消化道肿瘤基因组印迹的研究现状

　　作者：王凯 朴云峰 丁大勇 舒振波 作者单位：吉林大学第一医院消化内科，吉林 长春 130021

　　【关键词】 肿瘤;基因组印迹;印迹基因

　　基因组印迹(genomic imprinting)，又称为遗传印迹(genetic imprinting) 是近年来发现的一种不遵从孟德尔定律的依靠单亲传递某些遗传学性状的现象，是指一对同源染色体或等位基因之间存在着功能上的差异，或者活性的差别。具有这种现象的基因称为印迹基因(Imprinted Gene)〔1〕。基因组印迹已经成为外因遗传学(Epigenetics)理论的重要组成部分。基因印迹在人类遗传性疾病尤其是肿瘤发生中的作用正引起越来越多的注意。本文就基因印迹的研究现状以及与消化道肿瘤关系的研究进行综述。

　　1 基因组印迹的发现

　　基因组印迹的提出最早始于小鼠的单性生殖胚胎实验。单雄生殖和单雌生殖的胚胎分别具有双倍父源或母源表达的基因而失去了另一方表达的基因，生长的结果是两种胚胎均不能成活。对于畸胎瘤及完全性葡萄胎的研究也发现两者分别为母源和父源的单亲二倍体(uniparental disomies,UPD)形成的特殊肿瘤。父源和母源两套遗传物质的互补是胚胎发育所必需的。基因印迹在进化论意义上的优势在于有效地防止了单性生殖,维持遗传多样性。估计人体中印迹基因的总数大约有100～200 个。正常的基因印迹在功能上与胎儿及胎盘的发育、细胞分化和增殖以及精神行为等有关〔1〕。根据美国杜克大学Jirtle 实验室建立和更新的网站(http://www.geneimprint.com)公布的数据表明目前已经明确的印迹基因大约有90个,印迹基因在基因组中多成簇出现,染色体11p15.5 和15q11-q13 部位较多。

　　2 基因组印迹的机制

　　基因组印迹的产生及其控制目前认为未涉及到DNA序列，主要依靠DNA差异甲基化等非基因突变因素维持。

　　2.1 DNA 差异甲基化 印迹基因的特征是一对等位基因甲基化程度不同,几乎所有的印迹基因的部分序列在两个不同亲本来源的等位基因中仅有一方是甲基化。这些序列被称为“差异甲基化区域”(Differentially Methylated Regions,DMRs)。这种DNA差异甲基化通过顺式作用元件及反式作用因子的控制来实现。控制父源特异修饰建立的顺式作用元件的最好证据来自Rasgrf1 基因的研究,它在启动子上游35 kb 区域携带一个父源甲基化DMR，这个区域包含一个多重41 bp重复元件,当缺失时,整个DMR 不能进行甲基化〔2〕。几种DNA 甲基化转移酶已经被鉴定。甲基化转移酶1(Dnmt1)对半甲基化DNA是高度特异性的,被认为是负责复制后甲基化维持的首选酶;Dnmt3a 、Dnmt3b和Dnmt3L在体外以DNA 为底物进行甲基化,单独每个基因缺失会导致特定基因座位甲基化缺失〔3〕。

　　2.2 非甲基依赖性表观遗传结构 有数个印迹基因在缺乏DNA 甲基化的情况下仍然显示印迹表型。虽然缺乏任何差异甲基化,印迹状态靠一种差异染色质结构补偿,在这种结构中母源基因座位更适合DNA酶Ⅰ(DnaseⅠ)进入,优先被乙酰化组蛋白包装,尽管缺乏甲基化,但这种结构仍然在分裂细胞中维持,说明DNA 甲基化对产生和维持差异表观遗传状态并不是必需的〔4〕。印迹最明显的特征之一就是胚胎植入期间当基因组中大多数甲基基团被消除时差异甲基化型式仍然维持,暗示这些序列必定被作为印迹加以特异识别,这强烈表明涉及到额外的表观遗传标志,虽然这种维持机制还不清楚。

