重新DNA甲基化转移酶：致癌因子，抑癌因子，或两者都是？外文翻译资料

 2022-09-15 14:54:38

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重新DNA甲基化转移酶：致癌因子，抑癌因子，或两者都是？

抑癌基因的异常启动子甲基化是癌症的一个标志。这一变化很大程度上取决于癌变过程早期重新DNA甲基化转移酶的作用，这可以支持这些酶的致癌作用。然而，最近的研究已经确定了在多种肿瘤类型中的几种重新DNA甲基化转移酶的失活突变。另外，也已知道在肿瘤早期源头DNA甲基化活性的缺失导致特定原癌基因的启动子DNA甲基化依赖性表达。这些数据支持源头DNMTS在维持DNA甲基化中也有重要作用，而且指出，在除了充当致癌因子以外，它们也表现为抑癌因子。这一潜在的双重作用可能具有临床意义，因为最近DNMTS被认为是肿瘤治疗中真正的目标。

表观遗传学和基因组DNA甲基化

表观遗传学是指不改变DNA序列的影响基因表达和基因稳定性的遗传上的可逆的修改。DNA甲基化和蛋白质的翻译后修饰是最广泛表征的表观遗传机制，尽管ATP依赖的染色质重塑复合物，尤其是PcG组蛋白和Trithorax组蛋白，还有miRNAs是近几年研究的热门主题。癌细胞的一种标志是异常的表观遗传模式，因此，表观遗传学是癌症研究中的一种新的分子标尺。

基因组DNA甲基化通过嘧啶环的S-腺苷甲硫氨酸向C5胞嘧啶碱基的共价甲基组转移而发生的。在哺乳动物中，胞嘧啶易受甲基化组成部分胞嘧啶-鸟嘌呤（CPG）二核苷酸。它们通常聚集在某些区域，称为“CPG群岛”，位于大约60%基因的启动子区域，这表明DNA甲基化对基因的表达调控有重要作用。事实上，在启动子区CPG群甲基化与基因沉默相关。最近的研究也显示CPG岛岸（含有比CPG岛小的CPG密度的调控序列，通常距离CPG岛2Kb以上）的甲基化也和基因的表达相关。人类中大部分CPG岛是未甲基化的，除了在那些受到基因组印记的，染色体失活的，或者组织特异性表达的基因中的。相反的，位于重复序列，或者是转座子元件，间隔区和基因体的CPG通常是甲基化的。低CPG密度的基因启动子甲基化程度通常是细胞或组织类型相关的。与健康的相比，肿瘤细胞中这些DNA的甲基化经常被打乱：总DNA甲基化水平降低并且伴随着特殊基因启动子的CPG岛的超甲基化和非CPG岛的超甲基化。

DNA甲基化的建立和维持

DNA甲基化是由一个被称为DNMTs的酶家族所介导的。哺乳动物中有三种已知的活性DNMTs：DNMT1,DNMT3B,DNMT3A.由于对半甲基化的强烈偏好，在复制后DNMT1保留DNA甲基化的模式已被广泛认可，并且它一直被认为是一种维持酶。相比之下，DNMT3A和DNMT3B已被证明对胚胎发展时期新的DNA甲基化模式建立的至关重要性。事实上，新的DNMTs在胚胎发展时期高度表达，并且要比在成人组织内的水平低很多。然而，有证据表明新的DNMTs在维持DNA甲基化中也起着重要作用。例如，在人的结肠癌细胞中DNMT1和DNMT3B的结合遗传缺失导致了比单独的DNMT1或DNMT3B缺失更为突出的DNA甲基化损失，即使进一步的工作表明，DNMT1的基因缺失在这项研究中是不完整的。完整的基因缺失或RNA干扰介导的DNMT1抑制作用揭示了DNA甲基化维持中甲基转移的一个重要作用。然而，在随RNA干扰介导的DNMT1消耗，DNMT3B和DNMT1的双RNA干扰实验后的特定序列的DNA甲基化维持支持这个一个观点：除了DNMT1以外，还有其它的甲基化转移酶对DNA甲基化维持起作用。与此观点一致的，DNMT1不能维持小鼠胚胎干细胞特定重复序列的甲基化，并且DNMT3A或者DNMT3B与DNMT1的一起出现是准确维持这些区域甲基化不可或缺的，对于单拷贝基因来说也一样。对DNMT1或DNMT3s缺陷的小鼠胚胎干细胞基因组甲基化的分析证实这两种类型的DNA甲基化酶间的合作关系，并且表明DNMT3s在CPG岛中起着比在重复序列区更重要的作用。有趣的是，在DNMT1缺失的情况下，DNMT3A和DNMT3B不能有效的重新甲基化DNA，这与其它报告表明的DNMT1也与重新甲基化有关是相一致的。因此，虽然DNMT1似乎是对甲基化维持更重要，而DNMT3s主要是涉及重新甲基化，但是两者合作才能建立和维持细胞的甲基化模式。

