印記基因與腫瘤的發生

謝艷穎 胡雪峰

（1福建省福州第三中學濱海校區 福建福州 350207 2福建師范大學生命科學學院，福建省發育與神經生物學重點實驗室 福建福州 350117）

表觀遺傳是指生物體的基因序列不改變，而基因的表達發生可遺傳變化的一種現象，普遍存在于生物體的生長發育過程中，印記基因是表觀遺傳現象的一種。本文概述了印記基因的結構、表達機制及其表達異常與腫瘤的關系。

1 印記基因簡介

印記基因的發現起始于20世紀70年代報道的父源特異性染色體消除現象，90年代科學家鑒定出3種小鼠的印記基因。隨著研究深入，科學家逐步探明了印記基因的結構及其表達機制。

1.1 印記基因的發現 1971年，在研究節肢動物時，克勞斯（Crouse）發現決定性別的關鍵因素父源特異性染色體消除，提出“染色體印記”的概念[1]。同時，庫珀（Cooper）注意到有袋類哺乳動物父源X染色體的特異性失活，也稱其為“染色體印記”。1974年，約翰遜（Johnson）在研究17號染色體突變的小鼠時發現，染色體印記不是X染色體特有的現象，而是廣泛存在于基因組中。

20世紀80年代，麥格拉斯（McGrath）和索特（Solter）等通過小鼠的細胞核移植實驗發現，2個原核分別來自父方和母方時，胚胎能正常發育。若是單親二倍體（2個原核均來自父方或母方），胚胎死亡。后續的實驗證明，在一種性別中發現的被標記的許多基因在另一性別中未被標記，因而只有來自父母雙方的基因同時存在，才能互補，使后代正常發育。但胚胎中存在2個相同的標記基因時，就會導致幼崽死亡，這為哺乳動物基因組印記的存在提供了有力的證據。1991年，科學家陸續發現了小鼠的3種印記基因，通過定位克隆，鑒定出Igf2r（insulin-like growth factor type 2 receptor），通過基因敲除鑒定出Igf2（insulin-like growth factor type 2）與H19。

1.2 印記基因簇 迄今為止，約有150個印記基因被定位到17條小鼠染色體上，其中包括X染色體。經鑒定，超過80%的印記基因聚集在16個基因組區域，稱為印記基因簇。已鑒定出7個印記基因簇，這7個印記基因簇都包含3個及以上的印記基因。每個印記基因簇都由一個印記控制中心（imprinted control center，ICR）控制，該區域具有親本特異性表觀遺傳修飾，例如，DNA甲基化和翻譯后組蛋白修飾等。DNA甲基化是公認的一種賦予親本特異性的表觀遺傳修飾[2]。ICR中攜帶有甲基化印記的DNA序列，稱為差異性DNA甲基化區域（differentially DNA methylated region，DMR）。DNA甲基化印記發生在配子中，體細胞中僅存于一個親本染色體上。除了ICR和多個印記基因，大部分印記基因簇都至少含有一個長鏈非編碼RNA（long noncoding RNA，lncRNA）。lncRNA本身不編碼蛋白質，卻能調控基因的表達。在印記基因簇中，ICR通常與lncRNA的啟動子重疊。

1.3 印記基因的表達機制 印記基因簇的結構各異，致使不同印記基因的表達受不同機制的調控。根據調控的結果，可將印記基因分為父源印記基因與母源印記基因兩大類。父源印記基因是指父源等位基因抑制而母源等位基因表達的基因，與抑制胚胎發育有關，例如，Igf2r、H19[3-4]。母源印記基因則是父源等位基因表達而母源等位基因受抑制的基因，與促進胚胎發育有關，例如，Igf2。

1.3.1 lncRNA模型 lncRNA介導的表達模型適用于Igf2r印記基因簇。Igf2r位于小鼠17號染色體，是父源印記基因。作為Igf2的一種受體，與其結合后被溶酶體降解，起到抑制生長的作用。在母本染色體上，甲基化的ICR含有lncRNA的啟動子，致使lncRNA無法表達，但不影響其他印記基因的表達。而父本染色體ICR未甲基化，lncRNA可表達，使同側的印記基因沉默。這種機制可能是lncRNA與啟動子重疊，導致某種形式的轉錄干擾或通過覆蓋局部染色體區域而招募抑制性組蛋白。

1.3.2 絕緣子模型 絕緣子介導的表達模型適用于Igf2/H19印記基因簇。Igf2與H19位于小鼠17號染色體遠端，其中Igf2是母源印記基因，H19位于Igf2下游，是父源印記基因。Igf2/H19受H19上游DMR調控，共用一個增強子，增強子位于H19下游。在母本染色體中，DMR未甲基化，DMR區域有潛在的CCCTC結合位點，可結合絕緣子CTCF因子，形成絕緣子，以阻斷增強子和Igf2啟動子的作用，但不影響其與H19啟動子的作用，使得H19能順利表達。在父本染色體中，H19的啟動子區域甲基化，H19沉默，不形成絕緣子，增強子作用于Igf2啟動子，Igf2表達。

