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甲基化在肺癌研究领域的相关进展

Tellgen
2018-03-16 16:06:20  阅读量:2427
甲基化在肺癌研究领域的相关进展
 
来源:肺畅学堂
 
肺癌愈发成为威胁中国居民生命的恶性疾病,其发病率持续攀升而治疗效果不尽如人意,因此加强其早期诊断、治疗、预后等方面的研究至关重要。事实上,包括肺癌在内的绝大部分疾病的发生、发展甚至预后、转归都与遗传因素息息相关。经典的遗传学说并不能圆满解释人类对于疾病在这些方面的困惑。近年来迅猛发展的表观遗传学强调“不依赖DNA序列改变而又可遗传的基因表达改变”。DNA甲基化作为表观遗传学研究的热门领域,随着甲基化特异性PCR技术的开发,其发展得到极大助力,在肺癌相关领域,涉及到基于特定基因DNA甲基化的早期诊断、分期分级诊断、化疗药物的个体化筛选、预后判断的研究日益增多;针对甲基化转移酶的药物已开始进行临床试验并取得了良好疗效。
本文主要对DNA甲基化在肺癌领域的进展情况进行概述,并对今后相关方向的研究做出展望。
1 DNA甲基化
 
DNA甲基化是指甲基供体(S-腺苷甲硫氨酸,SAM)在DNA甲基转移酶(DNMT)的作用下,将甲基添加到DNA分子的碱基上,以胞嘧啶-鸟嘌呤二核苷酸(CpG)中的胞嘧啶5位碳原子和甲基间的共价结合最常见,CpG中胞嘧啶由此被修饰为5甲基胞嘧啶(5mC)。DNA甲基化修饰后在离体状态表现出更强的惰性,如亚硫酸氢钠可使非甲基化的胞嘧啶转变为尿嘧啶,而不能改变甲基化的CpG中的胞嘧啶;在活体状态表现为基因表达活性的降低。因此,高甲基化状态意味着基因表达的失活/抑制/沉默,而低甲基化状态意味着基因表达的激活/活化。肿瘤细胞的DNA甲基化状态在全基因组水平上呈现广泛的低甲基化特征,导致原癌基因的活化,基因组不稳定性增加;但在抑癌基因、修复基因等启动子区的甲基化状态是升高的,即高甲基化,从而导致了相应抑癌基因等的表达受到抑制。且发现肿瘤细胞的高甲基化基因多发生于启动子区的CpG岛,而正常细胞启动子区的CpG岛多处于非甲基化状态。
在包括肺癌在内的绝大多数肿瘤以及诸如阿尔兹海默病、心衰等非肿瘤性疾病的患者的基因组水平均发现了DNA甲基化的异常。由于人类基因组包含近四万个基因,大量研究发现许多疾病均可能存在特异性的甲基化谱,甚至在疾病的不同阶段甲基化谱也不尽相同;此外,据研究肿瘤细胞发生CpG岛高甲基化的频率远高于基因突变。因此,通过对患者样本进行特定一组基因或全基因组的甲基化水平检测,理论上可以诊断疾病、辅助进行分级分期的判断甚至筛选敏感化疗药物。
 
