表观遗传学——连接感染性疾病和癌症的纽带

通常，人们都认为基因决定着生命过程中所需要的各种蛋白质，决定着生命体的表型。然而，近年来的研究表明，生物从祖先基因组中所获得的生长、发育和进化信息并不仅仅是基因序列，在基因组DNA序列不发生变化的条件下，基因表达发生的改变也是可以遗传的，导致可遗传的表现型变化。这就是遗传学研究的新领域——表观遗传学(epigeneties)。

研究表明，表观遗传的后天修饰是可逆的，是可遗传的，在不改变核苷酸顺序的情况下，基因表达了可遗传的变化，通过改变染色质的紧密状态而实现，如DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA介导的基因沉默等。

DNA甲基化(methylation)是目前研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式。在DNA甲基化转移酶的作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共价键结合一个甲基基团。正常情况下，人类基因组“垃圾”序列的CpG二核苷酸相对稀少，并且总是处于甲基化状态。与之相反，人类基因组中大小为100bp〜1000 bp左右且富含CpG二核苷酸的CpG岛则总是处于未甲基化状态，并且与56%的人类基因组编码基因相关。

组蛋白修饰包括组蛋白的甲基化、乙酰化和磷酸化等形式。其中组蛋白乙酰化与基因活化以及DNA复制相关，组蛋白的去乙酰化和基因的失活相关。乙酰化转移酶(HATs)主要是在组蛋白H3、H4的N端尾上的赖氨酸加上乙酰基，去乙酰化酶(HDACs)则相反，不同位置的修饰均需要特定的酶来完成。

核小体结构的存在为染色质包装提供了便利, 但DNA 与组蛋白的紧密结合却为基因的表达设置了障碍, 要打破这一障碍获得有活性的染色质结构, 可通过染色质重塑来实现。染色质重塑是指在能量驱动下核小体的置换或重新排列。它改变了核小体在基因启动子区域的排列,增加了基础转录装置和启动子的可接近性, 调控基因表达。染色质重塑的发生和组蛋白修饰密切相关, 尤其是对组蛋白H3 和H4 的修饰。修饰直接影响核小体的结构, 并为其他蛋白提供了和DNA 作用的结合位点。

RNA介导的基因沉默涉及非编码、19-25核苷酸长度的小分子RNA分子，称为miRNA。人体三分之一的mRNA均是miRNA的靶目标，对基因表达进行负性调控。miRNA在基因组水平对基因表达进行调控，可以介导mRNA的降解，诱导染色质结构的改变，决定着细胞的分化命运，还对外源核苷酸序列有降解作用，以保护本身的基因组。

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致癌病毒：乙型肝炎病毒、乳头状瘤病毒和EB病毒

在感染了人T细胞白血病病毒-I的细胞中，de Bustros等人观察到在基因座控制区11号染色体短臂主要区域的异常甲基化作用，该区域包含肿瘤抑制基因。他指出在肿瘤的发生和发展过程中增加的甲基化作用和基因失活是非常重要的步骤。

目前研究最广泛的就是乙型肝炎病毒、人乳头状瘤病毒和EB病毒对表观遗传的转变，这三个病毒是影响全球公众健康的重要病原体。在全球范围内乙型肝炎病毒影响了超过二十亿人，大约有三亿五千万人处于慢性感染阶段。携带乙型肝炎病毒的人群患肝细胞癌的风险大约是正常人的100倍。肝细胞癌是全球癌症死亡的第三大原因。

人乳头状瘤病毒通常被认为是最常见的、容易感染并引起癌症的病原体。人乳头状瘤病毒特殊血清型与超过70%的宫颈癌有关。除此之外，这种病毒还能引起头颈部癌症，特别是在年轻患者中。目前，科研人员正在深入研究人乳头状瘤病毒和头颈部癌症的相关性。除了与宫颈癌、头颈部癌症有关之外，这种病毒还可能与乳腺癌有关。

EB病毒，第一个确认的与人类癌症相关的病毒，全世界超过90%的人群感染过此病毒，与鼻咽癌、伯基特淋巴瘤、霍奇金病有关。在免疫受损的人群中与淋巴组织增生性肿瘤有关。

Fernandez等人观察研究了乙型肝炎病毒、血清型为16和18的人乳头状瘤病毒和EB病毒基因组转录起始位点的CpG二核苷酸甲基化状态。他指出急性感染发展为慢性感染，然后进展到癌前病变和侵袭性癌，甲基化一直处于进展过程。

研究证实同一病原体可以引起多种类型的表观遗传学修饰，同时不同的表观遗传学修饰之间也存在交叉。例如，在乙型肝炎病毒编码的蛋白中，X蛋白被认为是参与慢性乙型肝炎病理过程和诱发肝癌的最重要的蛋白质。X蛋白间接调控宿主细胞内许多基因的转录，广泛影响宿主细胞的各种生命活动，包括调节细胞凋亡，抑制细胞DNA的修复，干扰细胞有丝分裂和细胞周期进程等等。X蛋白对乙型肝炎病毒的复制非常重要，上调许多DNA甲基转移酶类，增加启动子GpG甲基化，增加肿瘤抑制基因的表达，如E-cadherin和p16。X蛋白既与组蛋白乙酰转移酶CBP/p300复合物相互作用，也同组蛋白脱乙酰基酶相互作用。除此之外，miR-15还可以抑制DNA甲基转移酶1。在乙型肝炎病毒引起的肝细胞癌的患者中，miR-155被下调，引起DNA超甲基化。这项发现提供了一种新的治疗途径，将这种miRNA用于治疗，可以降低异常甲基化。

