第二节 表观遗传学与临床
人体通过表观遗传机制对环境刺激,如激素、生长因子等产生基因表达的变化,这些变化往往是可逆的,而且通过有丝分裂和减数分裂向子代遗传,但是基因组DNA序列没有改变。表观遗传将遗传和环境因素结合起来,使基因组不仅稳定,而且有精确的反应性和强大的适应性。显然,经典遗传学和表观遗传学的研究均能促进临床医学的发展。
多基因复杂疾病是基因与环境共同作用的结果。基因组中DNA序列的变化在肿瘤、动脉粥样硬化、糖尿病和精神分裂症等多基因多因素复杂疾病的发生中不起决定性作用,是环境和营养等外界因素与遗传因素共同作用的结果。上述疾病患者中70%关联营养过剩、偏食、少动、酗酒、吸烟等涉及表观遗传因素,去除这些环境因素,发病率则显著下降。表观遗传学研究有助于在经典遗传学研究基础上全面认识复杂疾病的分子机制,从而探索有效的诊断和防治措施。
一、表观遗传与肿瘤的发生、发展和防治
人类基因组表观遗传调节细胞分化、凋亡和胚胎发育相关基因的表达,在维持机体正常功能中起重要作用,同时也是导致细胞癌变的关键因素之一。
(一)DNA低甲基化
人类肿瘤细胞基因组DNA甲基化程度普遍较低,以致某些癌基因如C-myc和Ras基因表达过高,导致细胞癌变。组织因子(TF)是结肠癌相关基因,TF启动子区域的CpG二核苷酸甲基化缺失,使结肠癌细胞中TF基因过度表达,过量TF使癌细胞易于侵袭和转移。DNA低甲基化还引起染色质结构不稳定,尤其是卫星DNA特定部位DNA甲基化频率降低,使基因表达水平不稳定,产生基因突变和细胞癌变,而且癌症恶性程度与癌细胞DNA甲基化降低程度相关。
DNA低甲基化现象只是肿瘤细胞特征之一。某些抑癌基因高甲基化而转录活性过低,甚至产生基因沉默,破坏体内抗癌机制,引起细胞癌变。例如抑癌基因P6、P53、P16,肿瘤转移抑制基因Nm23以及血管生成抑制基因在肿瘤组织中均有高甲基化现象,使这些抑癌基因沉默。GSTP1基因在前列腺癌和肾癌中发生高水平甲基化。人类癌症中具有高甲基化CpG岛的抑癌基因有40多种。
雌激素、孕激素、雄激素和泌乳素等受体基因在乳腺癌、前列腺癌细胞中有高甲基化,使这些受体基因表达水平很低,所以这些癌细胞对激素几乎不产生应答反应,激素类药物难以奏效。启动子Cp G高甲基化的癌细胞,对维生素A及其类似物促细胞分化作用无应答反应,对相关肿瘤的治疗也难以奏效。
(二)组蛋白甲基转移酶基因(EZH2)
在乳腺癌、前列腺癌细胞中表达水平都很高,体内外实验均证明EZH2是致癌基因,而组蛋白去甲基化酶KDMA在前列腺癌、结肠癌和肺癌中均有突变而丧失活性,证明KDMA是抑癌基因。
(三)组蛋白赖氨酸乙酰化酶
其活性下降是黑色素母细胞瘤形成的主要原因。
二、表观遗传与心血管疾病的发生和防治
(一)叶酸缺乏/高水平同型半胱氨酸
四氢叶酸(FH 4)的衍生物N5-CH 3-FH 4受DNA甲基转移酶和辅酶维生素B12催化提供甲基,使同型半胱氨酸转化成甲硫氨酸,然后与ATP作用形成S-腺苷甲硫氨酸,后者为DNA或组蛋白甲基化直接提供活性甲基。人体缺乏叶酸或维生素B12引起血浆同型半胱氨酸(Hcy)水平升高,损害血管内皮细胞,导致动脉粥样硬化。主要表现在:
1.抑制内皮细胞摄取精氨酸和NO合成酶的活性,NO产生减少,超氧阴离子增多,导致内皮细胞损伤。
2.引起LDL氧化和形成Hcy-LDL,后者易被巨噬细胞吞噬形成泡沫细胞。高Hcy增加单核细胞对炎症刺激的反应,引起IL、TNF等细胞因子的合成和释放,导致白细胞与内皮细胞黏附。
3.促进平滑肌细胞增生。
(二)心血管病相关基因甲基化
雌激素受体ERα基因甲基化后,血浆ERα降低,雌激素与其受体结合后抑制平滑肌细胞增生的能力下降,血管平滑肌细胞过度增生,导致动脉粥样硬化。高脂饮食、2型糖尿病和衰老群体中也有ERα基因甲基化水平增高,与这些群体易产生动脉粥样硬化有密切关系。
三、基因组印记与疾病
基因组印记常引起基因突变和表型缺陷,使胚胎生长发育和认知行为异常,乃至发生肿瘤。试管婴儿或体细胞核移植等都会发生基因组印记及其变化,使胚胎发育异常。IGF-2基因印记丢失导致Wilms肿瘤和神经细胞瘤,急性早幼粒细胞白血病、横纹肌肉瘤和骨肉瘤等也与基因印记丢失有关。
