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閒話基因體科學_24.基因體的複雜性-從癌症的超基因學(epigenetics)談起
by 陳怡蓁, 2012-08-21 13:51, Views(1665)

基因體的複雜性

──從癌症的超基因學(epigenetics)談起

 

臺大醫學院  謝豐舟教授

 

多年來癌症基因的研究都是繞著一個觀念:關鍵性的基因突變導致失去控制的細胞繁衍而導致癌症。於是文獻上有成千上萬篇的論文報告某一基因的鹼基序列改變,引起了基因的失去功能或過度表現而導致腫瘤的發生。

1983 Johns Hopkins大學的Bert VogelsteinAndrew Feinberg兩人報告了腫瘤標本中CpG dinucleotide廣泛性地失去了甲基化(loss of DNA methylation)。這項報告首次清楚地顯示:基因鹼基序列以外的遺傳性變化,也就是所謂的超基因(epigenetic)現象可能導致癌症的發生。當然許多學者心存懷疑,認為這種去甲基化可能還是基因缺損後的一種表現。

這種超基因作用epigenetics)幾年來在不被看好的情況下,卻慢慢站穩腳步,甚至開始吸引眾人的注目,因為epigenetics的研究協助學者瞭解癌症致病機轉的複雜性,為診斷、治療及預防帶來了新曙光。最近Feinberg說「Epigenetics已經擠入癌症研究的主流」,英國劍橋Babraham InstituteWolf Reik指出「大部分的癌症源自基因(genetic)以及超基因(epigenetic)元素的交互作用,學者不能只研究兩者之一,而必需兩者兼顧」。於是超基因作用(epigenetics)開始在臨床與研究方面與基因研究並駕齊驅。

 

Epigenetic Trinity

在生物體中epigenetics影響細胞及生物的許多運作,特別是在生長及發育方面。目前已有好幾個研究團隊計畫標繪出基因體中epigenetics作用的全貌(epigenetic map)。Feinberg指出「雖然epigenetics明顯存在,但迄今我們對基因體中甲基化的狀態以及其他方面的epigenetic modification還是缺乏一個全面性的瞭解」。

目前的研究大概可以說“DNA methylation, gene imprinting以及histone modification”這三種主要的epigenetic現象,若發生錯誤就有可能導致癌症。這三種現象合稱為epigenetic trinity(三位一體超基因作用)此說源自基督教將聖父、聖子、聖靈合稱Trinity

 

DNA methylation

在這三位一體之中,DNA methylation的研究最為深入。在housekeeping genepromotor上,CpG island的過度甲基化相當罕見。CpG island的甲基化目前已知可以導致抑癌基因的BRCA1, p16 INK4a以及hMLH1錯誤的失去功能。西班牙National Cancer CenterMarrel Esteller指出:過度甲基化也可以影響一些新發現的基因如MAMT,此基因對影響化學療法藥物感受性有關鍵性的角色。若E-cadherin基因被甲基化抑制而功能下降,也會促進癌症的侵犯與轉移。另一方面,基因個別或廣泛的甲基化不足可以活化促癌基因,他結論說「癌症的發展從頭到尾都有epigenetics的角色」。

腫瘤內DNA的甲基化不足(hypomethylation)似乎與導致某些卵巢瘤、乳癌的chromosomal instabilitytranslocation有關。甚至在某些白血病,不正常的甲基化導致chimeric oncoprotein的產生,終而引發白血病;例如PML-RAR這個fusion protein會引發過度甲基化使抑癌基因失效,而促發白血病。學者指出,在上述過程中,原發事件是基因,但後續的現象全脫不了epigenetics的作用。

腫瘤細胞的甲基化不足,主要是由於基因體中反覆序列(repetitive sequence)的去甲基化,由此導致的基因體不穩定(genomic instability)是腫瘤細胞的戳記(圖一)。例如1號染色體中心體周圍的異染色質甲基化不足之後引起大區段的重組是許多腫瘤中常見的genomic instability。去甲基化後導致transposon promotor的重新活化也可能經由干擾轉錄而產生antisense transcript造成不正常的基因表現。去甲基化是癌症常見而早期的變化,去甲基化的程度常與癌症的嚴重度和轉移潛力有關。

癌症中特定細胞去甲基化的情況亦屬常見;例如cancer-testis antigen中的melanoma antigen (MAGE) family常發生去甲基化而重新表現。大腸癌的S100A4基因,胃癌的SEPR1NB5基因以及乳癌卵巢癌的SNCG基因均有去甲基化,使細胞發生genomic instability以及後續的基因變化;而特定基因去甲基化,可能帶來有利於癌細胞適應局部環境的變化並促進其轉移能力。

