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如果把人身上每个细胞中的DNA完全展开，那么这些DNA分子总共长达10米。平时，这些DNA被包裹在了直径不到10微米的细胞核中，通过与组蛋白的结合，共同形成了结构非常紧凑的染色质。影响染色质结构的最主要因素就是对DNA本身以及对组蛋白的共价修饰。表观遗传学研究的就是这些不属于DNA中序列改变的可遗传性状。最近，表观遗传学的概念也扩展到染色质生物学的研究。表观遗传修饰在调节DNA的转录，修复和复制中发挥指导作用。所有这些化学表观遗传修饰是动态的，不同的蛋白复合物负责添加、读取和除去表观遗传记号。 癌症中的表观遗传改变 过去十年来对人类癌症基因组的综合分析显示，在许多癌症中参与基因表达，DNA修复和DNA复制的表观遗传调控蛋白都出现了突变。据估计，超过20％的癌症中都存在“SWI/SNF染色质重塑复合物”（SWI/SNF chromatin-remodeling complex）突变，而这还只是100多种染色质重塑复合物之一。此外，组蛋白突变可以阻碍细胞分化，促进恶性肿瘤发展。这些发现表明表观遗传调节失控在癌症的发生和进展中起了关键作用。 由于染色质调控中的一个变化可以影响到许多不同信号通路中的蛋白表达水平的变化，这对于癌细胞来说是一个能高效改变整个细胞功能以及快速适应环境变化的手段。人类的发育过程通常被认为是一个单向的，从多能干细胞到不同组织的前体细胞，再到最终分化细胞的过程。但是，去分化和转变分化过程在实际上也是存在的，并且这些过程主要通过表观遗传进行调控。比如说，表皮-间质细胞转化过程（EMT）能够改变细胞类型，它对于器官发育和内稳态是必须的。但是EMT也同时改变了细胞迁移和入侵的能力，于是成为了许多肿瘤细胞，尤其是恶性或转移肿瘤的特征之一。在分子层面，这些细胞转型过程主要通过组蛋白和DNA修饰调节。由于表观遗传调控是一个动态的过程，因此细胞内会同时存在激活和抑制这一过程的蛋白或蛋白复合物，而其中任何一部分出现突变就会破坏这个动态过程，这在许多癌症中都被发现。比如说，两个在表观遗传调控中起重要作用的蛋白复合物PcG和TrxG分别能够甲基化组蛋白H3K4和H3K27，这两个甲基化组蛋白分别激活和抑制基因表达。在一些B细胞淋巴瘤中，经常发现这两个蛋白复合物成员的突变，包括PcG中的EZH2和TrxG中的MLL2，这些突变阻碍了B细胞成熟的过程从而导致癌变。 表观遗传异常调节诱导癌症起源 近年来通过对于造血系统的研究而提出的癌症进化模型指出，癌症是由突变的干细胞或前体细胞的克隆扩增而发生的。这些细胞随后出现更多的突变以获得生长和增殖优势，最终发展成为临床诊断的恶性肿瘤。最近的研究提示表观遗传调节者是促进恶性肿瘤的最初生成的主要因素。 一些研究发现，单克隆造血，也就是说一些携带突变的造血干细胞生成大部分血细胞的现象相当普遍，在65岁以上人群中超过10%。这些突变能够带来自我更新方面的优势，从而使这些细胞的生长超过其它细胞。但越来越多的证据显示单克隆造血是各种血液癌症的前奏，包括骨髓增生异常综合征和急性骨髓性白血病。此外，带有表观遗传调节因子突变的白血病细胞，如DNA甲基转移酶DNMT3A，对于传统化疗方法不敏感，因此是白血病复发的重要原因。关于表观遗传调节因子在血液癌症发生中的关键作用是否广泛适用于其他恶性肿瘤仍有待验证。 “暗物质”中的致癌突变影响染色质调节 虽然蛋白质编码基因中出现的致癌突变的记录接近完成，我们仍然只是揭开了癌症基因组的冰山一角。非编码调节基因组或所谓的“暗物质”中的突变率几乎是编码区的两倍，这些非编码突变在驱动肿瘤发生中起到的作用是当前研究的重点之一。在多基因启动子和增强子中出现的这种突变在各种癌症中均有发现。一项最新研究在超过70％的黑色素瘤中发现了TERT基因的启动子内的突变，TERT是编码端粒酶催化部分的基因。虽然癌细胞具有超高的端粒酶活性，但是端粒酶基因编码区内的突变在癌症基因组中并不常见。而TERT启动子的突变正是通过创建了一个ETS家族转录因子的结合位点来增加TERT蛋白的表达。