　　2.3 反义RNA 很多印迹基因以存在基因座位特异反义RNA 为特征〔5〕,有大量证据表明这些转录子实际上扮演抑制基因表达的角色。老鼠17 号染色体的Igf2r区域为检验反义RNA 迁涉印迹提供了一个很好的模型,这个基因的表达受位于转录起始点上游27 kb的内在DMR 调节,这个DMR充当抑制父源基因的抑制子,父源基因这段区域的甲基化可以避免这种抑制,允许胰岛素生长相关因子(Igf)2r基因的转录,因为这个DMR 也是一个延长反义转录产物的来源,因此认为RNA本身也介导了抑制,为了检验这个假设。构建了一个包含RNA 终止信号的转基因产物,这种突变实际上解除了Igf2r基因的抑制,因为这种截短的RNA分子也激活了附近两个没有重叠反义转录产物的印迹基因,因此这种抑制机制不能单独用空间干涉加以解释。因为几乎在几个印迹区域都发现反义转录子,很可能这代表了一种介导印迹表达的普遍机制。

　　3 基因组印迹与肿瘤

　　印迹基因以下述三种方式参与肿瘤的形成：(1)印迹的抑癌基因的杂合性丢失(Loss of Imprinting,LOI) 或UPD 可能会导致某个抑癌基因的有功能拷贝的缺失。LOI是指特异性优先表达基因缺失，包括正常沉默等位基因异常表达，从而导致双等位基因表达，或正常表达的等位基因沉默而导致的后天基因位点沉默。(2) 印迹的癌基因的LOI 或UPD 则可能导致双等位基因表达,从而促进细胞生长。(3) 印迹控制中心的某些对印迹现象有关键性影响的基因或顺式元件的突变失活,可能会导致染色体印迹区域的多个印迹的癌基因或抑癌基因的异常表达〔6〕。

　　基因印迹异常与多种肿瘤相关。畸胎瘤及完全性葡萄胎分别为母源和父源的UPD形成的特殊肿瘤。此外,已经发现与基因组印迹异常有关的肿瘤有：原发性肝癌〔7〕、 结直肠癌〔8〕、胰腺癌〔9〕、横纹肌肉瘤〔10〕、卵巢癌〔11〕、胃癌〔12〕、肺癌〔13〕、乳腺癌〔14〕、白血病〔15〕、膀胱癌〔16〕等。

　　4 印迹基因与消化道肿瘤

　　4.1 IGF2基因和H19基因 IGF2基因和H19基因均定位于人类染色体11p15.5，IGF2基因为父源性表达，而H19基因则为母源性表达。IGF2编码胰岛素样生长因子2，属于癌基因,是第一个被证实的内源性印迹基因，也是目前研究最多最深入的印迹基因。人类IGF2基因有四个启动子P1 、P2 、P3 和P4 。P1只在成人的肝组织中具有活性,且始终为双等位基因表达;P2、P3和P4则主要在胚胎期和新生儿组织中具有活性,且为单等位基因表达。H19基因是目前发现的唯一不表达蛋白质的印迹基因，而是在mRNA水平发挥作用。H19失活与IGF2的双等位基因表达有关,而且可能参与了肿瘤的早期发展。Iizuka等〔17〕通过检测术后肝癌标本，结合病人随访，发现H19失活与IGF2的双等位基因表达与原发性肝癌进展相关，预后差。Wu等〔18〕报道70例胃癌组织中30例IGF2表达上调;28例H19表达上调，34.5%胃癌组织中IGF2发生LOI。另有研究发现IGF2发生LOI在30%结直肠癌患者的正常结肠黏膜组织中发现，但在正常人群中仅有10%。为了研究LOI作为结直肠癌标记物的可能性，Cui检测了172例结肠镜检查病人，有结直肠癌家族史者发生LOI的危险度是无家族史者的5.15倍;LOI的发生在有腺瘤者是无腺瘤者的3.46 倍,在结直肠癌患者是无腺瘤者的21.7倍。IGF2印迹丢失可以作为结直肠癌的早期诊断指标。由于通过外周血淋巴细胞DNA 的检测可方便地得知IGF2印迹状态,因此可利用大规模人群检测以早期筛选出具有结直肠癌倾向的病人〔8〕。