至於過度甲基化方面,癌症的過度甲基化常發生在CpG islands,由此所致的染色質結構改變,會有效地抑制基因的轉錄作用。某些特定腫瘤會呈現一種CpG-island-methylator phenotype(過度甲基化的發生率有3-5倍的增加)。幾乎每一腫瘤在早期都可以發現與cell-cycle regulation, tumor cell invasion, DNA repair, chromatin remodeling, cell signaling, transcriptonapoptosis有關的基因因不正常的過度甲基化而被關閉。這種變化使腫瘤細胞獲得生長優勢,增加其基因體不穩定性,並具有轉移能力。在進展過程十分固定的腫瘤,例如大腸癌,在最早期的前兆期(precursor)就可以發現有不正常的過度甲基化。由此可見,不正常的過度甲基化與transformation有直接關係,而非genomic instability所導致的後期變化。

檢查93種腫瘤的細胞1184CpG island的甲基化狀態,學者發現腫瘤細胞CpG islandde novo methylation是很廣泛的現象;平均每一個瘤有608 CpG island發生過度甲基化。由於正常體細胞中CpG island的過度甲基化並不常見,而且它發生在transformation的早期,因此檢測體液中methylated DNA可能可以做為發現早期癌症的方法。癌症與甲基化的另一關連,則是藉由Loss of imprinted methylation (LOI)

 

Gene imprinting

Gene imprinting是在受精卵或配子中加上註記-關閉父母的兩個allele之一,而子代的體細胞會代代遺傳此一註記;例如正常情況下imprinting會關閉insulin-like growth factor IIIGF II)基因來自母方的allele。因此,若gene imprinting發生錯誤可能導致某些生長促進基因如IGF2之過度表現或關閉某些抑癌基因。Feinberg最近報告:IGF2若未imprinting,似乎會導致大腸直腸腫瘤。Beckwith-Wiedemann症候群(BWS),已知是因此區旳異常所致,而此區的LOI在癌症中極為常見

 

Histone modification

DNA所纏繞的histone,其上的共價鍵修飾如acetylation, methylationphosphorylation有助於調控轉錄作用,並維持細胞分裂的穩定。histone modification狀況的維持機轉可能是分子遺傳學上最重要的課題。雖然所知有限,但現有證據顯示:histone modification在癌症的發生與進展過程扮演了某種角色。 Esteller等人最近在癌細胞株及原發性腫瘤中辨識出特別的histone modification標記。癌細胞常有histone H4 monoacetylatedtri methylated form的不足,這些變化在癌症自然史的早期即已發生,並在發展過程中逐漸累積。

 

診斷和治療

數十年來學者致力於找尋與癌症有關的基因突變,但收獲有限。epigenetics的研究或許能對癌症的診斷與治療提供新希望。Feinberg表示:他對藉由檢視epigenetic的變化,來預防癌症表示樂觀。例如,對於缺少IGF2 imprinting的人,可以改善飲食並接受定期的大腸癌篩檢。

目前已知好幾種環境毒素(environmental toxin)以及飲食因素會影響甲基化機制。Anyway等人最近對懷孕大鼠注射endocrine disruptor,導致雄性子代的精子生成能力下降。此一現象並且可以延續到F4世代。這個現象看來與methylation有關。飲食中的methionine,會影響小鼠子代的DNA methylation從而改變其毛色。Esteller注意到適度的服用methyl-donor,如S-adensyl-methionine有助於預防癌症。柏林的Epigenomics公司正在發展新的檢驗以檢測DNA methylation的程度和狀態。他們注意到經由檢查三個基因的methylation程度,可以鑑別前列腺癌病人是否會再發。在乳癌方面,轉錄因子PITX2的甲基化程度低下者,86%在治療後10年未發生轉移而甲基化程度高的病人則只有68%在治療後10年仍然健康,因此研究人員認為epigenetic analysis將會補強傳統診斷方式。

研究顯示,使用藥物操控epigenetics具有療效,例如azacitidinemyelodysplastic syndrome的療效部份是經由改變epigenetic pattern25年前,azacitidine無法獲得FDA批准為傳統的細胞毒殺藥物,後來發現此藥能引起進行性的DNA hypomethylation而使此藥重獲新生,在20045月獲得FDA許可。Azacitidine會重新活化被關閉的抑癌基因及其他基因。此外,此藥也可以抑制RNA合成產生直接的細胞毒殺效果。histone acetylase抑制劑也可能開啟治療的新方向,因為改變histone modification的狀態可以導致細胞凋亡。