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幽门螺杆菌和“Epigenetic Field Defect”

幽门螺杆菌，革兰氏阴性细菌，全世界大约一半的人口都感染了此细菌，1991年发现与胃癌有关。在1994年，国际癌症研究协会和世界卫生组织宣布幽门螺杆菌是一级致癌物质，目前65%的胃癌和全球5.5%的癌症均是由幽门螺杆菌引起的。

在感染了某种血清型幽门螺杆菌的患者中，胃黏膜里许多基因启动子的甲基化水平是未感染人群的5-300倍。在感染的粘膜中，异常甲基化和随后肿瘤抑制基因的沉默，包括p16、E-cadherin,和 hMLH1三个基因，均被发现与随后发生癌症的风险有很强的相关性。

为了检测在感染幽门螺杆菌和DNA甲基化之间的因果关系，Niwa等人用幽门螺杆菌感染蒙古沙鼠，5-10周后可检测到CpG岛甲基化，甲基化水平持续增高，大约持续到50周。一些CpG岛部位达到的甲基化水平大约比未感染的动物高10-200倍。当感染被清除时甲基化水平下降，但是同未感染的动物相比水平仍明显增高。用环孢素对试验沙鼠进行治疗，环孢素可以阻止炎症反应但并不会影响细菌在胃部的状态，分析发现异常的甲基化受到阻止。该项研究证明表观遗传学的发生是由于伴随细菌感染而产生的炎症反应引起的。

这些发现确立了“Epigenetic Field Defect”这一概念：由于感染引发增加的DNA甲基化标志着这个基因座有较高的发生恶性转化的风险。不断增加的DNA甲基化的出现也是某些类型肿瘤发生恶性转化风险较高的一个有用标记，例如乳腺癌、肝癌和结肠癌。在胃癌中肿瘤抑制基因的沉默通常是由于表观遗传学机制引起，而不是由于遗传变异引起的。这些重要的发现给临床治疗提供了一些参考依据，比如在靶向治疗时可以通过检测表观遗传学的转变来监测病情。

表观遗传学转换

研究已经表明炎症和不同的肿瘤之间有很强的联系，炎症分子能提供一个生长信号，促进肿瘤细胞的增殖，例如在乳腺癌和前列腺癌中，IL-6是被上调的。为了仔细分析炎症和肿瘤之间的相关性，Iliopoulos等将雌激素受体配体结合区域同Src激酶癌蛋白融合，产生他莫昔芬可诱导的融合蛋白。利用这一体系，研究人员发现短至5分钟的炎症刺激即可通过NF-κB介导的炎症应答激活了Lin28的转录，快速地降低了miRNA Let-7的水平。Let-7可以直接抑制IL-6的表达，因此导致获得了比NF-κB激活更高的IL-6的水平。由IL-6介导的STAT3转录因子的激活对于细胞转化来说是必要的，并且IL-6激活NF-κB，因此完成了一个正反馈循环。这个正反馈的结果就是在24-36小时之后，没有发生转化的人乳房上皮细胞发生了表观遗传学上的转换。而且在没有炎症信号刺激的状态下，细胞内的这种转换，仍可持续数代。研究人员还发现在这个正反馈循环中有许多miRNA被不同程度地调控，2个最重要被上调的miRNA是miR-21和miR-181b-1，它们是肿瘤抑制基因的主要调节因子。

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表观遗传学治疗

如上所述的表观遗传与肿瘤的关系，对其进行深入的研究，将有助于进一步了解表观遗传机制，进而指导肿瘤的治疗和新药的研制。

针对DNA甲基化的去甲基化，抑制DNA甲基转移酶活性成为肿瘤防治的研究思路。可通过DNA甲基化抑制剂阻止肿瘤发生，也可用去甲基化药物使抑癌基因及DNA修复基因的功能得以恢复，以达到治疗的目的。如5-氮杂胞嘧啶核苷和5-氮杂脱氧胞嘧啶核苷是有效的DNA甲基转移酶抑制剂，它们通过DNA复制过程中取代胞嘧啶或与DNA甲基转移酶形成共价键抑制DNA甲基转移酶的两种活性途径来抑制DNA甲基化。

RNA干扰现象和小干扰RNA在哺乳动物细胞中的应用，也为肿瘤特异性治疗途径提供了新的工具。小干扰RNA可以诱导强有力的特异性RNA抑制作用，并且可以针对多个基因或基因家族的共有序列来抑制基因的表达，从而能更有效地抑制肿瘤生长。

展望

由于在微生物和肿瘤之间的相关性不断地被揭露，对研究人员来说最为重要的就是如何看待这种相关性由一个话题变为一个研究领域。对人类病原体引起恶性转化机制细节的研究是科研工作者目前的研究重点。随着从表观遗传现象的认识到对表观遗传学的深入研究，在未来通过表观遗传学的变化来治疗炎症、肿瘤等疾病不再是一个概念，而是真正的可以为人类所用。

(作者：马驰）