2 印記基因與腫瘤的發生

印記基因的正常表達使生物體能正常發育，而印記基因中雙親等位基因若同時表達或同時沉默會導致腫瘤的發生。

2.1 IGF2/H19與腫瘤的發生 IGF2與IGF1R結合后激活酪氨酸激酶受體，通過PI3K/AKT通路抑制細胞凋亡，通過RAS/MAP激酶通路促進細胞增殖[5]。母本染色體DMR失調導致IGF2印記丟失（loss of imprinting，LOI），促進IGF2雙等位基因表達，致使細胞過度增殖。在多種腫瘤中發現，IGF2過表達與腫瘤發生相關。LOI最初是在Wilms腫瘤中發現的，隨后發現，IGF2的LOI現象普遍存在于腫瘤中。IGF2的LOI在結腸癌表現為近端和遠端結腸的彌漫性異常，一些結腸癌患者的正常結腸組織可檢測出IGF2的LOI[6]。Sakatani等[7]構建IGF2印記缺失型小鼠，發現結腸癌的發生率提高了2倍，并觀察到癌前病變現象。

H19能被折疊成一個特殊的二級結構，這使其能與RNA結合蛋白和DNA/染色質修飾因子等相關蛋白結合，調節相關生理過程。H19于胚胎期高表達，出生后在多數組織中沉默，但腫瘤發生過程中可重新激活。在許多腫瘤中發現，H19能通過不同的機制發揮致癌作用。H19能促進癌細胞增殖并抑制癌細胞死亡。在乳腺癌細胞中，H19促進G1/S轉變[8]。高表達的H19可促進EZH2與促凋亡因子BIK啟動子的結合，抑制BIK的表達。H19也可降低抑癌因子的水平。在膀胱癌細胞中，H19通過miR-675抑制p53表達。在胃癌中，H19導致p53部分失活。H19還能促進癌細胞的遷移、侵襲和轉移。上皮-間質轉化（epithelialmesenchymal transition，EMT）是腫瘤擴散的重要機制，在膀胱癌中，H19與EZH2結合，促進wnt/βcatenin的激活，致使上皮標記E-cadherin表達下降，促進 EMT[9]。

2.2 CDKN1C位點與腫瘤的發生 CDKN1C位點位于人類1號染色體上，包含父源印記基因KCNQ1、CDKN1C及母源印記基因KCNQ1OT1，由位于KCNQ1內含子中的KvDMR1調控。

CDKN1C編碼p57kip2蛋白，其氨基端含有一個CDK抑制結構域[10]，可與細胞周期蛋白CDK復合物結合并抑制細胞周期進程。CDKN1C可促進細胞分化，在橫紋肌肉瘤細胞中，轉錄因子MyoD受損，致使p57kip2轉錄減少，成肌細胞分化受阻。CDKN1C可調節細胞死亡，促進HeLa細胞線粒體凋亡途徑，激活caspase 9和caspase 3。CDKN1C還能抑制膠質瘤細胞遷移和侵襲的能力。

KCNQ1編碼電壓門控鉀離子通道的一個亞基。鉀離子通道參與許多類型細胞的增殖，在結、直腸癌與肝細胞性肝癌中，KCNQ1過表達抑制細胞的增殖與侵襲。KCNQ1是wnt/β-catenin通路的靶基因與調控因子，在結、直腸癌細胞中，活化的wnt/β-catenin通過直接結合TCF4復合物抑制KCNQ1蛋白的表達，KCNQ1抑制劑引起β-catenin重新進入細胞質，刺激結、直腸癌細胞增殖[11]。

KCNQ1OT1編碼一個lncRNA，能負性調節KCNQ1的表達。在結、直腸癌細胞中，β-catenin與KCNQ1OT1啟動子直接結合，使KCNQ1OT1基因的表達顯著提高。在肝細胞性肝癌中，KCNQ1OT1基因敲除降低了GSK3β的磷酸化水平，下調β-catenin，抑制抗凋亡基因Bcl-2的表達[12]。

2.3 DLK1/MEG3與腫瘤的發生 DLK1/MEG3位于人類14號染色體上，其中DLK1是母源印記基因，MEG3是父源印記基因，DLK1由IG-DMR調控，MEG3由MEG3-DMR調控。

DLK1編碼DLK1蛋白，在胎盤組織高表達，在正常組織中沉默，但在多種腫瘤中異常表達。IG-DMR的甲基化異常與肝母細胞瘤、垂體瘤、腎細胞癌等相關。Yin等[13]發現高表達的DLK1蛋白可使神經膠質瘤細胞的增殖能力明顯增強，上調細胞周期蛋白Cyclin D1、CDK2和E2F4的表達。

MEG3編碼lncRNA，在許多正常組織中表達，但在腫瘤中表達受抑制。在許多類型的腫瘤中，例如，垂體瘤、成神經細胞瘤、腦膜瘤、肝細胞性肝癌等，均可觀察到MEG3-DMR的高甲基化與MEG3的沉默或表達降低。Braconi等[14]發現MEG3在肝細胞性肝癌細胞中的表達增強，顯著抑制腫瘤細胞的生長，誘導細胞凋亡。

3 總結

印記基因在生物生長發育過程中起至關重要的作用。通常，印記基因與胚胎發育有關，表現為促進或抑制胚胎發育。若印記基因同時表達或沉默，可造成細胞過度增殖或誘導細胞凋亡，導致腫瘤發生。正是印記基因上攜帶的特異性表觀遺傳標記，使雙親等位基因的表達受到嚴格的調控，才使生物體的各項生命活動正常進行。