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表观遗传学意义范文1
一般意义上的遗传学指基于DNA序列改变导致基因表达水平的变化,如基因突变、基因杂合丢失和微星不稳定等,表观遗传学指非DNA序列改变,是细胞内除了遗传信息以外的其它可遗传物质发生的改变。表观遗传学研究主要包括染色体重塑、组蛋白修饰,DNA甲基化,非编码RNA调控等。
真核细胞的特征是有细胞核,细胞核包含了真核生物几乎所有的遗传物质。真核生物基因组DNA储存在细胞核内的染色质中,核小体( nucleosome) 是构成真核生物染色体的基本结构单位。各核小体串联而成染色质纤维,核小体DNA长度约为165个碱基对,其中缠结在组蛋白八聚体周围的核心DNA( core DNA) 约1. 65圈,约合147个碱基对,而相邻的核小体之间的自由区域( linber DNA) 为20 - 50个碱基的长度,也就是基因组的75% ~ 90% 被核小体所占据。组蛋白八聚体由H2A、H2B、H3和H4各2个拷贝组成,每个核心组蛋白都有两个结构域: 组蛋白的球形折叠区和氨基末端结构像一条尾巴( tail) 位于核小体的球形结构以外,可同其它调节蛋白和DNA发生相互作用,染色体的高级结构和基因的转录调控都与组蛋白密切相关。核小体组蛋白的尾巴可以发挥信号位点的作用。
上面已谈到表观遗传学是指非DNA序列改变,而是改变染色质结构导致基因表达水平的变化。那么,染色质结构改变如何导致基因转录和表达水平改变的呢?
其一,在细胞里,DNA-染色质的形式存在,核小体是染色质的基本结构单位,75% ~ 90% 的基因组存在其中,核心组蛋白的尾巴的各种位点通过多种转移酶的作用,发生共价修饰,组蛋白通过电荷相互作用( 组蛋白尾巴带正电荷,DNA带负电荷) 如组蛋白乙酰化修饰可以通过电荷中和方式削弱组蛋白-DNA或核小体 - 核小体的相互作用,或引起构象的变化,破坏核小体结构,使DNA接近转导机构,激活转录。
其二,为保证染色质的DNA与蛋白质的动态结合,细胞内产生了一系列特定的染色体重塑复合物,也称重塑子,它们利用水解ATP的能量通过滑动、重建、移除核小体等方式改变组蛋白与DNA结合状态,使蛋白质易于接近目标DNA。依据重塑子包含的ATP酶中催化亚基结构域的不同,把重塑子分为SWI/SNF、ISWI、CHD、IN080四大家族。组蛋白修饰后如乙酰化的组蛋白可以募集转录复合物进入到一个基因位点,影响转录。
2 认知过程中的表观遗传学机制
通过新信息或经验获得的记忆可保持数月、数年,甚至终生,而长时间保持存活的蛋白质或mRNA的半衰期只有24 h,显然,二者之间存在很大的矛盾,那么记忆的物质基础到底是什么? 1984年,Crick提出了一个假设,即记忆编码在染色体的DNA上,虽然当时他并不是十分确信,但现已澄清,染色体是信息的携带者,而且可以代代传下去,染色体结构或化学上的改变与认知功能的关系可作如下的理解: 表观遗传学的改变是对来到大脑的信息、应激和神经元活性改变做出结构上的适应,最终将信息带至并激活特异性基因表达程序。目前研究证明,在脑的一些区域发生的表观遗传学改变如组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化可以稳定地改变动物的行为,包括学习、记忆、抑郁、药物依赖、突触可塑性等等,为长记忆的形成、巩固和突触可塑性的形成、维持提供解释[5,6,7,8]。
阅读近十几年发表的有关表观遗传学文章后,解决了长期以来认知过程中令人费解的一些问题,本文着重介绍在脑的不同区域( 主要是海马和脑皮层) 组蛋白修饰和DNA甲基化在认知过程中的作用及其可能的机制。