癌症中的异常甲基化：DNMTs的作用

肿瘤抑制基因的异常DNA启动子超甲基化是癌症的一种标志，因此，重新DNMTs作为促进肿瘤的因子被提出。早期的工作表明，重新DNMT DNMT3B在几种肿瘤中过度表达，也表明它的过度表达与肿瘤产生和CPG岛的甲基化表型（CIMP)有关，这是某些肿瘤内部通过特定基因群组持续增加的甲基化来定义的一种现象。DNMT3s的这种作用被最近的研究所支持，其中一个显示同源B3介导的DNMT3B基因表达直接导致肺癌中肿瘤抑制基因RASSF1的启动子的甲基依赖性表达。对人类肺癌，乳腺癌，结肠癌和膀胱癌细胞的繁殖和存活来说，DNMT3B基因是不可或缺的，并且在肺癌中，导致了由SV40T抗原引起的恶性转化。另外，在从免疫缺陷，着丝粒不稳定和表面异常的患者那取得的样品中，全基因组的亚硫酸氢盐测序确定了全DNA甲基化的损失和DNMT3B基因的缺失有关，这可以解释染色体的不稳定并能导致癌变。而且，DNMT3A基因的抑制通过恢复PTEN基因的表达来重整涉及免疫应答和阻遏细胞增殖的基因，PTEN基因扮演着一个肿瘤抑制因子的角色，通过抑制与磷脂肌醇3-激酶（PI3K)相关的信号通路，并且参与各种细胞过程，包括增殖，细胞存活与凋亡。

尽管上面提到的研究明确指出重新DNMTs在癌症中的致癌作用，但是这些基因中基因改变的发现表明它们在癌症中的作用比先前预想的更复杂。据最近报道，一些人类胰腺癌和乳腺癌细胞中包含了一个DNMT3B基因的扩增，并且伴随着它的mRNA和蛋白质的超表达。有意思的是，其他的研究确定了与急性髓性白血病（AML)患者关联度不高的DNMT3A突变的极易复发性。然而，这些突变的功能性影响依然知之甚少。这些研究展示出的结果之一就是DNMT3A突变和独立于患者年龄，其它癌症的出现和DNMT3A突变的基因上的位置的不良结果和整体存活率相关。相比之下，另一项研究发现，整体存活率取决于突变的位置和患者的年龄。但是，有可能这两组间的差异分析，比如说患者的数量和患者的年龄，患者所患的癌症的类型，患者所接受的治疗，还有细胞遗传学和分子标记的不同，都可以解释这些差异。

虽然DNMT3A突变的下游分子机制仍然是个未知数，但是最近有数据表明，在AML中，DNMT3A突变影响了HOXA基因的DNA甲基化和基因的表达，这已经被报道对AML的发病机制有重要作用。