　　4.2 M6P/ IGF2R基因 M6P又名IGF2R，定位于人类染色体6q26，呈双向表达。M6P/IGF2R属于抑癌基因,有研究表明大约60%～70%的人肝细胞癌有M6P/IGF2R基因突变,该突变与乙肝病毒感染相关〔19〕。

　　4.3 p57kip2基因 p57kip2基因定位于人类染色体11p15上,主要为母源性表达。p57kip2基因编码一种周期素依赖激酶抑制物,结构上与p21、p27 相关。该基因产物过度表达引起G1期阻滞。p57kip2在胚胎组织中有父源性表达，属于不完全印迹基因。Nakai等〔20〕应用免疫组化法检测101例各类肝脏疾病p57kip2基因的表达,发现在原发性肝癌p57kip2常丢失,特别是中、低分化者。多因素分析显示p57kip2是一个独立预后指标。p57kip2阳性表达病人的预后明显好于p57kip2阴性表达病人。

　　4.4 p73基因 p73基因又名TP73，定位在人类染色体1p36，该基因蛋白产物与p53有相当高的同源性,呈母源性表达。Kang MJ等〔12〕发现p73在39例胃癌组织中明显上调(94.9%)，而19例正常胃组织无表达，并证实通过缺血、甲基化诱导可引起该基因表达上调，证实p73基因并不是胃癌在癌变过程中发生基因突变，而是通过肿瘤过度生长致局部缺血，营养匮乏所造成的。

　　4.5 PEG10基因 PEG10是新近发现的一个重要的印迹基因，定位在人染色体7q21上，父源性表达。PEG10是一个癌基因，在肿瘤癌变过程中起重要作用〔21〕。PEG10在原发性肝癌中表达明显上调，体外细胞试验证明PEG10影响细胞周期，可促进细胞生长，在肝细胞癌变过程中起重要作用〔22〕。

　　4.6 KCNQ1OT1基因 KCNQ1OT1又名LIT1，定位于人类染色体11p15，为父源性表达。Nakano等〔23〕在69例结直肠组织中发现53%结直肠癌组织出现LOI，而正常结直肠组织无明显变化，说明外因遗传改变导致LIT1出现LOI，在结直肠癌变过程中其作用重要。

　　基因印迹是在哺乳动物中客观存在的一种外因遗传现象，是基因表达的一种调控机制。基因印迹异常在很多肿瘤尤其是消化道肿瘤发生机制中起着重要作用。DNA差异性甲基化导致LOI的形成在基因印迹与肿瘤相关机制中起主要作用,印迹基因的异常甲基化是可逆的，对印迹基因的进一步研究为肿瘤的诊断及治疗提供了新的思路。

　　【参考文献】

　　1 Barlow DP.Genetic imprinting in mammals〔J〕.Science,1995;270(5242):1610-3.

　　2 Yoon BJ H,Sikora A,Smith LT,et al.Regulation of DNA methylation of Rasgrf1〔J〕.Nature Genet,2002;30(1):92-96.

　　3 Hata K,Okano M,Lei H,et al.Dnmt3L cooperates with the Dnmt3 family of denovo DNA methyltransferases to establish maternal imprints in mice〔J〕.Development，2002;129(8):1983-93.

　　4 Li E,Beard C,Jaenisch R.Role for DNA methylation in genomic imprinting〔J〕.Nature，1993;366(6453):362-5.

　　5 Lavorgna G,Dahary D,Lehner B,et al.In search of antisense〔J〕.Trends Biochem Sci,2004;29(2):88-94.

　　6 Luikenhuis S,Wutz A,Jaenisch R.Antisense transcription through the Xist locus mediates Tsix function in embryonic stem cells〔J〕.Mol Cell Biol,2001;21(24):8512-20.