在启动子以外，增强子中的突变也被发现与癌症有关，比如说，带有特定染色体易位的急性髓细胞白血病患者的预后通常很差，这是因为他们的癌细胞内存在致癌基因EVI1的持续异常表达。详细的研究发现，这两种染色体易位导致了一个“超级增强子”的出现，超级增强子能够结合大量的转录因子，导致EVT1基因的过度表达。 癌症代谢及其对表观基因组的影响 一些人类癌症中，特别是神经胶质瘤和急性髓细胞白血病中，存在异柠檬酸脱氢酶（IDH1和IDH2）突变，这些突变改变了酶的功能，导致致癌的代谢物2-羟基戊二酸（2HG）的积聚。2HG是铁依赖的双加氧酶家族的抑制剂，这个家族的成员包括诸如TET DNA去甲基酶这样的对表观遗传调控发挥关键作用的蛋白。 除了IDH，参与三羧酸循环的其他关键酶，如琥珀酸脱氢酶（SDH）和富马酸水合酶（FH）的突变也在癌症中被观察到。所有这些参与三羧酸循环的酶的突变都在肿瘤DNA中诱导出了CpG岛高甲基化表型（CIMP）。CIMP表型导致染色质拓扑结构异常，导致顺式调节子与致癌基因的异常并存。CIMP还构成了EMT转型的基础，这导致了FH缺陷型癌症的侵袭性。肿瘤代谢组和表观基因组之间的相互作用远比上述三羧酸循环酶中的突变普遍。营养水平能够动态调节关键代谢通路的相互作用，产生用于染色质翻译后修饰的底物，包括组蛋白和DNA甲基化，组蛋白乙酰化等。这个正在迅速扩大的研究领域可能揭示癌症中的表观遗传学调节异常的机制，也可能提供新的治疗途径。 表观遗传治疗 表观遗传学在癌症的特征中发挥的影响已经获得了科学家，医生和制药业的广泛关注，研究人员试图操纵和重置癌症表观基因组。这些研究产生了大量靶向表观遗传关键因子和染色质重塑因子的小分子候选药物，同时推动了表观遗传调节剂在与癌症以外的其他疾病中的研究。 肿瘤学中临床进展最快的表观遗传治疗方法是DNA甲基转移酶抑制剂（DNMTi）和组蛋白脱乙酰酶（HDAC）抑制剂。DNA序列中CpG上的5-碳的甲基化可能是癌症中最有代表性的染色质修饰。有证据表明，大多数癌症中都存在DNA甲基化程度的大规模改变，从而导致了抑癌基因的失调，染色质结构的广泛移动和基因组内转座子的激活。值得一提的是，在儿童室管膜瘤中，即使没有任何DNA编码突变，仍可用DNA甲基化准确地评估患者的预后。虽然DNA甲基化的基因组图谱有助于预测许多癌症的预后，但是迄今为止，这些预测在指导临床治疗决策（包括使用DNMTi，如阿扎胞苷或地西他滨）方面尚未形成共识。 阿扎胞苷可能是目前最成功的表观遗传治疗药物之一。这种药物已经改变了骨髓增生异常综合征（MDS）的历史，但是关于药物的分子机制仍有争议。阿扎胞苷重新激活癌细胞中某些异常沉默基因的表达，但是在MDS和其他癌症中可以指导该药使用的基因标志物仍未被发现。此外，尽管对于阿扎胞苷的作用机制研究集中在降低DNA甲基化程度，但也发现了这个核苷类似物能够优先插入RNA并显著改变RNA和蛋白质代谢。最近的研究表明，这类DNA甲基转移酶抑制剂的一种可能机制是通过重新激活细胞内的内源性逆转录病毒元件，从而激活免疫系统。这些最新的研究突显了表观遗传癌症治疗的一个新兴主题：与宿主免疫功能相互作用。 最近几年来，针对表观遗传记号的添加、读取和去除的靶向药物也正在逐渐出现，这包括BET、LSD1、突变的IDH抑制剂等，这些药物的临床实验还没有公布数据，但是已经带来的新的知识。其中的一些表观遗传药物被用于靶向癌症中的对于恶化至关重要的编码突变。比如说，在急性髓细胞白血病中，突变IDH的抑制剂在临床试验中取得了喜人的结果，在接受过多种治疗的复发或难治性患者中，响应率达到了40%，其中有20%是完全缓解。 表观遗传疗法还被用于非致癌基因的表观遗传依赖性。例如，在急性髓细胞白血病中开展的几项治疗研究都不是靶向癌症中突变的蛋白，而是利用肿瘤细胞对于异常转录的依赖性，靶向特异性表观遗传因子DOT1L、BET和LSD1。尽管最初对于这种会影响所有蛋白转录的药物有一定顾虑，但是早期数据显示其安全性可以接受，并且在15%的患者中取得了疗效。不过，在这个方向，临床前研究中获得的出色结果和临床试验中尚可的疗效间有一定的距离。这说明了临床前动物模型仍然不能完全反应实际的疾病，此外，在临床前模型中对药物的研究也还不够细致。