DNA甲基化是什么意思？DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶與生長抑制（一）
DNA甲基化作為重要的表觀遺傳修飾，主要發(fā)生在CpG島，通過DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶催化完成。DNA甲基化調(diào)控基因表達(dá)，在細(xì)胞分化、遺傳印記和腫瘤的治療等方面起著重要作用。論文概述了DNA甲基化基本概念，總結(jié)了DNA甲基化在生長抑制中的作用機(jī)制，包括降低生長相關(guān)激素的表達(dá)，阻滯細(xì)胞周期的進(jìn)程，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，阻止血管生成及抑制或激活DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)和活性，展望了DNA甲基化在揭示人類疾病機(jī)制，促生長藥物和抗癌藥物的研發(fā)等方面的發(fā)展前景。
近年來，飼料污染、抗生素濫用和代謝病等因素造成的動物生長抑制普遍存在，給畜牧業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。此外，在癌癥的治療中，癌細(xì)胞的生長抑制也是一大熱點(diǎn)。在生長抑制的分子機(jī)制中，DNA甲基化起著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，與動物生長有關(guān)的激素及其受體如生長激素(growth hormone,GH)及生長激素受體(growth hormone receptor,GHR)的表達(dá)受DNA甲基化的影響。復(fù)發(fā)性結(jié)直腸癌中，有4787個(gè)顯著差異甲基化基因，大部分的高甲基化基因參與絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號通路來調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡，低甲基化基因參與了PI3K-AKT信號通路和細(xì)胞增殖過程，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長。因此可以推測異常的DNA甲基化在生長抑制中扮演重要作用。本文就DNA甲基化及其與生長抑制的研究進(jìn)展做一綜述。
1 DNA甲基化
DNA甲基化即在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferases,DNMTs)作用下，S-腺苷甲硫氨酸(s-adenosylmethionine,SAM)提供的甲基與胞嘧啶共價(jià)結(jié)合的過程。DNA甲基化主要發(fā)生在CpG島的胞嘧啶上。哺乳動物中DNMTs主要分為DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶1(maintenance methyltransferase,DNMT1)，DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶3a(DNA methyltransferases 3a,DNMT3a)，DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶3b(DNA methyltransferases 3b,DNMT3b)。DNMT1的作用是維持DNA甲基化，DNMT3a、DNMT3b可能調(diào)控細(xì)胞生長分化。通常，DNA甲基化可負(fù)調(diào)控基因的表達(dá)。DNA甲基化阻止轉(zhuǎn)錄因子與基因啟動子結(jié)合，使基因轉(zhuǎn)錄水平降低，故基因的高甲基化沉默基因的表達(dá)，基因低甲基化上調(diào)基因的表達(dá)水平。此外，DNA甲基化可能改變?nèi)旧|(zhì)成分之間的力學(xué)性能，進(jìn)而引起染色體結(jié)構(gòu)改變來抑制基因轉(zhuǎn)錄。DNA甲基化在胚胎生長發(fā)育、腫瘤的發(fā)生及基因印記、基因組的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等方面起著重要作用。
DNA甲基化與許多疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。近年來發(fā)現(xiàn)，DNA的異常甲基化與生長抑制有關(guān)，如胚胎的生長發(fā)育，病變細(xì)胞如腫瘤細(xì)胞的生長抑制。此外，外界刺激如藥物也可能通過DNA甲基化引起細(xì)胞生長抑制。在癌癥的治療中，原癌基因的高甲基化與抑癌基因的低甲基化可引起癌細(xì)胞生長抑制，這為控制相關(guān)癌癥的發(fā)生、發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。
2 DNA甲基化與生長抑制