2. 1组蛋白乙酰化[9,10,11]一系列表观遗传学改变都能影响记忆过程,其中组蛋白乙酰化,具有明确、显著地促进记忆的形成和巩固。组 蛋白乙酰 化是通过 组蛋白乙 酰化酶( HATs) 催化完成的。HATs将带正电荷的乙酰基转移到组蛋白N末端尾区内赖氨酸侧链的-氨基。组蛋白乙酰化酶被分成3个主要家族: GNAT超家族,MYST家族和P300 /CBP家族。将乙酰基从组蛋白移走,由组蛋白去乙酰化酶( HDACs) 催化完成,HDACs被分成4类: Ⅰ类,锌依赖型HDACs,Ⅱ类和Ⅳ类HDACs,Ⅲ类NAD依赖性HDACs。在哺乳动物中,海马在记忆形成中起重要作用。许多学者以海马区域作为研究对象,研究了组蛋白乙酰化对条件性恐惧中的背景记忆( contextual memory) 和空间记忆的影响。研究证明组蛋白乙酰化或抑制HDACs活性都能增强条件性恐惧中的背景记忆和Morris水迷宫中的空间记忆以及增加突触可塑性( synaptic plasticity) 。应当指出的是,脑中组蛋白乙酰化不是独立于其它组蛋白修饰而存在,而是在组蛋白乙酰化的同时,也往往存在组蛋白磷酸化、甲基化。组蛋白乙酰化削弱了组蛋白与DNA之间的静电亲和力,从而促进染色体结构接近转录基因机构,引起基因持续性改变,增加神经元活动,乙酰化修 饰后的组 蛋白也可 以募集其 它相关因子[10,11,12,13],如转录复合物,进入到基因位点,影响转录。
2. 2 组蛋白乙酰化的调节机制[14,15,16]
2. 2. 1神经元活性与组蛋白乙酰化组蛋白乙酰化可由许多类型的神经元活性所调节,例如,KCl介导的神经元去极化引起海马培养中的核心组蛋白H2B乙酰化的增加,再如,特异性受体激动剂可兴奋多巴胺能、乙酰胆碱能、谷氨酸能途径,增加小鼠海马H3K14和H3S10的乙酰化,在所有这些情况下,组蛋白乙酰化都伴有细胞外调节激酶ERK( MAPK家族中的一员) 的激活,直接激活MAPK-ERK信号途径可增加组蛋白乙酰化,而MAPK-ERK抑制剂则可阻断组蛋白乙酰化[16,17,18],这些研究表明,神经元活性引起组蛋白乙酰化是通过MAPK依赖性途径的激活,而且也可能是通过H3S10磷酸化之间的对话。后者常与在蛋白乙酰化同时存在,从染色体脱离的HPAC2引起的神经活性,也能改变组蛋白的乙酰化,用BDNF刺激皮层神经元,能引起HDAC2在胞嘧啶262和274位的硝基化及随后组蛋白的高乙酰化及随后组蛋白的乙酰化,并伴有神经营养因子依赖性基因表达的增强。已知MECP2可增加BDNF的表达,但被HDAC2负面调节。因此,神经活性参与了以HDAC2和BDNF为中心的正性反馈,该系统导致组蛋白乙酰化和基因自身的持续表达。
2. 2. 2突触可塑性与组蛋白乙酰化长时程突触可塑性涉及突触维持和交流有关基因表达的改变,已有充分材料证明,组蛋白乙酰化促进这一改变,例如在海兔( Aplysia) 组蛋白乙酰化能诱导长期易化 ( LTF) 并伴有CREB结合蛋白CBP的增加[19],类似的改变也在突触素( synapsin) 的启动子区域观察到,突触素与LTF和LTD均有关。不过,伴有CREB乙酰化的减少,正常情况下,诱导LTF需施加强电刺激,但如果提前给予RNA干扰( RNAi) ,弱的电刺激也能诱导LTF。这一发现提示,组蛋白乙酰化程度与突触可塑性程度密切相关,HDAC1能增加天然存在的突触传递过程,在哺乳动物的LTP也与组蛋白乙酰化水平有关。LTP诱导可平行出现H3和H4组蛋白乙酰化的增加,从研究中还明显看出LTP促进乙酰化,改变特异地存在于与突触传递有关基因如Reelin和BDNF启动子区域,这一结果与前述看法一致,即在组蛋白乙酰化过程中存在一个基因自身持续性改变的正性反馈系统。此外,有关HATCBP的研究表明,增加组蛋白乙酰化能促进LTP,部分或完全缺失CBP功能的小鼠出现组蛋白乙酰化水平的下降和LTP形成受阻。不过,不依赖转录的早期LTP不受影响。
2. 2. 3记忆形成与组蛋白乙酰化[20,21]在低等生物和哺乳动物进行的研究证明,不管哪种记忆类型或哪种记忆时相( 记忆获得,巩固和再现) 都能对组蛋白乙酰化进行调节,例如背景性和线索性恐惧记忆( fear memory contextual and fearmemory cued) 都能增加H3乙酰化,小鼠眨眼条件反射( eyeblink conditioning) 和大鼠潜伏抑制 ( latent inhibition) 能分别增加组蛋白H3和H4乙酰化,大小鼠物体识别记忆( Objectrecognition memory) 伴有H3和H4乙酰化的增加,此外优先食物转换( social transmission of food preference) 和食物厌恶记忆( food aversion memory) 等均能增加H3乙酰化,空间记忆( spatial memory) 伴有H2B,H3和H4乙酰化。
