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1、表观遗传学表观遗传学本讲稿第一页，共三十九页v肿瘤的发生是一个多基因多途径的复杂多阶段过程。v肿瘤的发生是遗传和环境因素相互作用的结果，遗传决定了个体的遗传易感性，而环境因素决定了什么样的易感个体患癌。本讲稿第二页，共三十九页 传统的由多途径多步骤的基因突变引起肿瘤的观点日益受到挑战。约翰霍普金斯大学的研究者认为，肿瘤最早的发生可能源自干细胞阶段的表遗传学改变（epigenetic alterations）。本讲稿第三页，共三十九页 领导此项研究的Andrew Feinberg教授说，我们并非反驳肿瘤发生发展中发生了基因改变的观点，但我们认为，表遗传学上亦发生了改变而且来的更早些。Feinbe
2、rg教授更提出了包含表遗传学改变的肿瘤发生的三个过程，在传统的二次打击理论之前加上了表遗传学改变这一重要步骤。许多尚未发现基因突变的细胞却往往有了肿瘤细胞的特性，而现在的研究发现这些原代细胞经常带有表遗传学的改变。本讲稿第四页，共三十九页肿瘤发生中的遗传因素肿瘤发生中的遗传因素 l遗传是指亲代将一种性状经遗传物质传递给下一代的过程，是研究生物遗传和变异的科学。l变异指的是遗传变异；也就是一种性状受遗传影响而产生变异的可能值范围。本讲稿第五页，共三十九页 现有的一些资料或证据不仅在细胞水平上而且在群体及家系水平上支持肿瘤的发生与遗传有关。l在人群中常可观察到一些癌家族或某种癌有家族聚集特征，提示
3、某种癌的显性遗传。l许多遗传性免疫缺陷的个体中肿瘤发生率明显升高，可能与遗传因子有关。本讲稿第六页，共三十九页v一些人类基因能继发的导致肿瘤发生，这些基因遗传状态使某些组织发生生长调控异常，然后这种组织再经历另一次突变而导致肿瘤发生。如：神经纤维瘤、多发性结肠息肉症、甲状腺髓样癌等。v有些罕见的隐性癌基因在纯合状态下导致染色体不稳定性（如发生断裂等），致使宿主具有肿瘤发生易感性。本讲稿第七页，共三十九页肿瘤的遗传易感性肿瘤的遗传易感性v遗传易感性实际上是个体遗传变异对环境致癌因素的敏感程度。遗传易感性是能够代代遗传下去的。由于各种易感基因的功能不同构成了不同的遗传因素，带有不同遗传因素的个体对
4、环境因子的易感性有所不同。有遗传易感性的个体比不具有遗传易感性的个体，其肿瘤发病率高10-100倍。本讲稿第八页，共三十九页决定肿瘤遗传易感性的遗传因素决定肿瘤遗传易感性的遗传因素1.代谢酶系统：体内致癌物代谢基因多态性与肿瘤易感性有密切关系，如细胞色素P450酶、亚甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR)、丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT)等。本讲稿第九页，共三十九页2.染色体不稳定、结构重排和癌基因的激活：染色体的不稳定性使染色体易发生自发或诱发的断裂与裂隙，染色体的脆性部位是一种随机发生断裂的特殊点，预示着染色体的不稳定性。在已定位的75个脆性位点中有16个是可遗传的。脆性部位是肿瘤细胞染色体重排的
5、易感部位，是致癌因子敏感的位置，化学致癌原及辐射照射都在脆性位点处使染色体断裂，染色体缺失和重排也往往发生在这些脆性部位。本讲稿第十页，共三十九页3.免疫缺陷增加了肿瘤的发病率：许多免疫缺陷疾患都有严重的或显著的免疫抑制现象，从而增加了某些肿瘤的发病率。在这类免疫缺陷疾患中，遗传因素通过影响致癌因子的代谢，免疫反应的调节，干扰素的分泌水平或对病毒感染的反应等诸方面去影响对癌症的易感性。本讲稿第十一页，共三十九页4.单核苷酸多态与肿瘤易感性：人类基因组计划研究结果证明，不同个体的基因99.9%都是一样的，但在序列上有极小（0.1%）的遗传差异，其中主要是单核苷酸多态（SNP)。SNP是指特定的核
6、苷酸突变在人群中出现的频率大于或等于1%，存在于整个基因组中，而小于1%称为种系突变（germline mutation)，多发生于编码区。本讲稿第十二页，共三十九页5.DNA修复缺陷和基因组不稳定性：环境因素是肿瘤发生的始动因素，而个人的遗传特征决定肿瘤的易感性。化学致癌物可以致使细胞基因发生突变，但正常的细胞具有DNA监控修复系统，保证细胞内基因的正确修复和稳定。一旦这些修复系统有遗传缺陷，则无法修复而导致突变的存在，所以DNA修复能力缺陷或低下是化学致癌的重要机制之一。本讲稿第十三页，共三十九页6.癌基因种系突变和抑癌基因种系突变：通常情况下癌基因和抑癌基因处于动态平衡，使细胞处于正常的
