 阻断cyclin D-RB1信号通路,导致细胞增殖
上皮细胞分化 GATA4、GATA5、TFF1、TFF2、INHA TGFBR2 缺失正常的分化功能
p53介导的DNA损伤应答 HIC1 不能对DNA损伤做出引起凋亡的应答
细胞侵袭 TIMP3 不能抑制基质金属蛋白酶活性,促进细胞侵袭转移

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图2
表观遗传调控HIC1基因的沉默和DNA损伤应答。当正常细胞面临压力时,例如DNA损伤,p53便被激活,导致HIC1(癌症高甲基化基因1)转录表达。HIC1抑制编码应激敏感蛋白SIRT1的基因转录,这就使p53保持在乙酰化的活性状态。然而,在癌症发生的早期,表观遗传调控HIC1失活导致SIRT1的高表达,SIRT1使p53去乙酰化并削弱其功能,最终削弱DNA损伤引起的凋亡。这就使得在DNA损伤及突变沉积的情况下,细胞也能够增殖,破坏了正常的细胞周期调控并促进了肿瘤的发生发展。

图:人膀胱癌干细胞KMT1A-GATA3-STAT3信号通路模型

  • 表观遗传调控的基因沉默是癌症中基因功能缺失的一个重要的机制,这种基因沉默与启动子甲基化的异常及转录抑制相关。
  • 表观遗传调控的基因沉默发生在人类肿瘤发生的早期,干扰或激活关键的信号通路。
  • 肿瘤早期发生的基因沉默事件,通过使关键的细胞信号通路改变,促使细胞发生异常的早期克隆性扩增。
  • 早期的基因沉默事件有可能诱导细胞依赖某一癌症相关细胞信号通路,并使得遗传变异在统一信号通路中累积,从而促使肿瘤的发生发展。

沉默的基因
肿瘤细胞基因组呈现出整体甲基化水平降低和基因启动子特异性的甲基化水平升高的状态。最近的一些综述针对甲基化水平升高如何调控转录水平上基因沉默的机制进行了讨论。目前还不清楚肿瘤恶化过程中基因组整体甲基化水平为何降低,但是整体甲基化水平降低可能会引起基因组不稳定、染色质结构改变以及一些基因表达上升。目前的研究主要集中在启动子的甲基化和随后的基因表达降低,这些变化对于肿瘤生物学的影响变得越来越明显。在肿瘤细胞中许多基因是由于表观遗传修饰而丧失功能,而不是通过遗传缺失。
在研究人结肠癌细胞株HCT116中发现,遗传改变和表观遗传调控的基因沉默共同决定了肿瘤细胞的表型。HCT116细胞中一些基因发生了突变,肿瘤抑制基因失活而致癌基因被激活,这就导致了关键的信号通路和细胞的功能发生紊乱。这些基因突变包括MLH1和p16蛋白的基因,其表达产物分别调控错配修复和cyclin
D-RB1控制的细胞周期途径。发生突变的基因还有转化生长因子βⅡ受体,该基因的突变导致影响细胞分化的信号通路失调。并且,HCT116细胞中还有一些基因因突变而激活,比如β-catenin,最终导致Wnt信号的持续激活和细胞增殖。
然而,除了这些特异性的基因突变,在这些细胞中还发现至少14个表观遗传调控沉默的基因。当用DNA去甲基化药物处理细胞或者沉默编码DNA甲基转移酶的基因后,受表观遗传调控沉默的基因又能够重新被激活。这些基因重新激活则导致细胞表型发生改变,包括减少增殖、诱导凋亡。此外,在HCT116细胞中MLH1和CDKN2A基因同时发生表观遗传异常和遗传异常。当细胞中这些基因的一个等位基因发生突变,那么野生型的等位基因则由于甲基化水平升高而沉默。因此,在肿瘤细胞中,遗传和表观遗传的改变共同阻止一些功能性的基因表达。
HCT116细胞中表观遗传和遗传改变共同发生作用的情况还出现在Wnt信号途径中。在Wnt信号通路中frizzled相关基因家族的四个成员(SFRP1、SFRP2、SFRP3和SFRP4)编码分泌型Wnt拮抗蛋白,在HCT116细胞中,这四个基因被表观遗传调控而沉默,导致Wnt信号异常激活,这一现象甚至在β-catenin发生激活性突变的细胞中发生。另外,编码转录因子GATA4和GATA5的基因以及它们下游的目标基因TFF1、TFF2、TFF3和inhibin-α发生沉默抑制内胚层来源的上皮细胞的成熟。此外,HCT116细胞中TIMP3(组织金属蛋白酶抑制因子3)发生沉默,其表达的蛋白功能缺失有可能增加细胞的迁移能力。
研究肿瘤细胞的表观遗传谱和遗传谱一样重要,它有助于我们理解不同的肿瘤细胞为何进化出不同表型。目前已经提出在结肠癌以及其他一些类型的癌症中细胞呈高甲基化的表型,其中一些特异的基因通过启动子的甲基化水平升高而发生沉默。这些改变使得细胞获得选择优势从而促使肿瘤生长和恶化。这一过程中涉及的机理有待进一步的阐释,但很可能涉及染色质的调控而引发了基因沉默。表1
结肠癌细胞中发生突变及高甲基化的基因列表*

概要

人们越来越清楚的认识到表观遗传改变对于肿瘤发生的重要性,该领域的研究已经从研究经典的肿瘤抑制基因沉默的影响发展到根据启动子区域是否高甲基化来寻找可能的肿瘤抑制基因,甚至已经开始研究肿瘤细胞整个基因组或者基因组上某一特定区域的甲基化和染色质状态的改变。最近的研究表明在肿瘤形成的早期,表观遗传的改变会引起癌前细胞的扩增。这部分细胞最先是发生表观遗传的改变,表观遗传的改变决定了随后的遗传改变,遗传改变则促使这些克隆恶变。基因组的甲基化模式已经用于肿瘤分型、肿瘤危险评估、早期检测、监控和诊断的标志以及评估肿瘤易感性或治疗后反应的指标。