DNA修复基因甲基化与肿瘤发生关系的研究进展

韦 晔，李建祥

(苏州大学医学部公共卫生学院卫生毒理教研室，江苏苏州215123)

是什么导致细胞组织发生癌变呢?自1989年癌基因发现以来，通常认为是突变的基因诱发了这一过程，这一理论揭示了癌症发生的部分分子机制。基因突变给肿瘤贴上了一张标签，可以通过对基因组的检测发现肿瘤［1］。而现在认为，肿瘤的发生既需要遗传学的改变如基因突变，也需要表观遗传修饰如甲基化。近十年来，CpG 岛异常甲基化所引起的基因功能的改变和表达沉默被认为是肿瘤发生和进展的又一个重要机制。

表观遗传修饰是指基于非基因序列改变所致基因表达水平的变化［2］，包括DNA 甲基化、组蛋白修饰、小RNA 干扰、染色质重塑等。现阶段研究的最多的就是DNA 甲基化。DNA 甲基化是指在DNA甲基转移酶(DNMTs)介导下，以S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体对5'CpG 二核苷酸序列的胞嘧啶碱基发生的甲基化共价修饰，能够改变基因构型，影响转录因子转录，从而影响该基因的表达。

DNA 损伤修复是生物体系中高度进化保守的生化代谢系统，在维系生物体的遗传或基因组稳定性中发挥重要作用。针对不同的损伤类型，细胞有DNA 损伤的直接修复、碱基切除修复、核苷酸切除修复、链断裂修复、错配修复等多种修复机制，任何修复机制缺陷都有可能导致细胞基因组的不稳定，促使细胞功能衰退或增加细胞恶性转化的风险。DNA 修复基因甲基化是造成基因表达下调，修复蛋白合成减少，DNA损伤修复障碍，最终导致肿瘤的一个重要原因［3］。目前研究较多的有MGMT、hMLH1、BRCA1 基因等。

1 MGMT 基因与肿瘤

环境中烷化剂所致的DNA 损伤是肿瘤发生的重要原因之一。O6甲基鸟嘌呤(O6-mG)是环境烷化剂如亚硝胺等引起的常见DNA 损伤，如果不被修复，在DNA 复制过程中O6-mG 可与胸腺嘧啶(T)错配，导致G:C-A:T 突变。机体对O6-mG 的修复主要依赖于 O6-甲基鸟嘌呤-DNA 甲基转移酶(MGMT)。食管癌组织DNA 中存在O6-mG，且36%的p53 基因突变为G:C-A:T。这些在食管癌发生和发展过程中出现的分子事件很可能与MGMT 基因失活有关。大约有30%的神经胶质瘤患者MGMT蛋白合成减少［4］，主要是由于基因的高甲基化而不是基因突变或缺失造成的。MGMT 与结直肠癌的发生也有着密不可分的关系，已有研究证实MGMT 基因多态性与结直肠癌发生的风险呈正相关［5］。MGMT基因甲基化可能是结直肠癌发生的易感因素和早期事件。一项涉及855 例结直肠癌患者的研究中，38%的患者MGMT 基因发生甲基化，37%的患者MGMT 蛋白未表达，MGMT 基因甲基化与MGMT蛋白未表达相关(P＜0.01)［6］。MGMT 基因表达沉默在多种肿瘤中都会发生，例如神经胶质瘤、淋巴瘤、乳腺癌、结直肠癌、肺癌和视网膜母细胞瘤等，由于MGMT 可以保护DNA 使其免受DNA 烷化剂等加合物的损伤，可以认为MGMT 基因甲基化是早期癌变发生的分子机制之一，但目前没有明确的证据可以证明MGMT 基因甲基化和癌变发生的时间顺序，或是MGMT 基因表达沉默与其他基因突变之间的关系［7］。

2 hMLH 基因与肿瘤

错配修复基因hMLH 可以消除DNA 复制过程中由于DNA 聚合酶滑移而引起的碱基错配和插入缺失突环的形成。微卫星序列是一段重复序列，很容易发生聚合酶滑移导致碱基错配继而在DNA 复制过程中引起重复序列的插入或缺失。因此研究微卫星不稳定与hMLH1 基因表达的关系就成了很多肿瘤尤其是食道肿瘤中的重点。对63 例食道癌患者(包括食道癌和癌前病变)和34 例食道炎性病变患者的研究发现，85.7%的食道癌和50%的癌前病变患者存在微卫星不稳定的同时伴随着hMLH1 基因甲基化(P＜0.01)。而在食道炎性病变患者中，没有1 例存在微卫星不稳定，但存在hMLH1 基因甲基化，提示hMLH1 基因甲基化导致微卫星不稳定性的发生，并促进了食道癌的发生［8］。对112 例诊断为同时患有结肠腺瘤和结肠腺癌患者的研究中发现，在腺瘤组织中，hMLH1 和hMSH2 发生甲基化的概率分别为1.8% 和8.0%，腺癌组织中分别为1.8% 和 13.4%，正常黏液组织中为 0% 和5.4%［9］。提示在结肠癌进展过程中，hMLH1 基因甲基化并未起作用，而hMSH2 基因甲基化则与结肠癌进展相关(OR =2.73，95% CI = 1.02-7.32)。但是各研究报道的hMLH1 在结肠癌中甲基化概率差异较大(5% ～40%)，因此hMLH1 和hMSH2 在肿瘤发生发展过程中究竟起到怎样的作用尚存在争议［10］。