　　7 Jirtle RL.Genomic imprinting and cancer〔J〕.Exp Cell Res,1999;248(1):18

　　8 Huang J，Zhang X，Zhang M,et al.Up-regulation of DLK1 as an imprinted gene could contribute to human hepatocellular carcinoma〔J〕.Carcinogenesis,2007;28(5):1094-103.

　　9 Cui H，Cruz-Correa M，Giardiello FM,et al.IGF2 imprinting：a potential marker of colorectal cancer risk〔J〕.Science,2003;299(5613):1753-5.

　　10 Ito Y，Takeda T，Wakasa K,et al.Exp ression of P57kip2 protein in pancreatic adenocarcinoma〔J〕.Ancreas,2001;23(3)：246-50.

　　11 Lynch CA，Tycko B，Bestor TH,et al.Reactivation of a silenced H19 gene in human rhabdomyosarcoma by demethylation of DNA but not by histone hyperacetylation〔J〕.Mol Cancer,2002;11(1):2.

　　12 Murphy SK，Huang Z，Wen Y,et al.Frequent IGF2/H19 domain epigenetic alterations and elevated IGF2 expression in epithelial ovarian cancer〔J〕.Mol Cancer Res,2006;4(4):283-92.

　　13 Kang MJ，Park BJ，Byun DS,et al.Loss of imprinting and elevated expression of wild-type p73 in human gastric adenocarcinoma〔J〕.Clin Cancer Res,2000;6 (5):1767-71.

　　14 Nakanishi H，Suda T，Katoh M,et al.Loss of imprinting of PEG1/MEST in lung cancer cell lines〔J〕.Oncol Rep,2004;12(6):1273-8.

　　15 Gallagher E，Mc Goldrick A，Chung WY,et al.Gain of imprinting of SLC22A18 sense and antisense transcripts in human breast cancer〔J〕.Genomics,2006;88(1):12-7.

　　16 Takeuchi S，Hofmann WK，Tsukasaki K,et al.Loss of H19 imprinting in adult T-cell leukaemia/lymphoma〔J〕.Br J Haematol，2007;137(4):380-1.

　　17 Ariel I，Sughayer M，Fellig Y，The imprinted H19 gene is a marker of early recurrence in human bladder carcinoma〔J〕.Mol Pathol,2000;53(6):320-3.

　　18 Iizuka N，Oka M，Tamesa T,et al.Imbalance in expression levels of insulin-like growth factor 2 and H19 transcripts linked to progression of hepatocellular carcinoma〔J〕.Anticancer Res，2004;24(6):4085-9.

　　19 Wu MS，Wang HP，Lin CC,et al.Loss of imprinting and overexpression of IGF2 gene in gastric adenocarcinoma〔J〕.Cancer Lett，1997;120(1):9-14.

　　20 Yang EB，Qin LL，Zhao YN,et al.Genetic changes and expression of the mannose 6-phosphate/insulin-like growth factor Ⅱ receptor gene in human hepatitis B virus-associated hepatocellular carcinoma〔J〕.Int J Mol Med,2003;11(6):773-8.

　　21 Nakai S，Masaki T，Shiratori Y,et al.Expression of P57kip2 in hepatocellular carcinoma：relationship between tumor differentiation and patient survival 〔J〕.Int J Oncol,2002;20(4):769.

　　22 Ono R,Kobayashi S,Wagatsuma H,et al.A retrotransposon-derived gene,PEG10,is a novel imprinted gene located on human chromosome 7q21〔J〕.Genomics,2001;73(2)：232-7.

　　23 Tsou AP，Chuang YC，Su JY,et al.Overexpression of a novel imprinted gene，PEG10，in human hepatocellular carcinoma and in regenerating mouse livers〔J〕.J Biomed Sci,2003;10(6):625-35.

　　24 Nakano S,Murakami K，Meguro M,et al.Expression profile of LIT1/KCNQ1OT1 and epigenetic status at the KvDMR1 in colorectal cancers〔J〕.Cancer Sci，2006;97(11):1147-54.