近來的研究更顯示一種名為decitabine (5-aza-2-deoxycyfidine)的藥物可以改變E-cadherin promotor CpG island的甲基化。此一區域的過度甲基化似乎會降低E-cadherin的表現。在人類癌細胞decitabine會促進E-cadherin的重新表現。在動物模式中,decitabine確能抑制原發腫瘤的生長並抑制轉移。

雖然有以上的正面發現,但我們對epigenetics的調控還是必需更具選擇性。不過可以確定的是,癌症研究必需在genetics以及epigenetics兩方面齊頭並進。

 

癌症與RNA

最近有三組不同的研究人員發現micro RNA (miRNA)在癌症可能扮演重要角色。Lu等人檢測癌症標本中217個人類mi RNA的表現情形。他們發現發育來源不同的癌症,有其不同的mi RNA表現形態;來自同樣胚胎起源的實體腫瘤(如胃癌、大腸癌、肝癌皆源自內胚層)與血液腫瘤(如白血病)的mi RNA表現形態截然不同,而遺傳變化不同的白血病之間,mi RNA的表現形態亦異。在此項研究中使用217mi RNA的鑑別能力比使用16000 mRNA更佳。Lu等人注意到癌組織中mi RNA的表現量似乎比正常組為低,可能暗示癌組織在控制生長方面的能力降低。

He等人檢測帶有13q31-32額外copy的人類淋巴瘤。此區有一個c130rf25基因。它是7mi RNA的來源。He發現帶有額外copy的淋巴細胞,其mi RNA的表現量確有增加。He進一步發現在myc過度表現的小鼠,若以retrovirus帶入mi RNA,則其腫瘤更為惡性。此實驗顯示c130rf25基因所產生的mi RNA可能是一種non-coding oncogeneO’Donnell等人則發現:C-Myc的表現會增加6mi RNA的表現而其中E2F1可能扮演負面調控的角色。在HeO’Donnell兩人的實驗中mi RNA既扮演oncogen又扮演tumor suppressor,令人撲朔迷離。

在人類基因體中98~99%的序列為non-coding,過去認為這些序列既不產生protein又不產生RNA,應該沒有什麼重要性。但最近研究顯示:在發育過程中,這些non-coding區段還是會轉錄出帶有poly A的穩定RNA,然後移動到細胞質。ENCODE將之名為transcripts of unknown function (TUF)。除了前述的mi RNA之外,這些源自non-coding regionRNA可能亦有調控基因表現的功能,這更增加了基因表現的複雜性,前面在「細胞核內,彩雲朵朵」一章,我們也提到基因在細胞核中的空間位置及狀態可以影響到其功能,這又是另外一個層次的複雜性;而alternative splicing(包括protein coding sequence, 5’UTR3’UTR)更是我們早已知道的影響基因表現機轉(圖二)。

 

雖然以上我們討論的是癌症的基因體,但癌症的厲害就是它本來就利用人體原有的生物機制來生存(co-opting),因此,以上在癌症觀察到的基因體複雜性,其實也存在於正常人體.

從最早,很單純的基因之exon序列,轉錄成mRNA,再轉譯成polypeptide,形成protein,到現在還要考慮epigeneticsmi RNATUFchromosome environment,基因體的複雜性真是增加了不知多少倍,這也提醒我們在了解基因功能方面,必需更有全面性的關照。這也是「基因體醫學」必需以「基因體科學」為基礎的道理。

 



取材文獻

1. Greener M: Cancer epigenetics enters the mainstream. The Scientist 19:18, 2005.

2. Feinberg AP et al: Hypomethylation distinguishes genes of some human cancers from their normal counterparts.  Nature 301: 89, 1983.

3. Feinberg AP et al: The history of cancer epigenetics. Nat Rev Cancer 4:143, 2004.

4. T Sakatani et al: Loss of imprinting of Igf2 alters intestinal maturation and tumorigenesis in mice. Science 307:1976, 2005.

5. Anyway MD et al : Epigenetic transgenerational actions of endocrine disruptors and male fertility. Science 308:1466, 2005.

6. Waterland RA et al : Transposable elements: Targets for early nutritional effects on epigenetic gene regulation. Mol Cell Biol 23:5293, 2003.

7. Robertson KD: DNA methylation and human disease. Nature Reviews Genetics  6:597, 2005.

8. Cheng J et al: Transcriptional maps of 10 human chromosomes at 5-nucleotide resolution. Science  308:1149, 2005.

9.   Lu J et al: MicroRNA expression profiles classify human cancer. Nature 435:834, 2005.

10. He L et al: A micro RNA polycistron as a potential human oncogen. Nature 435:828, 2005.

11.   O’Donnell KA et al: c-Myc-regulated microRNAs modulate E2F1 expression.