肿瘤抗药性的表观遗传学调控机制

许力凡，张 记，田志强，吴玉章

(第三军医大学免疫教研室，重庆400038)

肿瘤的药物治疗(包括化疗及靶向药物)是目前应用最广的抗肿瘤措施，广泛运用与睾丸癌、卵巢癌、结肠癌以及肺癌等一系列恶性肿瘤。然而，不幸的是，药物对肿瘤的作用仅在治疗初期有效，而随着治疗周期的延长，都不可避免的出现耐药的现象，使得许多抗肿瘤药物失败，肿瘤复发，成为肿瘤治疗中最难克服的难题。因此，研究肿瘤抗药的机制，提高肿瘤治疗的效率，具有重要的临床意义。与此同时，近年来，越来越多的研究表明，表观遗传学这类非基因层次的调控，在肿瘤抗药中可能具有重要的作用。

1 肿瘤测序新发现是对传统抗药机制的挑战

传统观念认为，肿瘤抗药的关键原因在于基因突变，使某些细胞获得抗药的特性，并在长期的药物压力下不断增殖，最终形成抗药表型。然而，越来越多的现象表明，基因突变机制在很多方面存在缺陷。首先，许多抗药肿瘤中都没有发现药物靶点或相关通路的基因突变;其次，肿瘤抗药具有可逆性，而基因突变则是一个不可逆的过程;再者，人群中肿瘤出现抗药的周期很短，且抗药现象普遍，不符合基因突变长期、低频的特点;此外，肿瘤中每个细胞对药物的敏感性都存在差异，而基因突变造成的结果是绝对的“有”或“无”的效应，不存在异质性。因此，这些现象表明，一定存在基因突变以外的因素在调控肿瘤的抗药性。与此同时，近年来，人类基因组计划完成，肿瘤全基因组测序技术及表观遗传学测序组学(包括DNA 甲基化测序和组蛋白修饰ChIP 测序)迅速发展，使科学家对肿瘤抗药机制有了重要的发现。一方面，在抗药肿瘤的基因组上，高频突变的位点往往是编码与表观遗传学相关的酶的基因［1－2］;另一方面，许多在肿瘤抗药中发挥关键作用的基因，往往存在表观遗传学的异常修饰［3－5］。这些结果提示，表观遗传学在肿瘤抗药中发挥重要作用。

2 表观遗传学对传统抗药机制的影响

表观遗传修饰可以在不改变基因核酸序列的情况下，通过影响DNA 和组蛋白的化学修饰及染色质构象等，调节转录蛋白与基因的结合，在转录水平动态的、可逆的调控基因表达，影响基因功能，从而改变细胞表型［6］。

2.1 表观遗传学调控抗肿瘤药物的代谢

ATP 结合盒式转运蛋白、二氢嘧啶脱氢酶、谷胱甘肽、细胞色素P450 酶及胸苷磷酸化酶等，都是参与抗肿瘤药物代谢的重要分子，研究发现，通过改变这些基因的表观修饰状态，调控基因表达，可增加细胞对药物的排除及代谢［7］，从而产生耐药。

2.2 表观遗传学调控细胞对药物损伤的反应

药物作用于肿瘤细胞后，主要通过引起DNA 损伤，并激活多条下游通路参与细胞周期抑制、细胞凋亡及DNA 损伤修复，达到抑制肿瘤的效果。在此过程中，许多相关基因都受到了表观遗传修饰的调控，从而影响肿瘤的药物反应:1)肿瘤促凋亡基因高甲基化:研究表明，在抗药的前列腺癌、非小细胞肺癌、头颈鳞癌及胃肠肿瘤中，发现了PRKCDBP、P73、DAPK1、BNIP3 等促凋亡基因的启动子区有异常的DNA 高甲基化［8－9］，从而抑制了凋亡基因的表达，造成促凋亡通路失活而出现对药物的不敏感性;2)表观遗传修饰调控抗药细胞DNA 修复基因:MGMT及MLH1 是重要的修复基因，负责基因的错配修复，促进DNA 损伤后细胞的凋亡，当其DNA 高甲基化时，会造成胶质母细胞瘤对替莫唑胺、结肠癌细胞对5-氟尿嘧啶、及卵巢癌对顺铂的抗药性［10］;3)表观遗传修饰干扰关键信号通路:Ras-MAPK(Erk)、PI3K/Akt、Stat 及PTEN 通路都是影响细胞进程的重要通路，肿瘤中其信号传导受到频繁的表观修饰调控，产生细胞行为的改变，包括对抗肿瘤药物的敏感性降低。此外，近年来，研究发现了越来越多的重要基因(如DUSP4［3］，BMP4［4］及IGFBP-3［11］等)因DNA 甲基化的影响，功能活性改变，导致肿瘤抗药。