機(jī)體生長發(fā)育是指細(xì)胞形態(tài)、體積上的增大及組織臟器功能上分化和完成的過程，其中生長激素軸起著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化與動物生長緩慢及胚胎發(fā)育遲緩有關(guān)。此外，與癌細(xì)胞生長相關(guān)基因異常甲基化可通過阻滯細(xì)胞周期進(jìn)程，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，阻止新血管的生成來抑制細(xì)胞生長。DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的缺失也與機(jī)體或細(xì)胞生長抑制有關(guān)。下面就DNA甲基化在生長抑制中的作用機(jī)制進(jìn)行闡述。
2.1抑制生長相關(guān)激素或因子的生成
GH或GH生長軸在眾多控制機(jī)體生長的因素中是至關(guān)重要的，該激素由垂體合成與分泌，可提高蛋白質(zhì)代謝和促進(jìn)氨基酸進(jìn)入細(xì)胞，加速骨骼和肌肉的生長發(fā)育，從而促進(jìn)機(jī)體生長。研究報(bào)道，雌性魚垂體中的GH基因啟動子區(qū)高甲基化下調(diào)GH的表達(dá)水平，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，GH基因啟動子區(qū)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)——E-BOX可以扭轉(zhuǎn)GH的高甲基化，從而上調(diào)GH的表達(dá)，表明GH基因的高甲基化可使GH下降，從而使機(jī)體生長緩慢。同時(shí)GH基因組蛋白H4去乙酰化也可引起GH表達(dá)水平下降。此外，GH與GHR結(jié)合才能發(fā)揮促生長作用。魚體內(nèi)GHR1基因L1位點(diǎn)的甲基化調(diào)控GHR1基因的表達(dá)，進(jìn)而影響機(jī)體生長，但要證明這一結(jié)果，需要在其他物種上進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。雞肝臟LMH細(xì)胞中GHR啟動子區(qū)組蛋白H3K9me2的增加也與GHR的表達(dá)降低有關(guān)。綜上，DNA甲基化和組蛋白修飾對GH及其受體的表達(dá)都有不同程度的影響，但目前只在雞和魚上開展了相應(yīng)研究，還需在其他物種上進(jìn)行驗(yàn)證。
此外，在人類和嚙齒類動物中，胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)的缺乏可以導(dǎo)致機(jī)體生長發(fā)育遲緩。小鼠中IGF-1及其受體啟動子區(qū)高甲基化可降低IGF-1的作用效果，抑制小鼠的生長。妊娠大鼠血清中IGF-1基因啟動子1和啟動子2區(qū)域高甲基化，從而使IGF-1表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致宮內(nèi)胎兒發(fā)育緩慢。同時(shí)，通過染色質(zhì)免疫共沉淀方法發(fā)現(xiàn)，IGF-1的表達(dá)水平受該基因啟動子1、啟動子2、外顯子5、遠(yuǎn)端3′-UTP和近端3′-UTP的組蛋白修飾水平的影響，表明IGF-1的表達(dá)受甲基化水平與組蛋白修飾的共同調(diào)控，但動物垂體中的IGF-1基因的甲基化或組蛋白修飾位點(diǎn)是否與血清中相同，并不清楚。維生素葉酸可提供甲基基團(tuán)，從而參與了DNA甲基化的形成。當(dāng)親本體內(nèi)葉酸缺乏時(shí)，影響其幼仔肝臟葉酸含量及全基因組DNA甲基化水平，且導(dǎo)致幼仔肝臟中IGF-1、IGF-2和IGF-1R表達(dá)水平降低，進(jìn)而導(dǎo)致幼仔生長發(fā)育緩慢，但這里IGF及其受體表達(dá)水平的降低是否受DNA甲基化調(diào)控，尚不清楚。此外，全反式維甲酸(all-trans retinoic acid,ATRA)促進(jìn)轉(zhuǎn)化生長因子-β3(transforming growth factor-β3,TGF-β3)基因啟動子去甲基化，進(jìn)而上調(diào)TGF-β3蛋白表達(dá)水平，最終抑制14日齡胚胎的間充質(zhì)細(xì)胞增殖分裂，導(dǎo)致胚胎生長緩慢。
此外，甲狀腺激素(T4、T3)在機(jī)體生長中也起重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化與組蛋白乙酰化可影響腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)的表達(dá)水平，導(dǎo)致甲狀腺功能降低，引起甲狀腺激素分泌減少，最終引起動物生長緩慢。
綜上所述，GH、GHR和IGF-1基因啟動子區(qū)高甲基化使這些基因表達(dá)水平降低，進(jìn)而影響機(jī)體的正常生長發(fā)育。DNA甲基化也可間接影響TGF-β3和甲狀腺激素的生成來阻滯機(jī)體生長。此外，GH、GHR和IGF-1的表達(dá)水平也受組蛋白修飾水平的調(diào)控。但在調(diào)控生長相關(guān)激素的表達(dá)中，DNA甲基化的生成機(jī)制并不清楚，這些基因的修飾位點(diǎn)在不同的物種及機(jī)體的不同部位中的修飾位點(diǎn)的差異性也不清楚，這需要進(jìn)一步研究。