从上述组蛋白乙酰化研究的论述可得出以下几点结论:
( 1) 组蛋白乙酰化,不是脱离开其它组蛋白修饰而独立存在,即在发生组蛋白乙酰化的同时,也有组蛋白磷酸化、甲基化等的发生,其它表观遗传学改变对组蛋白乙酰化起了协同作用。
( 2) 神经元活性可调节组蛋白乙酰化,神经元活性的启动需要MAPK-ERK信号途径的激活。
长记忆和突触长时程增强均涉及许多基因的转导和表达,最常见和最重要的基因包括即早基因Zif/268,Creb,Bdnf和Reelin等。
( 3) 许多种类的神经活性存在一个以BDNF和HDAC2为中心的正性反馈系统,该系统可导致组蛋白乙酰化和基因自身持续表达程序。
( 4) 在多种生物体和细胞研究中观察到各种不同类型的记忆模式和不同记忆时相都能引起组蛋白乙酰化,进而促进记忆和有关基因的转录和表达。
( 5) 组蛋白乙酰化能引起长记忆的形成和巩固,但对无须转录的短记忆和早期LTP没有影响。
2. 3神经元活性是如何引起组蛋白乙酰化,它的作用机制是什么?[11]途径之一,神经元活性包括LTP和学习激活G蛋白偶联受体( GPCRs) ,然后依次激活腺苷环化酶( AC) 产生c AMP,后者激活PKA,PKA磷酸化MEK( MAPK家族中的一员) ,MAPK的家族成员能直接磷酸化组蛋白,随后启动组蛋白乙酰化。
途径之二,神经元活性可通过钙内流引起膜去极化,然后激活CAMKⅡ,后者磷酸 化甲基-CPG结合蛋白2( MECP2) ,使MECP2从染色体脱离出来,Calmodulin刺激BDNF启动子区域的基因转导。BDNF激活一氧化氮合酶导致组蛋白乙酰化酶2( HDAC2) 的硝基化,在硝基化作用下,HDAC2从染色体中脱离出来并强化硝基化,结果引起BDNF表达并参与正性反馈系统,进而促进记忆 - 持续性基因表达的改变( 见Fig 1) 。
其他一些学者的研究工作指出: 激动NMDA受体,抑制磷酸二酯酶( PDE) ,增加细胞内钙等多种途径均可激活PKA,PKA则可直接激活CBP,如前所述。含有乙酰转移酶活性的CBP与CREB结合,是提高突触可塑性形成长记忆的必备条件; NO启动组蛋白影响记忆的机制有二,一是激活N0-cG MP-Ca MKII-CREB磷酸化的信号转导途径; 二是NO依赖性的HDAC的5-硝基化,可增加组蛋白乙酰化,而NO供体与5-硝基谷胱甘肽,可抑制HDAC活性,因而,也能增加组蛋白乙酰化。此外,神经元活动或突触活动引起胞外钙内流入神经细胞内,使Me CP2的S421磷酸化,S80去磷酸化,后者从染色质分离出来,发挥对神经可塑性和记忆的调控作用。
2. 4 RNA干扰 ( RNA interference,RNAi)指内源性或外源性双链RNA( dsRAN) 介导细胞内mRNA发生特异性降解,导致靶基因表达沉默,产生相应功能表型缺失,RNA干扰下的基因沉默是表观遗传学的重要内容,人工合成的小RNA( SiRNA) 包括miRNA和SiRNA。小RNA序列较短,能指导Argonaute蛋白识别的靶分子并导致基因沉默。
已证明,组蛋白去乙酰化酶HDAC阻遏学习记忆,并在细胞内有广泛分布,人工合成HDACi显然有重要的治疗价值,HDAC2的结构很接近HPAC1,尽管如此,科学家们还是合成许多类型的HDACi,上述各种类型学习记忆和突触可塑性模型证明使用HDAC2i可促进记忆,增强LTP,阻遏记忆下降。
3 组蛋白和 DNA 甲基化[20,21]
甲基化可发生在组蛋白,也可发生DNA上。尽管这二种甲基化产生的方式、调节机制和涉及的酶与蛋白等有所区别,但二者甲基化的结果是一致的,即他们都能激活基因的转录与表达,从而促进长记忆的形成和提高突触可塑性。这点学术界的看法一致,没有任何异议。下面将重点介绍组蛋白和DNA甲基化是如何形成,又如何影响基因转录及长记忆和突触可塑性的?