3 表观遗传学通过调控肿瘤干细胞而影响肿瘤抗药

除了上述表观遗传调控机制，近年来，许多研究结果揭示了表观遗传学对肿瘤抗药性的另一种重要调控机制，即通过调控肿瘤干细胞的特性，从而影响肿瘤的药物敏感性。自从首次证实了在造血系肿瘤中存在肿瘤干细胞后，随后许多研究在乳腺、结肠、脑等实体肿瘤中也发现了肿瘤干细胞，并将其定义为肿瘤组织中具有自我增殖及多向分化的潜能的一群细胞，是引起肿瘤发生、进展的根本原因，也是导致肿瘤转移、复发以及抗药的关键因素［12］。更重要的是，肿瘤干细胞与正常干细胞具有同源性，而干细胞的分化、发育在很大程度上受表观遗传学的调控［13］，所以，不难相信，表观遗传学在调节肿瘤干细胞的功能和表型中也有重要作用。通过用一种DNA甲基转移酶抑制剂Zebularine 处理肝癌细胞系后，观察细胞变化，发现肿瘤干细胞的比例显著增加［14］，为此提供了重要依据。与此同时，越来越多的研究报道了表观遗传修饰影响肿瘤干细胞的关键基因和信号通路，如Wnt/β-catenin 信号通路，Hh 信号通路，骨形态发生蛋白信号通路及转化生长因子信号通路等［15］。

4 肿瘤抗药中表观遗传学机制的临床应用

特异的表观遗传学修饰可作为临床检测指标，反映不同患者对抗肿瘤药物的敏感性。目前，MGMT基因的DNA 甲基化是唯一一个达到临床应用指标的生物标记［16］，可预测胶质瘤等对化疗的反应性，从而指导临床用药，促进个体化治疗。此外，近年来，一些新的DNA 修复基因的表观修饰水平也被证实可以反应肿瘤的药物敏感性，如BRCA1，CHFR及UGT1A1 等基因的DNA 高甲基化。另一方面，采用DNA 甲基转移酶抑制剂或组蛋白去乙酰化酶抑制剂，联合传统抗肿瘤药物，对于许多顽固性肿瘤都有非常显著的治疗效果［17］。一方面，表观制剂通过逆转抗药细胞的表观遗传修饰状态［18］，可增加肿瘤对药物的敏感性。另一方面，表观制剂可以增强抗肿瘤药物的作用强度，促进药物所诱导的细胞凋亡［19］。目前常用于联合策略的表观制剂包括AZA，DAC，SAHA 及VPA 等。

5 展望

表观遗传学调控在肿瘤抗药性中的重要作用，为发展表观学生物标记及表观遗传学治疗提供了理论基础，但在发展表观遗传学治疗药物的过程中，一个重要的问题就是解决表观制剂对肿瘤中抗药基因位点的特异性，避免对基因组整体表观修饰状态及基因稳定性的巨大干扰。与此同时，千人基因组计划、肿瘤基因组计划及Blueprint，IHEC，Roadmap 等甲基化测序计划的实施将有效促进表观遗传学在临床上的进一步推广应用。因此，深入研究表观遗传在肿瘤耐药中的调控机制，是未来肿瘤个体化治疗的新希望。

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