除了重新DNMTs的失活突变以外，四种最近出版的科学杂志已表明，这些酶也能阻止癌变的发生。使用一个条件型的小鼠突变模型，其中肺癌的发生是在K-rasLSL-G12D突变体小鼠体内介导发生的，已经确定DNMT3B的显著缺乏促进了肿瘤的生长和发展，但并不是由其引发了。有意思的是，在这同一个群体早期的工作中，对ApcMin/-小鼠使用了条件性DNMT3B基因敲除，结果表明甲基化转移和从微腺瘤形成和宏观结肠癌肿瘤的生长之间的过渡期有关，但是在这个过渡出现后，它对于维持肿瘤生长是非必须的。另一个研究表明，MYC-介导的淋巴瘤模型小鼠的T细胞条件型DNMT3B基因的敲除增加了细胞的增殖。这个模型中DNMT3B基因的抗肿瘤作用被表明是由它自己的维持假定MENT癌基因的DNA甲基化关联性阻遏这个作用来介导的。其它结果表明，骨髓增生性白血病病毒癌基因（MPL），该基因经常在AML患者体内过度表达，并且是由DNMTs的缺失引起的低甲基化来激活的。为对此进行检测，我们用氢醌（HQ）处理TK6人淋巴母细胞，氢醌是苯系派生物，并且和AML疾病有关联。研究表明，HQ诱发DNMTs下调，导致藉由低甲基化引起的MPL的激活，从而说明了苯对AML发展的作用。最后，最近有报道说人类结肠癌细胞中的DNMT3B基因经常被其远端启动子区的异常DNA超甲基化所阻遏。此外，利用全基因组启动子甲基化分析，显示出这种下调和高甲基化水平还有像FURIN这样的癌基因的基因阻遏有关。总的来说，这些研究表明新的DNMTs的表达通过特殊癌基因的DNA甲基化依赖性阻遏来抑制肿瘤的生长和发展。

DNMT抑制剂及其在癌症的作用

DNA甲基化已经成为抗癌疗法的一个重要靶位，因为癌症细胞的的DNA甲基化是和健康细胞的DNA甲基化有区别的。对比在恶性肿瘤中看到的基因缺陷，DNA甲基化很容易在DNMTs抑制剂存在的情况下逆转（DNMTi）。在肿瘤发展过程中，各种各样的分子路线都是和DNA的甲基化异常有联系的。因此，似乎可以很明显的看出DNMTi可以具有多效性。DNMTi的使用是为了找到并恢复肿瘤抑制基因的表达，这些基因通常会被癌细胞中的启动子超甲基化所沉默。为此，胞苷类似物，如5-氮胞苷（5-氮杂CR）和5-氮杂-20-脱氧胞苷（5-氮杂胞苷），已有效地用于针对骨髓增生异常综合征，AML，和慢性髓细胞性白血病。但是，少有关于DNMTi的作用被报道用于实体肿瘤治疗的证据。最近的研究数据表明位于非CPG岛区的CPG二核苷酸相比于其它基因区域来说对5-氮杂胞苷诱导的去甲基化更为敏感，可能是因为基因区域都和其它蛋白质相连，这封锁了通往DNA的道路。因此，DNMTi可以促进整体DNA的去甲基化并且增加基因的稳定性，是癌症的额另一种后生标志。结合DNMTi后可以诱导原癌基因的再表达，这就引起对使用5-aza-CR和5-aza-CdR的潜在关注。例如，对大鼠的长期5-aza-CdR处理诱导了DNA甲基化的损失，不仅在重复序列，在特殊的基因启动子也是如此，比如说性别决定区域Y-box2(Sox2)和中期因子（Mdk)，这最终能导致肿瘤的发生率增加；不幸的是，这个结果也已经在小鼠和人类癌细胞系中发现。

在个体对DNMTi的肿瘤特异性应答背后的分子机制依然有很大一部分是未知的。一种可能性是，这种应答取决于特殊DNMTs的表达。事实上，已经提出DNMT1功能的抑制是一种主要方式，通过这种方式5-aza-CdR重新激活HCT116结肠癌细胞系中的细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂2A（CDKN2A)的表达。相比之下，新的DNMTS,DNMT3A和DNMT3B，已被展示用来介导胚胎干细胞中的5-aza-CdR的主要毒性作用。最近发现，当结肠癌细胞中DNMT3B被它自己的基因启动子的异常超甲基化抑制后，脱甲基化药物可诱导其激活，并且这个过程增加了像FURIN这样的癌基因的甲基化依赖性抑制。这个过程可能是另一种机制，通过这种机制去甲基化药物能发挥它们的抗肿瘤作用并且能解释它们中一些在癌细胞中的多效作用。总的来说，这些结果表明肿瘤对DNMTi的应答取决于DNMTs的表达水平并且表明使用这些药品的临床试验应该把这点考虑进去。