父系、母系传递下去的印记基因会产生完全不同的表型。如胰岛素样因子(IGF-2)信号转导通路调节胎儿大小。父本传递的IGF-2印记基因表达,通过糖和能量代谢,促进胚胎生长,胎儿个体偏大;而母本传递的IGF-2R、Grb10等印记基因表达,抑制胚胎生长,胎儿偏小。成年后罹患代谢综合征亦常与这些印记基因的表达有关。群体遗传学研究显示,有遗传倾向的肥胖群体中,连续数代母系肥胖,会使群体体重增加。
四、表观遗传与代谢综合征
2型糖尿病和肥胖是代谢综合征的两个标志性病症。其发病机制与基因组印记密切相关。例如鸟嘌呤核苷酸结合蛋白亚基(Gsa)甲基化的父系代谢亢进,血糖低,能量消耗高于正常人,不易发生肥胖,如果Gsa基因甲基化发生在母系,则发生严重的肥胖症和糖尿病。中胚层特异转录调节因子Mest由父本印记基因表达,促进后代PPAR-γ和CEBP/α基因表达增加,促进前脂肪细胞分化为脂肪细胞,而且体积增大,脂肪组织大量形成,易引起高脂饮食性肥胖和2型糖尿病。Pioglitazone抑制Mest基因表达,是治疗饮食性肥胖和2型糖尿病的新药。
瘦素(Leptin)调节机体能量物质摄取和消耗。Leptin基因启动子区域有32个CpG,在前脂肪细胞中高度甲基化,使前脂肪细胞不表达Leptin。前脂肪细胞分化为脂肪细胞时,32个Cp G完全脱甲基化,使脂肪细胞Leptin过度表达,机体因饥饿感大量摄取饮食,导致肥胖症。
直接作用于表观遗传的组蛋白脱乙酰化酶以组蛋白或非组蛋白为底物,通过多种途径调节代谢:
1.促进胰岛素分泌和胰腺β细胞生存。
2.抑制PPAR-γ基因表达,使脂肪细胞分化和脂肪储存减少。如过度饥饿可诱导组蛋白乙酰化酶与AP2启动区结合,抑制PPAR-γ表达。
3.促进糖异生。组蛋白脱乙酰化酶的激活剂Resveratrol可以增加机体对胰岛素的敏感性和降低脂肪酸合成酶基因的表达,具有抗2型糖尿病和肥胖症等功能。
五、表观遗传与药物作用的靶位
目前表观遗传相关疾病治疗用药的设计主要以DNA胞嘧啶甲基转移酶(DNMT)和组蛋白脱乙酰化酶(HDA)为靶位点。
(一)组蛋白脱乙酰化酶抑制剂
如Trichostain A(TSA)强烈抑制HDA,调节Drg-1基因表达,抑制结肠癌转移。Cyclichydroxamic-acid containing peptide(CHPAP)亦能强烈抑制HAD,半衰期长达3000小时,为长效抗癌药,能抑制乳癌、肺癌和黑色素母细胞瘤的生长。Apicidin为环化四肽,强烈抑制HDA,诱导抑癌基因P21和Fas与Fas受体基因表达,使急性白血病细胞凋亡。p-N-acetydinaline(CI-994)是苯甲酰氨类HAD抑制剂,为口服抗癌老药,近年来发现CI-994的作用机制为强烈抑制HAD,用于治疗晚期肺癌、肾癌和胰腺癌等。
(二)DNA甲基转移酶抑制剂
如5-氮胞苷(5-azacytidine)为抗癌老药。5-氮胞苷形成5-胞嘧啶脱氧核苷酸后参与DNA合成,抑制肿瘤细胞DNA合成。DNA甲基化酶使DNA分子的胞嘧啶或5-氮胞嘧啶都甲基化,但是DNA甲基化酶与5-氮胞嘧啶形成共价结合的酶与底物复合物,DNA甲基化酶不能从复合物解离而失活。同时5-氮核苷类化合物必须形成脱氧5-氮嘧啶核苷酸后,才能渗入DNA分子,部分5-氮胞苷在尚未转化为脱氧核苷酸时会渗入RNA合成,扰乱RNA功能也能发挥抗癌作用。5-氮-2脱氧胞苷(decitabline)不干扰RNA合成,特异性明显升高,但是不能改善5-氮胞苷的毒性反应。epigallocatechin-3-gallte(EGCF)属绿茶中多聚酚类化合物,直接与DNA甲基转移酶活性中心结合而使其失活,没有5-氮胞苷类药物的毒性作用。
表观遗传化疗药物往往有多重机制,如DNA甲基化后常与DNA甲基结合蛋白结合,然后又可与组蛋白脱乙酰化酶或组蛋白甲基转移酶结合,共同导致基因沉默,使药效显著而稳定。