1.1 DNA甲基化与肺癌诊断(早期诊断、分型、分级分期)
早在2005年,德国海涅大学的Schmiemann V等在发现肺癌患者中存在APC、p16(INK4a)、RASSF1A等基因的甲基化状态异常。
之后,借助于以MS-PCR为代表的检测技术发展,类似的研究迅猛增加,同时发现了更多的具有相对特异性的基因,如P16、RASSF1A、APC、MGMT等[18,19]。一项基于痰液样本的RASSF1A、PRDM14和3OST2联合检测研究,用于区分无瘤吸烟者和I期非小细胞肺癌(NSCLC),结果显示敏感性达82.9%,特异性达76.4%。Kikuchi等研究发现,DAL-1基因的甲基化随着肺癌分期的进展而出现变化。随着研究的深入,发现基因组的低甲基化随着细胞恶性度的增加而愈加明显,有作为病情变化的判断指标的潜力。在小细胞肺癌(SCLC)的研究上,Saito Y等通过对28例手术的SCLC患者病理组织进行检测分析,发现CpG岛甲基化表型(CIMP)是切除后SCLC的不良预后的预测因子。这些研究表明,通过对特定基因的DNA甲基化的结果进行分析,有望为临床医生提供早期诊断、病情分期等有益的信息。不仅如此,有研究人员通过检测外周血单核细胞的hOGG1基因甲基化水平,发现甲基化的hOGG1基因携带者发展为NSCLC的几率是非甲基化hOGG1基因携带者的2.25倍,作者认为此研究可以在将来为特定人群提供肺癌发病风险预测有较大益处。MS-PCR等技术的改进使得检测的灵敏度及特异度大大提升的同时,也降低了检测结果的假阳/阴性率,最终使得结果可重复性与信度得到提高。
总之,DNA甲基化检测为解决这些棘手的临床问题提供了新的思路与方向,检测技术的不断发展,测定标准的严格控制或许会加快DNA甲基化检测技术实际应用于临床的步伐。目前,透景生命(Tellgen)的人SHOX2、RASSF1A基因甲基化DNA检测试剂盒(PCR荧光法)已获得CFDA批准,同时也是国际首创的专利产品,可用于临床肺癌的早期辅助诊断。灵敏度和特异性分别可达83.2%和97.4%,具有可观的临床意义。
 
1.2 DNA甲基化与肺癌治疗方案的选择
随着表观遗传相关研究的深入,人员发现了某些基因与特定药物治疗反应的敏感性。例如有研究发现MGMT甲基化导致的基因表达失活发生在很多神经胶质瘤患者瘤内,它的发生与患者对烷化剂的敏感程度密切相关,并能提高患者的总体生存率及疾病进展时间。
Hsu等发现术后NSCLC患者的CpG岛甲基化是导致的抑癌基因p14ARF的表达失活和p53过表达降低的原因。后续研究中发现RASSF1A甲基化可作为评估NSCLC患者使用吉西他滨取得较好疗效一个独立预后因子;而在针对靶向药物吉非替尼耐药机制的研究中,发现可能会使p14ARF表达增加的肺腺癌患者受益。
 
1.3 DNA去甲基化药物与肺癌治疗
与经典遗传学研究的DNA序列改变具有的不可逆性不同的是,包括DNA甲基化及组蛋白甲基化修饰在内的多数表观遗传学改变是可逆的,通过逆转DNA甲基化治疗疾病的思路为疾病治疗描绘了乐观的蓝图。
DNA甲基化的形成与维持均在DNMT作用下实现的。DNMT共3个家族,即Dnmt1、Dnmt2、Dnmt3,其中Dnmt3包括Dnmt3a、Dnmt3b、Dnmt3L。人类体内有Dnmt1、Dnmt3a、Dnmt3b[41]。其中Dnmt1在DNA半保留复制时催化并维持新生链的DNA甲基化状态;而Dnmt3a与Dnmt3b在胚胎发育期间发挥主要作用,催化从头甲基化。三种DNMT共同维持DNA甲基化状态,并表现为正常组织低表达与肿瘤组织中的高表达。以DNMT为作用靶点成为药物研发的新方向。有研究发现,HOXA1甲基化在SCLC耐药细胞中表达增加,并有望成为逆转肿瘤耐药的新靶点。
总之,在表观遗传其他方面迅猛发展的大背景下,针对肺癌等实体肿瘤的表观药物研发除了针对高甲基化状态去开发去甲基化药物,也应考虑针对低甲基化状态去开发促甲基化药物,甚至对甲基化进行双向调节维持平衡药物进行研发也是一个方向。
3 展望
 
表观遗传学研究近十余年来蓬勃发展,尤其在肿瘤研究领域进展迅速。但仍有一些问题需要去解决:从基础医学角度来讲,肿瘤与甲基化因果关系的阐明需要有效的动物模型,动物模型建立后对肿瘤的发生机制认识与抗肿瘤药物的研发大有裨益。从肺癌的高危因素吸烟角度,已经有团队做了吸烟与特定基因甲基化水平的队列研究,这对揭示DNA甲基化、吸烟、肺癌三者之间关系的研究以及肺癌的早诊与治疗均能提供很好的线索。随着认识的深入,结合精准医学的概念,从甲基化角度出发,人类有希望取得更大的突破,使得包括肺癌在内的广大病患的病痛得以缓解甚至根除。

 
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