第一节
概述

表观遗传学在预防和治疗肿瘤策略的研究中正发挥着越来越重要的作用。这些策略是基于临床取样、表观遗传学技术以及药物发现等个体化治疗的关键要素而制定的。随着临床表观遗传学技术的研究与开发（R＆D），临床表观遗传学分析的研究结果已被成功应用于治疗多种疾病。本章将系统地回顾用于预防和治疗肿瘤患者的异常表观遗传学和表观基因组。根据当前临床上对肿瘤患者实施的表观遗传学治疗方案以及依赖于表观遗传学数据而进行的肿瘤预防方法，并提供以下指导，包括临床取样、为临床科学家在各种表观遗传学技术中选择最佳的技术、如何使用表观遗传学检测结果进而从相关异常表观遗传学数据库中发现靶向分子／药物。用于检测异常表观遗传学的液体活检和用于检测系统表观基因组的二代测序技术将为肿瘤疾病管理提供有效的预防和治疗策略。

通常，肿瘤发生起源于两种类型的基因改变，即肿瘤抑制基因（tumor suppressor gene）的失活或原癌基因（proto-oncogene）／癌基因（oncogene）的激活。肿瘤抑制基因（或称抑癌基因）可保护细胞免于产生肿瘤。当肿瘤抑制基因发生突变时，会导致其保护作用降低或丧失 。原癌基因是在正常情况下编码调节细胞生长和分化的蛋白质的正常基因。一旦原癌基因具有激活性突变，它将引起细胞分化异常，最终导致肿瘤发生。此外，原癌基因的过量表达和染色体易位也可能导致肿瘤的发生 。

尽管对肿瘤抑制基因和原癌基因进行了广泛的研究，但有一些基因改变发生在DNA序列的非编码区，这些基因可被外界或环境因素影响起到激活或沉默（silence）作用。科学家得出的结论是，这些异常的变化被称为表观遗传学（epigenetics，前缀epi——希腊语意指超过、在外面、在周围）的变化。涉及肿瘤抑制基因和原癌基因异常改变的“表观遗传学（epigenetics）”一词出现在20世纪90年代。表观遗传学的概念被描述为“因染色体变化但无DNA序列改变而产生的可稳定遗传的表型”。目前，表观遗传学在肿瘤靶向研究方面聚焦于DNA甲基化和组蛋白修饰 。

表现遗传学的一个研究热点是DNA甲基化。如图3-1-1所示，DNA甲基化主要发生在CpG［即胞嘧啶（C）-磷酸（p）-鸟嘌呤（G）］二核苷酸的C ₅ 位置，并通过两大类酶反应完成：维持甲基化（maintenance methylation）和从头甲基化（ de novo methylation）。维持甲基化对于在DNA完成每次复制周期后保持DNA甲基化是必要的。如果没有DNA甲基转移酶（DNMT），DNA复制可产生未甲基化的子链，这个现象也被称为“被动去甲基化”。

DNMT有几种类型：DNMT1是一种维持甲基转移酶，负责在DNA复制过程中将DNA甲基化模式复制到甲基化的子链上。DNMT2是DNMT1的同源物，包含与所有DNA甲基转移酶相同的全部10个序列基序。但是，DNMT2（TRDMT1）不会使DNA甲基化，而是使天冬氨酸转移RNA的反密码子环中的胞嘧啶-38甲基化。DNMT3a和DNMT3b是从头甲基转移酶，可在发育早期执行DNA甲基化模式。DNMT3L是一种与其他DNMT3同源但无催化活性的蛋白质，因此DNMT3L通过增加其与DNA结合的能力并刺激其活性来辅助从头甲基转移酶 。目前，肿瘤表观遗传学主要针对DNMT1。研究发现肿瘤在其发生的过程中出现了DNA总体水平的低甲基化，其中肿瘤抑制基因表现为高甲基化而原癌基因表现为低甲基化。通常，肿瘤抑制基因在异常高甲基化状态下的功能是沉默的，类似于肿瘤抑制基因突变发生的沉默。导致肿瘤抑制基因沉默的DNA甲基化通常发生在肿瘤抑制基因的蛋白质编码区的启动子上的多个CpG位点 。

表观遗传学的另一个研究热点是组蛋白修饰。如图3-1-2所示，H ₂ A、H ₂ B、H ₃ 和H ₄ 构成核心组蛋白，而组蛋白H1和H5被称为接头组蛋白。核心组蛋白以二聚体形式存在，它由一个具有三个α螺旋（通过两个环连接）的折叠域组成。该螺旋结构与四个不同的二聚体相互作用形成一个八聚体核小体核心，该核心包括两个H ₂ A-H ₂ B二聚体和一个H ₃ -H ₄ 四聚体。H ₂ A-H ₂ B二聚体和H ₃ -H ₄ 四聚体高度保守，带有“螺旋转螺旋转螺旋（helix turn helix turn helix）”基序。它们长的“尾巴”位于氨基酸结构的一端，可被其他酶修饰（包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化），从而影响其他调节蛋白（regulatory protein）的功能。结合较少组蛋白的基因通常是活跃的，而紧密结合在组蛋白内的基因通常是无活性的。所有组蛋白都通过赖氨酸（K）和精氨酸（R）带高度正电荷的N末端残基来调节调节蛋白 。如表3-1-1和图3-1-2所示，组蛋白中大多数带正电荷的氨基酸可通过甲基化来控制激活基因（RNA聚合酶Ⅱ的H ₃ K ₄ Me ₃ 和甲基转移酶Set ₂ 的H ₃ K ₃₆ Me ₃ ）和抑制基因（HP-1蛋白的H ₃ K ₉ me _2/3 、多梳复合物PCR1的H ₃ K ₂₇ me ₃ 和HP1蛋白的H ₄ K ₂₀ me ₃ ，其中HP-1蛋白即异染色质蛋白-1，其功能是募集组蛋白脱乙酰基酶和组蛋白甲基转移酶）的转录 ^[1] 。其他修饰包括磷酸化（如磷酸化H ₂ AX的139位丝氨酸，影响DNA损伤修复功能）和乙酰化（如乙酰化H ₃ 的56位赖氨酸，H ₃ K ₅₆ Ac）。H3的10位丝氨酸和H ₂ B的10/14位丝氨酸的磷酸化（phospho-H ₃ S ₁₀ 及phospho-H ₂ BS _10/14 ）可影响DNA浓缩过程。通常，在肿瘤发生过程中，组蛋白甲基化作用沉默了肿瘤抑制基因的功能，而组蛋白去甲基化作用激活了癌基因的功能。

我们了解了DNA甲基化和组蛋白修饰后，如图3-1-3所示，根据用于肿瘤疾病靶向治疗的表观遗传学的临床检测工作流程，本章将系统地介绍：①用于表观遗传学分析的临床取样；②临床表观遗传学和表观基因组学检测方法及其分析；③基于表观遗传学分析可进行的表观遗传学疗法与预防；④在结尾部分，将基于表观遗传学分析讨论靶向治疗的挑战和未来发展。