7、发育生长和分化状态中，一旦抑癌基因有遗传缺失，癌基因活性异常，细胞过度生长则倾向肿瘤的发生。本讲稿第十四页，共三十九页肿瘤分子遗传学新进展肿瘤分子遗传学新进展vDNA水平的研究：1 定位克隆癌基因和抑癌基因 利用各种DNA多态性标记对癌基因或抑癌基因进行染色体定位进而克隆该基因。2 比较基因组杂交（comparative genomic hybridization,CGH）比较基因组杂交是将荧光素分别标记在去除了重复序列的肿瘤及正常细胞基因组DNA上，然后分别与正常染色体进行原位杂交，对该两种不同探针与各个染色体杂交后的信号进行比较，以了解该肿瘤中细胞在不同染色体上缺失或扩增的状态。本讲稿第十
8、五页，共三十九页3 代表性差异分析（representional difference analysis,RDA）可用于检测两种不同DNA群中所存在的序列上的差异。本讲稿第十六页，共三十九页RNA水平的研究：1消减杂交（subtractive hybridization）2差异显示PCR（differential display PCR,DD-PCR）3cDNA代表性差异分析（cDNA-RDA）4DNA芯片与探针微列阵本讲稿第十七页，共三十九页肿瘤发生中的表遗传因素肿瘤发生中的表遗传因素v在基因组中除了DNA和RNA序列以外，还有许多调控基因的信息，它们虽然本身不改变基因的序列，但是可以通过基
9、因修饰，蛋白质与蛋白质、DNA和其它分子的相互作用，而影响和调节基因的功能和特性，并且通过细胞分裂和增殖周期影响遗传。v表遗传学1939年由Waddington首先提出，目前认为表遗传学是研究没有DNA序列变化，可遗传的基因表达(活性)的改变。本讲稿第十八页，共三十九页v表遗传学：是指非基因序列所致的可遗传的变化,如DNA 甲基化、组蛋白修饰、染色体重塑、RNA 干涉等,是在基因组层次上调控基因的表达,即通过控制基因的表达时间、空间位置和表达方式来调控发育过程及各种生理反应。是以基因表达水平改变为主的研究。本讲稿第十九页，共三十九页v尽管遗传学和表遗传学在许多方面存在着差异,但它们有着共同的理
10、论基础,即多细胞生物体中每种细胞在遗传学上是同质的。遗传学信息提供了包括表遗传学修饰蛋白在内的各种蛋白质的蓝图,而表遗传学信息调控一组基因何时、何地表达及其表达的程度。两者密不可分并相互协调,两者既有区别,彼此影响,又相辅相成,以共同确保细胞乃至生命有机体的正常功能。本讲稿第二十页，共三十九页表遗传突变与传统的基因突变也有区别:其一,表遗传突变是可逆的;常发生在基因的启动子区,而基因突变则多发生在编码区;其二,表遗传突变及其回复突变的频率高于基因突变及其回复突变的频率。本讲稿第二十一页，共三十九页肿瘤的表遗传学研究进展肿瘤的表遗传学研究进展1.DNA甲基化lDNA甲基化是肿瘤中最常见的分子改变
11、之一，包括基因组总体甲基化水平降低和某些基因启动区域发生高甲基化(hypermethylation)。l肿瘤相关基因的异常甲基化在肿瘤的形成及发展上起着重要作用。本讲稿第二十二页，共三十九页v低甲基化低甲基化 在肿瘤中，低甲基化通常发生在中度和高度重复序列，包括异染色质DNA重复序列、散布的逆转录转座子和内源性逆转录病毒元件.另外低甲基化也可发生于单一序列，如一些癌基因等。低甲基化可导致染色体的不稳定。本讲稿第二十三页，共三十九页v高甲基化高甲基化 癌细胞在整体低甲基化的水平下，一些局部特定区域是高甲基化，而这种特定区域一般是跨越管家基因和肿瘤抑制基因启动子的CpG岛区。现已确认这种CpG岛高
12、甲基化作用在肿瘤的发生发展中起到重要的作用，也是肿瘤发生中基因表达沉默的主要机制，尤其表现在肿瘤抑制基因和错配修复基因。由于这种高甲基化具有诱导基因编码区突变和使基因失活的能力而利于肿瘤的发展。本讲稿第二十四页，共三十九页 在一个癌细胞中，可有多种基因同时被异常甲基化。目前已鉴定的易高甲基化的基因包括：参与细胞周期、DNA修复、耐药性形成、分化、凋亡的基因及参与肿瘤转移和血管生成的基因。本讲稿第二十五页，共三十九页 从理论上讲，一个肿瘤细胞中可有成百上千个CpG岛被异常甲基化，但研究表明并不是这样，每种肿瘤都有其自身一套基因是异常甲基化。根据基因甲基化图谱将肿瘤进行分类和分型是有可能的。本讲稿
