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表观遗传学特指会造成基因表达发生改变且不在 DNA 内进行编码的遗传修饰。广义上包括组蛋白修饰、DNA修饰和RNA修饰以及miRNA等参与的表观遗传调控。 经典表观遗传学 组蛋白乙酰化在调节染色质结构和转录活动中发挥关键作用。组蛋白乙酰转移酶 (HAT) 作用下的组蛋白高度乙酰化与转录激活相关，而组蛋白去乙酰化酶 (HDAC) 作用下的组蛋白去乙酰化则与转录抑制相关。 组蛋白甲基化的精氨酸与赖氨酸残基是形成基因组的活性区与非活性区的主要决定因素。甲基化功能是激活还是沉默取决于不同位点，如转录激活相关的H3K4、K36、K79；转录沉默相关的H3K9、 K27、H4K20）。而甲基化程度也与不同的转录效应相关。 与组蛋白修饰功能相关的靶点包括三大类，即writers（催化修饰形成），erasers（去除催化）以及readers（识别修饰介导生物学过程）。点击查看：组蛋白组蛋白 H3 的表观遗传学“编写酶”和“去除酶”；组蛋白 H2A、H2B 和 H4 的表观遗传学“编写酶”和“去除酶”。 另外，调节染色质结构是调控转录激活和抑制的必要部分。通过 ATP 依赖的染色质重塑物（例如：NuRD、Polycomb 和 SWI/SNF 复合体）破坏组蛋白-DNA互作。这些重塑物已被证实能够调控基因活化/抑制、细胞生长、细胞周期和分化。 肿瘤中的表观遗传学 快速导读 组蛋白突变及修饰：致癌组蛋白(oncohistone)，组蛋白修饰，组蛋白突变 DNA甲基化：5-mC ，5-hmc, 诊断靶标 RNA修饰：m6A, m5C, FTO, 肿瘤发生，肿瘤免疫 癌症的表观遗传驱动因子和调节分子：混合谱系白血病 (MLL)，骨髓增生异常综合征 (MDS) 和急性髓系白血病 (AML)，弥漫性内生性脑桥胶质瘤 (DIPG)，乳腺癌，前列腺癌 1. 组蛋白突变及修饰 在组蛋白甲基化发育过程中对基因组进行适当编程很重要，而甲基化机制的异常调节可导致如癌症等疾病状态。事实上，恶性肿瘤基因组分析揭示了在 H3K27 和 H3K36 中的赖氨酸突变。 表观遗传途径中的突变是常见的致癌驱动因子。癌性组蛋白是具有致癌特征的突变组蛋白，可影响染色质总体特征，并驱动基因表达改变引起的肿瘤发生。78% 的弥漫性内生性脑桥胶质瘤 (DIPG) 含有一个组蛋白 H3 癌性组蛋白，其中 Lys 27 因错义突变被替代为蛋氨酸，影响其被甲基化的能力并抑制基因表达。 H3K27M H3K27M 是一种癌性组蛋白，该蛋白中的突变导致肿瘤发展，其原因是Ezh2不再能够甲基化组蛋白以及基因表达异常上调。  图1.使用 Histone H3 (K27M Mutant Specific) (D3B5T) Rabbit mAb（绿色）和 β-Actin (8H10D10) Mouse mAb #3700（红色），对含敲入带 FLAG 标签的 K27M 突变体组蛋白 H3.3 基因（左图，阳性）或敲入带 FLAG 标签的野生型组蛋白 H3.3 基因（中间，阴性）的小鼠星形胶质细胞和 HeLa 细胞（右图，阴性）进行共聚焦免疫荧光分析。 Ezh2 H3K27 甲基化改变主要是因为基因组中的 Ezh2 错位，可通过 ChIP-seq 分析予以确认。已发现 EZH2 和 H3K27me3 在染色质中相互结合。图2显示了 EZH2 和 H3K27me3 在 MYT1 基因中的结合。  图2 Ezh2 (D2C9) XP®Rabbit mAb #5246 – WB、IP、IHC、IF、F、ChIP 突出表现：205篇文献引用该抗体  Ezh2 过表达在包括乳腺癌在内的许多癌症中发挥作用，它将甲基基团添加到 H3K27，从而触发基因沉默。 UTX UTX 是 EZH2 的对应蛋白，可去除 H3K27 的甲基基团。 UTX (D3Q1I) 兔单克隆抗体 #33510 – WB、IP、IHC  图3. 