癌症与基因甲基化的关系 - 知乎

首先，解释什么是基因的甲基化？

基因甲基化是属于表观遗传的范畴。表观遗传的现象很多，已知的有 DNA 甲基化（DNA methylation），基因组印记（genomic imprinting），母体效应（maternal effects），基因沉默（gene silencing），核仁显性，休眠转座子激活和 RNA 编辑（RNA editing）等。但具有共同特点是基因的核酸序列不改变，基因表达可遗传。

基因甲基化是表观遗传的最主要形式。DNA 甲基化途径是：DNA 甲基转移酶家族 (Dnmts) 催化一个甲基基团从 s - 腺苷蛋氨酸 (SAM) 转移到胞嘧啶残基的第五个碳上，形成 5-甲基胞嘧啶(5mC)。甲基化转移酶 Dnmt3a 和 Dnmt3b 是从头合成的 Dnmts，并将甲基转移到裸露 DNA 上。甲基转移酶 Dnmt1 是 DNA 甲基化的维持因子，在复制过程中维持 DNA 甲基化模式。当 DNA 进行半保留复制时，亲代 DNA 碱基保留原始的 DNA 甲基化模式。Dnmt1 在复制位点结合，并通过在新形成的子链上添加甲基精确复制原始的 DNA 甲基化模式 (Moore, et al. 2013)。

基因甲基化生成的两种途径

DNA 甲基化的作用就是调控基因的表达。存在 s - 腺苷蛋氨酸 (SAM) 的情况下，DNMT 催化胞嘧啶的第 5 位发生甲基化。启动子调控区未甲基化 CpGs 不破坏转录，基因表达。当调控区域内 CpGs 的 DNA 甲基化发生时，基因沉默(Kulis and Esteller 2010)。

DNA 甲基化导致基因沉默的机制目前认为最主要的有三种形式 (Tirado-Magallanes, et al. 2017)：①DNA 甲基化干扰转录因子对DNA 元件的识别与结合；②序列特异性的甲基化 DNA 结合蛋白与启动子区甲基化 CpG 岛结合，募集组蛋白去乙酰化酶（HDAC），形成转录抑制复合物，阻止转录因子与启动子区靶序列的结合，从而影响基因的转录；③DNA 甲基化通过改变染色质结构抑制基因表达，启动子的高甲基化可导致染色质结构更加紧密进而转录失活。

基因甲基化调控表达的模式

其次，基因甲基化如何影响肿瘤发生的？

癌症中 DNA 甲基化可以用两种不同的方式来解释。第一种，正常细胞可能通过驱动突变的发生而发生癌化，然后由于这一事件而发生从头发生甲基化和去甲基化，启动了一系列基因表达的程序化变化。第二种，正常细胞的一个亚群甲基化发生变化，可能是年龄的结果，可能是其他致癌因素（包括生物因素和物理化学因素等），这部分甲基化发生变化的亚群是肿瘤转化的首选目标。根据第二种说法，癌症中异常甲基化的存在实际上是通过选择以甲基化表型为特征的正常细胞来实现的。 一旦形成，它当然会被保存在子代细胞中，与突变的方式大致相同 (Klutstein, et al. 2016)。

通过两种情况（主要是考虑检测的可行性举例）来说明基因甲基化与癌症的关系。

第一种情况，通过 DNA 甲基化抑制抑癌基因的表达。

关键抑癌基因（TSG: 肿瘤抑制基因），主要是调控细胞分化成熟、程序性死亡等功能，但由于启动子区域甲基化，这些功能丧失，细胞停留在低分化增殖阶段、错误细胞不走凋亡路径、成团细胞形成血管、细胞黏连丧失，最后形成肿瘤。

癌症发生过程中癌基因与抑癌基因的甲基化控制

第二种情况，通过 DNA 甲基化调控 miRNA 的表达。当 miRNAs 的调控区域未甲基化时，miRNAs 正常表达，并可能通过降解或翻译抑制使靶基因失活。如果 miRNAs 以癌基因为靶点，则其作用相当于肿瘤抑制因子。当 miRNAs 的表达被启动子的甲基化所破坏，靶基因（癌基因）未沉默。正常细胞中由 mirRNA 沉默的癌基因若可以表达，从而促进肿瘤的发展 (Kulis and Esteller 2010)。

基因甲基化控制 mirRNA 的表达，调控癌基因的表达

最后，通过模型我们来了解基因甲基化与癌症发生的关系。在癌症中发现很多在癌化前就存在抑癌基因的异常甲基化，然后与基因突变一起维持在细胞中。在分子水平上，正常祖细胞中的靶基因与含有组蛋白甲基转移酶 EZH2 和其他蛋白的抑制复合体结合。尽管这些基因的表达受到抑制，但大多数基因都有未甲基化的 CpG 岛启动子，因此可以通过去除抑制因子和在向成熟细胞分化过程中改变局部组蛋白标记来激活。相比之下，在癌症易发祖细胞中，靶基因已经发生了甲基化。虽然这些基因能够随着细胞的进展而摆脱它们的抑制表达的复合体，但 DNA 甲基化的状态不允许它们被激活，从而阻止这些细胞的最终分化，使它们处于相对增殖的状态，形成癌症 (Klutstein, et al. 2016)。

基因甲基化致癌模型

第三，癌症早筛新的标记物——基因甲基化

目前几乎所有肿瘤都已发现特异性的基因甲基化标记物。最早的是结直肠癌的 S9（Septin9）基因甲基化检测获 FDA 认证。CFDA 也批准了几个癌症甲基化检测产品，如肠癌 SDC2 基因甲基化检测、肺癌 SHOX1/RASSF1A 基因甲基化检测等。国内外还有许多癌症基因甲基化产品在研究设计或是在做临床试验。

食药监批准的甲基化检测试剂盒

癌症的基因甲基化标记物

那么，怎样寻找肿瘤的特异甲基化标记物？方法有很多，最主要的是重亚硫酸氢钠预处理法，基于此就可以测序、PCR 等。高通量 DNA 甲基化的方法有MethyLight、Methyl-BEAMing、Me-DIP、MIRA等等。通过患癌与未患癌的样本选择出的癌症特异的基因甲基化标志物都必须通过临床试验的验证，才能应用到临床检验。

基因甲基化检测方法

目前，获批的基因甲基化产品都是重要硫酸盐预处理后 PCR（MSP）的方法，该方法的原理是：重亚硫酸氢盐处理核酸反应将胞嘧啶转化为尿嘧啶，而胞嘧啶环 5 位甲基化保护整个化合物不发生转化。重亚硫酸氢盐处理后，产物扩增后，未甲基化的胞嘧啶变为胸腺嘧啶，而甲基化的核苷酸不受影响。

重亚硫酸盐处理 DNA 的原理

癌症与甲基化的关系是：特定基因甲基化异常细胞癌症发生风险高，细胞癌化过程中特定基因发生异常甲基化。因此，将基因甲基化检测应用到癌症的二级预防中，实现癌症的早发现早诊断早治疗。

参考文献：

Klutstein, M., et al.

2016 DNA Methylation in Cancer and Aging. Cancer Res 76(12):3446-50.

Kulis, M., and M. Esteller

2010 DNA methylation and cancer. Adv Genet 70:27-56.

Moore, L. D., T. Le, and G. Fan

2013 DNA methylation and its basic function. Neuropsychopharmacology 38(1):23-38.

Tirado-Magallanes, R., et al.

2017 Whole genome DNA methylation: beyond genes silencing. Oncotarget 8(3):5629-5637.
https://zhuanlan.zhihu.com/p/146580583