13、第二十六页，共三十九页 根据Knudson 的二次打击模型,肿瘤抑癌基因的双等位基因都失活后,抑癌基因才被完全灭活,产生癌症表型。研究显示肿瘤可以在一个等位基因上稳定地保持突变形式,而在另一个等位基因上则为高甲基化,由此导致该基因功能失活。本讲稿第二十七页，共三十九页DNA 高甲基化有几种可能机制:维持DNA 胞嘧啶甲基化的酶DNMT1 的失真;重建甲基化的酶DNMT3A 和DNMT3B 的异常;对异常甲基化DNA的错误修复机制;染色质重塑。本讲稿第二十八页，共三十九页2.组蛋白修饰 核小体是染色质的基本结构单位。核心组蛋白的N-端尾部暴露在核小体的表面并可发生共价修饰，从而对基因表达发挥调控
14、作用。常见的组蛋白尾部修饰方式有：乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、多聚ADP糖基化等，乙酰化和磷酸化是可逆性修饰。特定的组蛋白修饰与特定的基因激活或抑制状态相联系，组蛋白修饰在基因调控中发挥了重要作用。本讲稿第二十九页，共三十九页3.基因组印记 基因组印记是一种在基因组DNA水平对双亲等位基因特异性的修饰作用。该修饰作用是在胚胎发育早期形成的，它具有不包括DNA序列变化，但影响基因调控以及引起2个等位基因不同表达的特性。由于基因组印记在新生命诞生时已经形成，所以很可能是癌前事件，由此很有可能成为癌症早期诊断的指标。目前相关研究较少。本讲稿第三十页，共三十九页 近年来，针对肿瘤发生的遗传学和表遗
15、传学改变，做了以下相关研究：1.肿瘤相关基因多态性对食管癌贲门癌发病风险的影响；2.贲门癌抑癌基因启动子区甲基化状态研究。本讲稿第三十一页，共三十九页 分别应用序列特异性引物PCR（SSP）及限制性片段长度多态性分析（PCRRFLP）等方法对免疫相关基因（TNF、IL-10、TGF-1等）、细胞周期调控基因（P21和P27）、DNA修复基因（XPA和XPC）等基因的单核苷酸多态性与食管鳞状细胞癌（ESCC）、贲门腺癌（GCA）发病风险之间进行了关联研究，并得出了以下结论：本讲稿第三十二页，共三十九页1.TNF-+252G/A G/G和G/A基因型能显著增加家族史阴性人群患食管癌和贲门癌的发病风
16、险。2.IL-10基因G1082A多态性与ESCC和GCA的发病风险无关。3.TGF-1基因启动子区C-509T位点T等位基因和T869C位点C等位基因可增加GCA的发病风险。本讲稿第三十三页，共三十九页4.p21 3非翻译区T/T基因型可显著增加ESCC的发病风险。5.XPA基因A23G位点的A/G+G/G基因型可显著降低ESCC和GCA的发病风险，在无上消化道肿瘤家族史的ESCC患者中这一趋势更加明显。本讲稿第三十四页，共三十九页 6.XPC第15外显子C/C基因型可增加非吸烟个体ESCC的发病风险。第8外显子C/T基因型可显著降低GCA的发病风险，在吸烟个体和家族史阴性个体中作用更加明显
17、。携带A/C、C/C单体型可显著增加GCA的发病风险。本讲稿第三十五页，共三十九页 分别应用甲基化特异性PCR方法检测了E-钙粘蛋白(E-cadherin)、RAS 相关区域家族1A（RASSF1A）、螺旋酶样转录因子（HLTF）、凝血酶敏感蛋白1（TSP1）等基因在贲门腺癌中的甲基化状态，并对其甲基化状态与转录及蛋白表达的关系进行了研究，并得出了以下结论：本讲稿第三十六页，共三十九页1.E-cadherin在贲门腺癌组织中的甲基化率为68.5%，显著高于癌旁组织，并与其蛋白表达有明显的相关性。2.RASSF1A在在贲门腺癌组织中的甲基化率为58.7%，显著高于癌旁组织，且其高甲基化与 cyclin D1蛋白表达之间有明显的相关性。本讲稿第三十七页，共三十九页 3.HLTF基因在贲门腺癌组织中的甲基化率为 45.8%，显著高于癌旁组织。4.TSP1在贲门腺癌组织中的甲基化率为35.4%，显著高于癌旁组织，并与其蛋白表达有明显的相关性,且其在贲门腺癌中的高甲基化与 TGF-1蛋白表达之间有明显的相关性。本讲稿第三十八页，共三十九页 谢 谢！本讲稿第三十九页，共三十九页