使用 UTX (D3Q1I) Rabbit mAb 对石蜡包埋的人乳腺癌进行免疫组织化学分析。 乳腺癌可由多种不同的表观遗传学机制驱动。Ezh2 蛋白介导的组蛋白甲基化驱动维持细胞识别所需的基因沉默。组蛋白甲基化调节异常会导致细胞识别缺失，进而导致肿瘤转化和乳腺肿瘤侵袭性增加。 H3K27me3 警惕由 EZH2 过表达或 UTX 突变引起的 H3K27 甲基化增加。 致癌组蛋白 2019年3月20日，David Allis实验室在Nature杂志上发表了完整的人类致癌组蛋白（oncohistone）突变谱。揭示致癌组蛋白通过调控染色质变化导致肿瘤发生，研究发现经典的“癌基因组”突变发生在组蛋白H3的N-末端尾部并影响多梳抑制因子复合物PRC1和PRC2的功能。然而，组蛋白突变在其他肿瘤背景中的流行和功能尚不清楚。该研究结果将大数据分析、生物化学与结构生物学结合分析显示，突变发生在所有四个核心组蛋白中，在N-末端尾部和球状组蛋白折叠结构域中，以及在含有重要翻译后修饰的残基处或附近。组蛋白突变数据集和这里提出的关于突变对重要染色质功能的影响的假设应该作为染色质和癌症生物学领域的资源和起点，探索组蛋白突变在癌症中的扩展作用【1】。  图4. 致癌组蛋白通过调控染色质变化导致肿瘤发生的模式图. 组 蛋白修饰研究 蛋白质乙酰化分析：AcetylScan® 试剂盒与服务为您提供独一无二的整体策略，帮助您全面分析蛋白质乙酰化过程中HDAC和HAT的活性。AcetylScan® 产品利用对乙酰化赖氨酸(Ac-K)有高度亲和性的抗体，富集经蛋白酶消化处理的细胞或组织样本中的乙酰化肽段。之后使用液相色谱法(LC)串联质谱(MS/MS)分析样本，生成细胞内蛋白乙酰化位点的定量图谱。 蛋白质组甲基化分析：MethylScan® 试剂盒与服务使用专有实验方法，对蛋白质甲基化甲基转移酶和去甲基酶的活性进行整体分析。我们的实验方法使用对单甲基精氨酸、对称和非对称二甲基精氨酸及单甲基赖氨酸具有高度亲和性的抗体，富集经蛋白酶消化处理的细胞或组织样本中的甲基化肽段。之后使用液相色谱法(LC)串联质谱(MS/MS)分析样本，生成细胞蛋白的甲基化位点定量图谱。  图5. SimpleChIP®试剂盒、引物和抗体用于定量分析 CST 提供SimpleChIP ®一站式解决方案，从原理、实验步骤详解到实操演示，轻松实现成功ChIP。推荐阅读：从新手到成功：ChIP实验自学课程与难点总结 2. DNA甲基化 DNA甲基化是人们进行最多研究的表观遗传修饰形式之一。研究发现 Ten-Eleven 转运蛋白 TET1、TET2 和TET3 可以催化甲基化的胞嘧啶氧化成 5- 羟甲基胞嘧啶 (5-hmC)。此外，TET 蛋白还可以氧化 5-hmC形成 5- 甲酰基胞嘧啶 (5-fC) 和 5- 羧基胞嘧啶 (5-caC)，胞嘧啶残基甲基化导致基因沉默，其对基因表达、基因组印迹和发育的恰当调控起关键作用【2-4】。研究发现，不恰当的DNA甲基化（包括关键基因启动子区中CpG岛的过度甲基化）与癌症的发生有关联。  图6. DNA甲基化示意图 DNMT3A 过表达或 TET2 失活引起的这种甲基化失调可导致异常的区域性 DNA 超甲基化。这可以通过转录抑制肿瘤抑制基因或取代 CTCF 蛋白导致癌基因异常表达，从而促进骨髓增生异常综合征 (MDS) 和急性髓系白血病 (AML) 发病机制。 DNMT3A DNMT3A 是一种甲基转移酶，在 MDS/AML 中常发生突变。  图7. 使用 DNMT3A (D2H4B) 兔单克隆抗体对 NCCIT、NTERA-2 cl.D1 和 HCT 116 细胞的提取物进行蛋白印迹分析。该抗体可检测 DNMT3A 的多个同工型，包括同工型 1 和同工型2 TET2 甲基转移酶 TET2 失活是骨髓增生异常综合征 (MDS/AML) 中最常见的突变基因，MDS 是骨髓增生、巨核细胞增生和/或细胞系发育异常，其中 30% 可进展为急性髓系白血病 (AML)。它在弥漫性大 B 细胞淋巴瘤中也有突变。在实体肿瘤，如前列腺癌、黑色素瘤与口腔鳞状细胞癌中，TET2 蛋白表达通常减少。  