结束语

DNA甲基化的建立和维持是由新的甲基化转移酶，新的甲基化转移酶1型，新的甲基化转移酶3A型，新的甲基化转移酶3B型所介导的。早已认可从头甲基化转移酶1负责体细胞甲基化的维持，而从头甲基化转移酶3A和从头甲基化转移酶3B在胚胎发育时期的特殊DNA甲基化模式的建立中起作用。然而，进一步的研究表明，这两种类型的酶在DNA甲基化的维持中协作起作用。这里讨论的新的研究支持后者的可能性，因为他们表露出DNMT3s和癌细胞中的特殊癌基因的甲基化依赖性抑制有关。因此，使用术语“de novo”和“maintenace”专指DNA甲基化过程而非DNMTs是更准确的。此外，这些新的研究表明，虽然活性DNMT3S由于在癌化过程中它们对肿瘤抑制基因的异常启动子超甲基化的作用而被认为是典型的癌基因，但是它们在中晚期癌症时期也能充当肿瘤抑制因子。因此，癌症中从头DNMTs的功能的当前定位应该被重新考虑，并且它们作为癌症抑制因子的潜在作用应该仔细斟酌一下，特别是当这些酶被去甲基化药物所针对的时候。

BOX.1 哺乳动物从头甲基化转移酶

在哺乳动物中，CpG甲基化是由一个被称为从头甲基化转移酶的蛋白质家族催化的。基于序列同源性标准，这个家族最初被提到由五名成员组成（DNMT1,DNMT3A,DNMT3B,DNMT3L和DNMT2)。后来，DNMT2展示出了对RNA的可甲基化而非DNA。DNMT1，或者说维持甲基化转移酶，优先甲基化半甲基化的脱氧核糖核酸。DNMT3A和DNMT3B都被当作从头甲基化转移酶，因为它们能作用于未甲基化的DNA。然而，它们也展示出了能甲基化已经半甲基化的DNA。DNMA3L似乎没有甲基化转移酶的活性。在整个癌基因发展过程中，DNMT1广泛并且持续的表达，而DNMT3A和DNMT3B则主要在胚胎发育时期表达。DNMT1主要负责体细胞的DNA甲基化维持，而DNMT3A和DNMT3B是在早期发展中对DNA甲基化模式的建立有重要作用。主动的甲基化转移酶们共用一个在其羧基端的保守的催化结构域，并且在氨基末端具有多个可变调节域。除了它们能将甲基转移到DNA上的能力，DNMTs能相互作用，通过被甲基化结合蛋白装饰的特殊调整结构域，像甲基CPG结合蛋白2型（MeCP2)和另外的共同抑制，诸如脱乙酰组蛋白，这最终导致转录沉默。

图1.哺乳动物DNMT1,DNMT3A,DNMT3B和DNMT3L的示意图。简称：ADD.组蛋白相互作用域；BAH.溴相邻同源结构域；CXXC.富含半胱氨酸的锌结合修饰域；NLS.核定位信号；PWWP.高保守性的脯氨酸-色氨酸-色氨酸-脯氨酸修饰域。

BOX.2 癌细胞中的异常基因组DNA甲基化

在哺乳动物初中，基因组DNA甲基化主要发生在后跟鸟嘌呤的胞嘧啶（CPG二核苷酸）的C5位置上。CPG位点在基因组中的分布不是随机的。它们在重复序列和CPG岛富集，这些都是比统计学预期高的CPG密度的GC富集基因组区域。大约60%的基因的转录起始位点周围有CPG岛。健康细胞中这些CPG岛通常是未甲基化的；然而，在CPG岛启动子外围，大部分（80%）的CPG岛都是甲基化的。在癌细胞中，基因组DNA甲基化是在不同的水平改变的。最表征上的改变就是肿瘤抑制基因的异常超甲基化。异常超甲基化一般发生在CPG岛内包含的基因的启动子区，通常与基因抑制相关。取决于肿瘤类型，超甲基化依赖性基因抑制子已经被报出能影

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