3 BRCA 基因与肿瘤

BRCA 基因是乳腺癌易感基因，当DNA 损伤时，BRCA 能阻断细胞周期，使其停留在特定的检测点，在细胞周期调节，辐射损伤、DNA 双链修复以及转录切除修复中起重要作用。研究显示乳腺癌患者体内BRCA 蛋白表达明显降低，但是只有5%的乳腺癌患者BRCA1 或BRCA2 基因发生了突变，因此提示BRCA 基因可能发生了甲基化，在乳腺癌和卵巢癌中BRCA1 基因甲基化频率大约在7% ～31%之间。一项BRCA1 基因甲基化与CTCF 和DNMT3B表达间联系的研究在54 例乳腺癌患者中展开［11］。CTCF 是维持BRCA1 基因低甲基化状态的关键蛋白，DNMT3B 是DNA 甲基转移酶家族中的一员，可以导致BRCA1 基因高甲基化。研究发现在乳腺癌组织中，72%的CTCF 仅在细胞质中表达，在正常组织中CTCF 全部在细胞核中表达(P＜0.01);BRCA1基因甲基化的组织中，有59%的CTCF 蛋白仅在细胞质中表达，BRCA1 基因未甲基化的组织中，仅12.5%CTCF 蛋白在细胞质中表达(P＜0.01)。80%的乳腺癌组织表达了DNMT3B 蛋白，而在正常组织中未见表达(P＜0.01)。DNMT3B 高表达组织中75%的BRCA1 基因发生了甲基化，而DNMT3B未表达组织中59% 的BRCA1 基因发生了甲基化(P＜0.01);因此DNMT3B 的异常表达和CTCF 表达位置的改变是导致BRCA1 甲基化的机制之一，BRCA1 蛋白表达降低，引起DNA 修复能力降低，最终导致癌变发生。在对63 例卵巢癌患者的研究中发现，BRCA1 基因发生甲基化、突变和野生型，在所有治疗手段及病理分期相同的情况下，中位生存时间分别为35.8、64.9 和61.2 个月。BRCA1 基因甲基化的患者生存时间最短(P＜0.01)，BRCA1 基因甲基化可以作为判断卵巢癌预后的生物标志物［12］。

4 其他DNA 修复基因与肿瘤

ERCC1 基因在DNA 的核苷酸切除修复(NER)中起到限速或调节的重要作用［13］。XRCC1 是影响细胞对电离辐射敏感性的第一个哺乳动物类基因，可以有效修复电离辐射或烷化剂所致的DNA 损伤。

一项对化学致大鼠肺癌的研究中检测了ERCC1，XRCC1 基因甲基化及其蛋白表达情况，在30 只原位癌和25 只浸润癌大鼠中，ERCC1 甲基化频率分别为10%和16%，XRCC1 甲基化频率分别10%和12%，原位癌的甲基化频率低于浸润癌(P＜0.05);在未甲基化的48 只大鼠中，有18.75%表达了ERCC1 蛋白，54.5% 表达了 XRCC1 蛋白。XRCC1 与ERCC1 蛋白表达与甲基化状态间无明显关联性［14］。提示在化学物致肺癌的过程中，ERCC1基因甲基化与肺癌的发生进展存在关联，但与其蛋白表达不存在联系，其中的机制暂时还不明确;目前为止，只有一篇文献［15］观察到XRCC1 的表观修饰敏感性以及XRCC1 甲基化在降低肠道黏膜损伤中的作用，XRCC1 和ERCC1 基因甲基化与肿瘤发生的关系还需进一步深入探讨。