图8. 5-mC & 5-hmC DNA异常甲基化会导致癌症等疾病。抑癌基因中启动子 CpG 岛的过甲基化与基因沉默和癌症发生有关。同时 5-hmC 的低水平与髓性白血病和黑色素瘤等癌症有关，此外，大多数基因组 DNA 的低甲基化与癌症发病有关并且可能导致癌症发病。除了结肠癌、乳腺癌和胃癌之外，DNMT1、DNMT3A 和 DNMT3B 还在许多癌症中过表达，包括急性和慢性髓细胞性白血病 【5-8】。而DNA 甲基化标记也可用于诊断和确定某些癌症预后，包括前列腺癌、黑色素瘤以及口腔鳞状细胞癌。 关注肿瘤中DNA异常甲基化，常检测由 DNMT3A 过表达或 TET2 失活导致的 5-甲基胞嘧啶和 5-羟甲基胞嘧啶水平的变化。  图8. 使用 5-Methylcytosine (5-mC) (D3S2Z) Rabbit mAb #28692（绿色）和 DYKDDDDK Tag (9A3) Mouse mAb #8146（红色），对转染表达带有 DYKDDDDK 标签的 TET1 催化结构域 (TET1-CD) 表达载体的 293T 细胞进行共聚焦免疫荧光分析。蓝色伪彩 = DRAQ5® #4084（DNA 荧光染料）。正如预期的一样，表达 TET1-CD（红色）的 293T 细胞出现 5-甲基胞嘧啶（绿色）水平下降。 已有研究表明，5羟甲基化（5-hmC）在多种肿瘤中异常调控， 5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC）的基因组谱检测是成人癌症患者的强有力的诊断生物标志物【9】。来自芝加哥大学的科学家团队，基于前期神经母细胞瘤细胞系5hmC研究基础上，通过建立DNA 5hmC化学捕获技术对神经母细胞瘤做进一步研究发现，5-hmC的DNA修饰促进了活性基因转录，功能基因突变，通路激活等高度相关，通过检测驱动神经母细胞瘤的5-hmC基因表达谱，可作为神经母细胞瘤的新型预后标志物【10】。 DNA 甲基化相关产品列表
3.RNA修饰 m6A m6A是高等生物mRNA和lncRNAs上丰富的甲基化修饰。并且是一种动态可逆的修饰方式。主要存在于mRNA的CDS区和3’UTR区。m6A 可调节各种细胞功能，包括 RNA 剪切、翻译调控、多能性和细胞命运决定、神经元功能及疾病 【1, 14-17】。m6A的相关修饰，由甲基转移酶复合体（METTL3、METTL14和WTAP组成）、去甲基酶（FTO和ALKBH5）以及相应的阅读器（YTHDF1/2/3，YTHDC1）协同调控。 已发现的m6A RNA甲基化功能有很多，如m6A 写入蛋白复合体与 AML 和子宫内膜癌等各种癌症类型有关。此外，m6A 与化疗耐药性有关【11】。 图9. 来自【11】 2019年2月7日，中科院北京基因组研究所韩大力团队与清华大学徐萌团队、美国芝加哥大学何川团队合作在Nature上报道发现，RNA m6A修饰通过调控树突状细胞的溶酶体组织蛋白酶翻译效率，影响肿瘤抗原特异性的T细胞免疫应答新机制；与野生型小鼠相反，Ythdf1缺陷型小鼠显示出升高的抗原特异性CD8 + T细胞抗肿瘤反应，且该小鼠模型中，PD-L1检查点阻断的治疗功效增强，暗示YTHDF1作为抗癌免疫疗法中的潜在治疗靶标【12】。 来自中山大学肿瘤防治中心林东昕/郑健中肿课题组与徐瑞华课题组发现吸烟及二手烟导致胰腺癌的新机制，通过m6A修饰的香烟烟雾诱导的miR-25-3p过度成熟促进了胰腺癌的发展和进展【13】。 黑色素瘤是最致命和难治愈的癌症之一。在已有研究报道，m6A去甲基化酶FTO对的N6-甲基腺苷（m6A）mRNA去甲基化会促进黑素瘤生长和减少对抗PD-1阻断免疫疗法的反应。结果显示FTO抑制与抗PD-1阻断的组合可降低黑素瘤中对免疫疗法的抗性【14】。 另外，中科院上海药物研究所杨财广研究员 联合联合美国希望之城贝克曼研究所陈建军教授团队，佛罗里达大学钱志坚教授团队发表研究工作，开发了两新型高效FTO小分子抑制剂，特异性抑制FTO的m6A去甲基化酶活性，并抑制急性髓系白血病细胞的增殖，有望用于该病的临床治疗(15)。 