我们需要更好的动物模型、更强大的化学工具、以及创新的策略来解决这些问题。 肿瘤异质性和转录可塑性 在许多恶性肿瘤中，每位患者身上都可能会出现遗传和功能不同的多种癌细胞亚型。这种肿瘤内部的异质性其实不难理解，人体中的每种组织都由遗传学上完全相同的细胞构成，但是这些细胞功能各异，每种组织中都由内在和外在因素达到细胞在自我更新和分化上的平衡。对于肿瘤来说也是这样的，那些引起癌症的细胞能够自我更新并维持肿瘤的存在，而那些恶性肿瘤细胞快速生长，却不能自我更新。从遗传学角度看，这些功能上的异质性主要是由表观遗传调控者通过调节转录水平来实现的。 表观遗传异质性比基因异质性更加动态，而且表观遗传调控者在环境和药物压力的影响下作出的转录可塑性调整可能是导致许多癌症药物在患者中的疗效不能持久的原因。有一种假说认为治疗失败通常来自肿瘤干细胞中的适应性调整。最近在临床前模型中发现急性髓细胞白血病中表观遗传治疗的耐药性源自一些白血病干细胞亚群，验证了这个假说。这种耐药性由转录可塑性而不是遗传进化产生，这也是癌症生物学中表观遗传耐药性的新的研究方向。 联合治疗 实践经验经常使人相信多种药物的联合治疗会取得更好的效果。但是与之相反，一些研究已经证明表观遗传学药物的组合没有产生协同作用，并且实际上可能出现拮抗作用。单独使用DNMTi延长了许多骨髓增生异常综合征患者的生命，单独使用HDAC抑制剂在一些患者中也有疗效，但是联用这两种药物比用单独DNMTi的疗效要差。这些研究结果表明仍需要探索表观遗传组合治疗的分子原理，并通过适当的临床前模型和肿瘤原代细胞模型来进行实验验证。最近几项研究采用BET抑制剂与DOT1L抑制剂组合，以及IDH抑制剂与BCL2抑制剂组合的合成致死疗法，为未来的联合治疗试验奠定了基础。 开发新的表观遗传疗法 有效调节癌症表观基因组的小分子药物研究十分热门，但是目前还没有明确的靶点。许多研究者已经通过遗传筛选寻找能在体外和体内模型中杀死癌细胞的的靶点。但是，通过CRISPR或RNA干扰等基因敲除方法来寻找表观遗传靶点时需要注意，许多表观遗传学蛋白是在复合物中才有作用，并且单个蛋白在不同复合物中的作用也不一样，可能是支架、靶向或催化作用。因此，筛选出来的某个蛋白可能破坏了复合物整体功能，因此它可能不是真正的适合成药的靶点。 此外，表观遗传蛋白通常包含几个功能区域，其中一些用于结合修饰后的DNA或组蛋白，另一些可以催化或除去修饰物。每一个区域都可能在表观遗传调节中具有不同的作用。因此，确定影响表型的区域对药物设计至关重要。最近有些研究采用基因组编辑的方法来鉴定对于药物开发最关键的蛋白质区域。也许未来理想的寻找表观遗传药物的方法是使用这些策略的组合。 总结和展望 表观遗传调节在癌症的发生和发展中的重要作用给研究靶向治疗提供了大量机会。到目前为止，所有新的表观遗传药物都用在治疗复发和耐药性癌症的早期临床试验中，有些患者达到了完全缓解，这为这个领域带来了希望。期望表观遗传疗法作为单药治疗恶性肿瘤可能不现实，未来的重点在于开发针对某些特定癌症人群的药物以及组合疗法。比如说对于非常凶险的急性髓细胞白血病，联合化疗在达到完全缓解上非常有效，但是问题在于总有一些肿瘤起源细胞能够存活下来并成为日后复发的基础。表观遗传调控者中的突变对于肿瘤起源细胞的出现有很重要的作用，因此表观遗传药物也许能成为化疗后的维持药物，以期保住化疗的效果。表观遗传药物和其它靶向药物相互作用后出现的合成致死作用也有可能取得成功。 越来越多的证据显示癌症表观遗传学和癌症免疫学相互依赖。表观遗传治疗会激发免疫反应，免疫激活反过来也有助于药物发挥功效。越来越多的研究还发现，表观遗传治疗能够增强过继性免疫疗法和免疫检查点抑制剂的效果。因此，免疫治疗和表观遗传治疗的组合疗法将是下一个前沿。尽管肿瘤在药物治疗的压力下会不断进化，我们对于这个进化过程以及表观遗传调控在其中的作用越来越了解，这带来了许多新的治疗机会。整个领域对于表观遗传药物成为恶性肿瘤治疗的基石之一充满信心。 |
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