2.2抑制細(xì)胞周期的進(jìn)程
抑癌基因啟動子的高甲基化可下調(diào)其表達(dá)，造成腫瘤細(xì)胞異常生長。相反，在腫瘤的治療中，某些基因去甲基化在瘤細(xì)胞的生長抑制起著重要作用。腫瘤抑制基因PTEN啟動子區(qū)CpG島低甲基化使PTEN蛋白表達(dá)增加，進(jìn)而PTEN蛋白拮抗PI3K/Akt信號通路使腫瘤細(xì)胞生長抑制。胃癌中減數(shù)分裂重組蛋白(meiotic recombination protein,Rec8)啟動子區(qū)高甲基化抑制Rec8表達(dá)。同時(shí)，Rec8的高表達(dá)可下調(diào)細(xì)胞生長因子如G6PD、SLC2A1、NOL3、MCM2、SNAI7和SNAI2，又可上調(diào)細(xì)胞凋亡因子如GADD45和GLDHA，進(jìn)而抑制細(xì)胞活力、抑制集落形成和細(xì)胞周期的進(jìn)程，最終抑制細(xì)胞生長。有研究表明，Rec8基因低甲基化可減緩細(xì)胞生長。另外，T24細(xì)胞中過表達(dá)的非編碼RNA——DBCCR1-003可結(jié)合DNMT1，從而降低由DNMT1介導(dǎo)的DBCCR1啟動子區(qū)的甲基化水平，且過表達(dá)的DBCCR1-003通過誘導(dǎo)G0/G1期阻滯和細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致T24細(xì)胞生長抑制，提示因甲基化而活化的DBCCR1可能參與了細(xì)胞的生長抑制，這需要進(jìn)一步證實(shí)。胃癌中神經(jīng)元膜糖蛋白錨定蛋白2(MAM domain-containing glycosylphosphatidylinositol anchor protein 2,MDGA2)基因啟動子區(qū)高甲基化沉默其表達(dá)，又MDGA2通過阻滯細(xì)胞周期的G1期和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡來抑制細(xì)胞增殖，進(jìn)而抑制腫瘤生長。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，MDGA2通過DNMT1相關(guān)蛋白1(DMAP1)激活p53/p21信號級聯(lián)反應(yīng)，抑制瘤細(xì)胞生長。綜上所述，某些基因的甲基化水平可調(diào)控細(xì)胞周期的進(jìn)程，進(jìn)而影響癌細(xì)胞的生長，但這些基因的甲基化是由DNMTs異常表達(dá)直接導(dǎo)致的，還是通過其他基因或蛋白介導(dǎo)的，尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。
2.3誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡
某些細(xì)胞在凋亡信號分子刺激時(shí)會發(fā)生凋亡，從而抑制細(xì)胞生長。Ras相關(guān)結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)1A(Ras association domain family member 1,RASSF1A)基因的激活促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡，誘導(dǎo)細(xì)胞周期G2/M期阻滯，進(jìn)而起到抗癌作用。研究發(fā)現(xiàn)，苯乙基異硫氰酸酯(PEITC)以劑量依賴的方式降低DNMT1、DNMT3a和DNMT3b的蛋白表達(dá)水平，進(jìn)而使RASSF1A啟動子區(qū)去甲基化，誘導(dǎo)LNCaP細(xì)胞凋亡，最后使細(xì)胞生長抑制。人軟骨肉瘤中HOX轉(zhuǎn)錄反義RNA(HOX transcript antisense RNA,HOTAIR)通過招募甲基轉(zhuǎn)移酶EZH2和DNMT1，進(jìn)而誘導(dǎo)miR-454-3p啟動子區(qū)域高甲基化來沉默miR-454-3p的表達(dá)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，miR-454-3p可靶向信號傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)和自噬基因ATG12，啟動因HOTAIR缺乏所誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和自噬的減少，最終引起細(xì)胞生長抑制而死亡。因此，DNA甲基化可通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡來抑制癌細(xì)胞的生長。
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