针对m6A研究，CST提供高特异m6A抗体，N6-Methyladenosine (m6A) (D9D9W) Rabbit mAb #56593 可检测内源水平的 N6- 甲基腺苷 (m6A)。该抗体经如下验证： 1. CST内部验证显示，该抗体使用 ELISA 和斑点印迹实验进行了验证，并且表明对 m6A 有高特异性。 2. 该抗体不会与未修饰的腺苷、N6- 二甲基腺苷、N1- 甲基腺苷或 2'-O-甲基腺苷发生交叉反应。 3. 独立实验室的实验表明，该抗体在 RNA-IP-seq 中有效。请按实验决定的稀释度使用。 m5C 杨运桂团队联合中山大学肿瘤医院周芳坚团队、谢丹团队和中科院生化细胞所黄旲团队的研究工作揭示了mRNA甲基化调控实体瘤膀胱癌发生的分子机制，发现m5C通过细胞质内新结合蛋白YBX1调控mRNA的稳定性，进而调控膀胱癌的增殖和转移【16】。 RNA 修饰相关抗体
4. 癌症的表观遗传驱动因子和调节分子 在寻找新的预防、检测和治疗方法时，了解表观遗传学在癌症发生和进展中的作用至关重要。我们总结了几种癌症的重要表观遗传学生物标志物、调节因子和组蛋白修饰的入门指南。 综合如上表观遗传关键因素，染色质和表观遗传调节对于在发育期间和处于压力条件下的基因组正确编码至关重要，由于基因表达的异常调节会导致疾病状态，肿瘤的发生或转移相关。针对肿瘤中异常的表观失调，针对肿瘤的表观遗传调控，有望开发更多染色质重塑等靶点药物，或与肿瘤靶向药物，化疗或免疫治疗相关药物联合用药，用于肿瘤治疗。 【参考文献】 1. Benjamin A. et al. (2019) Nature 567, 473–478. 2. Hermann, A. et al. (2004) Cell Mol Life Sci 61, 2571-87. 3. Turek-Plewa, J. and Jagodziński, P.P. (2005) Cell Mol Biol Lett 10, 631-47. 4. Tahiliani, M. et al. (2009) Science 324, 930-5. 5. Mizuno, S. et al. (2001) Blood 97, 1172-1179. 6. Robertson, K.D. et al. (1999) Nucleic Acids Res. 27, 2291-2298. 7. Xie, S. et al. (1999) Gene 236, 87-95. 8. Kanai, Y. et al. (2001) Int. J. Cancer 91, 205-212. 9. Mariani CJ, Vasanthakumar A, Madzo J, et al. (2014) Cell Reports 7:1343-1352 10. Mark A. Applebaum, et al. (2019 )JCO Precision Oncology 3, 1-12 11. Ting Sun, et al. (2019) Biomedicine & Pharmacotherapy 112, 108613. 12. Dali Han，et al. (2019) .Nature.566，270–274. 13. Jialiang Zhang. et al. (2019) Nature Communications 10, 1858. 14. Seungwon Yang，et al. (2019) Nature Communications. 15. Huang, Y. et al. (2019) Cancer Cell , 35 (4), 677-691 16. Xin Chen, et al. (2019) Nature Cell Biology21, 978–990 |
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