5 问题与展望

肿瘤相关基因CpG 岛甲基化与肿瘤的形成密切相关。DNA 修复基因CpG 岛甲基化被认为是该基因转录抑制、表达沉默的一个重要机制。表观遗传学为研究DNA 修复基因怎样影响肿瘤的发生、发展及治疗提供了新的思路。CpG 岛甲基化导致抑癌基因转录失活是一个可逆过程，且该逆转(CpG岛去甲基化)可直接恢复抑癌基因功能，因此，去甲基化恢复抑癌基因功能的研究也成为肿瘤基因治疗的新型手段之一，甲基化抑制剂5-AZAd 已进入肿瘤治疗的临床试验阶段。肿瘤治疗效果、患者生存时间和生存质量很大程度取决于肿瘤的早期诊断，由于甲基化是肿瘤发生过程中的早期事件，因此对特定基因甲基化状态的检测可以灵敏的预测某些肿瘤的发生情况。例如MGMT 基因甲基化可以独立预测神经胶质瘤患者的无进展生存率和整体生存率［16-17］;BRCA1、BRCA2 基因异常甲基化可以评估女性乳腺癌发生的危险度，作为早期诊断的指标之一［18］。但是修复基因甲基化还有很多未知的机制需要进一步研究，如基因的甲基化是如何下调其基因表达的?CpG 岛甲基化达到什么程度或范围才会导致表达抑制、基因沉默?虽然分子机制还未明确，各研究结论还不统一，但越来越多的证据表明，DNA 修复基因甲基化是导致肿瘤发生的又一个重要机制。

［1］Foulkes WD.Epigenetic modification and cancer:mark or stamp［J］.So Endocrinology，2012，19:69-81.

［2］Iacobuzio-Donahue C A.Epigenetic changes in cancer［J］.Annu Rev Pathol，2009，4:229-249.

［3］Mohrenweiser HW.Genetic variation and exposure related risk estimation:will toxicology enter a new era?DNA repair and cancer as a paradigm［J］.Toxicol Pathol，2004，Suppl 1:136-145.

［4］Kreth S，Thon N，Eigenbrod S，et al.O6-Methylguanine-DNA Methyltransferase (MGMT)mRNA Expression Predicts Outcome in Malignant Glioma Independent of MGMT Promoter Methylation［J］.PLoS One，2011，6:e17156.

［5］Zhong Y，Huang Y，Huang Y et al.Effects of O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT)polymorphisms on cancer:a meta-analysis［J］.Mutagenesis，2010，25:83-95.

［6］Shima K，Morikawa T，Baba Y，et al.MGMT promoter methylation，loss of expression and prognosis in 855 colorectal cancers［J］.Cancer Causes Control，2011，22:301-309.

［7］Milsom MD，Williams DA.Live and let die:in vivo selection of gene-modified hematopoietic stem cells via MGMT-mediated chemoprotection［J］.DNA Repair (Amst)，2007，6:1210-1221.

［8］Vasavi M，Kiran V，Ravishankar B，et al.Microsatellite instability analysis and its correlation with hMLH1 repair gene hypermethylation status in esophageal pathologies including cancers［J］.Cancer Biomarkers，2010，7:1-10.

［9］Lee KH，Lee JS，Nam JH，et al.Promoter methylation status of hMLH1，hMSH2，and MGMT genes in colorectal cancer associated with adenoma-carcinoma sequences［J］.Langenbecks Arch Surg，2011，396:1017-1026.

［10］Psofaki V，Kalogera C，Tzambouras N，et al.Promoter methylation status of hMLH1，MGMT，and CDKN2A/p16 in colorectal adenomas［J］.World J Gastroenterol，2010，16:3553-3560.

［11］Butchera DT，Rodenhiser DI.Epigenetic inactivation of BRCA1 is associated with aberrant expression of CTCF and DNA methyltransferase (DNMT3B)in some sporadic breast tumours［J］.Eur J Cancer，2007，43:210-219.

［12］Chiang JW，Karlan BY，Cass L，et al.BRCA1 promoter methylation predicts adverse ovarian cancer prognosis［J］.Gynecologic Oncology，2006，101:403-410.

［13］Croteau DL，Peng Y.Van Houten B.DNA repair gets physical:mapping an XPA-binding site on ERCC1［J］.DNA Repair(Amst)，2008，7:819-826.

［14］Liu WB，Ao L，Cui ZH，et al.Molecular analysis of DNA repair gene methylation and protein expression during chemical-induced rat lung carcinogenesis［J］.Biochem Biophys Res Commun，2011，408:595-601.

［15］Wang P，Tang JT，Peng YS，et al.XRCC1 downregulated through promoter hypermethylation is involved in human gastric carcinogenesis［J］.Dig Dis，2010，11:343-351.

［16］Gömöri E，Pál J，Kovács B，et al.Concurrent hypermethylation of DNMT1，MGMT and EGFR genes in progression of gliomas［J］.Diagn Pathol，2012，174:6-7.

［17］Christians A，Hartmann C，Benner A，et al.Prognostic value of three different methods of MGMT promoter methylation analysis in a prospective trial on newly diagnosed glioblastoma［J］.PLoS One，2012，7:e33449.

［18］Dumitrescu RG.Epigenetic Markers of Early Tumor Development［J］.Cancer Epigenetics，2012，10:978-1007.