真核细胞中,甲基化只发生在胞嘧啶第五位碳原子上,是由甲基转移酶所催化,以S-腺苷甲硫氨酸( S-adnosylmethionine,SAM) 作为甲基供体,将甲基转移到胞嘧啶上,DNA甲基化主要发生在Cp G双核苷酸序列的胞嘧啶上,哺乳动物异染色质的DNA约有80% 的CPG被甲基化,根据作用方式和反应酶不同,DNA甲基化分为两种: 维持甲基化( maintenance methylation) 和从头甲基化 ( de novo methylation) ,前者与DNA复制相关联。当甲基化的双链DNA被复制生成两条的新的双链DNA后,只有亲代链是甲基化的,甲基转移酶是DNMT1,后者则是DNA上甲基化状态的重新构建,它不依据DNA复制在完全非甲基化的DNA碱基位点上引入甲基,是甲基化的建立机制。甲基转移酶依赖于DNMT3a和DNMT3b的活性。
对基因转录的影响: 目前研究发现,组蛋白精氨酸甲基化常伴随转录的激活,赖氨酸残基上的甲基化则因赖氨酸所在的位置不同而有差别,赖氨酸甲基化发生在组蛋白H3的第4,第9,第27,第36,第79( K4,K9,K27,K36,K79) 位及H4K20位上,其中,在酵母和哺乳动物细胞中H3K4和H336位点被甲基化可以激活转录,而H3K9 K27 K79和H420的赖氨酸甲基化则可抑制转录。
DNA甲基化对基因表达的调节主要表现为抑制转录活性,一种可能的机制是由于DNA甲基化直接抑制了转录因子的结合,不能形成转录复合体,从而也就抑制了基因转录活性[16,18,20]。
对记忆的调节作用: Swati Gupta及其同事[21]研究了组蛋白甲基化对成年动物海马部位记忆形成的影响,他们的研究得出如下主要结果: 恐惧记忆能触发海马CA1区H3K4三甲基化( 转录激活标志) 和H3K9二甲基化( 转录抑制标志)的变化; H3K4特异的甲基化转移酶MⅡ缺失的小鼠出现长记忆形成障碍; 改变组蛋白甲基化与去乙酰化酶( HDAC) 抑制相偶联; H3K4三甲基化明显增加两种基因 ( Zif/268和Bdnf) 的启动子,这一事件出现在记忆巩固期间,已知这两种基因在记忆形成和神经可塑性中起重要作用。这些发现支持组蛋白甲基化在长记忆巩固中扮演重要作用,其他许多学者也都证明DNA甲基化与记忆形成和储存有关,如甲基化CpG结合蛋白1( methyl-Cp G-binding protein1) 基因缺失出现空间记忆能力丧失,甲基化CpG结合蛋白2 ( methyl-Cp Gbinding protein 2) 基因缺失的突变小鼠出现恐惧记忆、空间记忆和物体识别记忆的障碍。
海马DNA甲基化,对记忆形成起重要作用,但海马的改变是短暂的,训练后1 d之内便恢复到基础水平,长记忆以及记忆的巩固和储存依赖于脑的不同区域,据信长记忆的形成和巩固主要依赖于背侧前额叶前扣带皮层( dm DFC) ,为此探讨皮层组蛋白甲基化是否能促进长记忆的形成和巩固十分必要。Miller等采用背景性恐惧记忆试验探查皮层DNA甲基化对长记忆的影响,报道认为大鼠恐惧条件化环境中的背景记忆可维持数月,在这期间,近期( recent) 记忆会转变成远期( remote) 记忆,也即记忆从海马( HPC) 转变成依赖于dmP FC的记忆。首先,采用Me DIP即甲基化DNA免疫沉淀法测定皮层三种基因Zif/268,reln和Ca N的甲基化水平。动物试验则观察训练后7 d的背景记忆,将动物分为背景组( C) 、休克组( S) 和背景加休克组( CS) 。结果表明,在所有组和所有测定时间点,即早基因Zif/268均为去甲基化,说明环境刺激能广泛地改变dm PFC Zif/268的甲基化状态,相反的,一个记忆正性调节基因Reln仅在受训练的动物即CS组动物训练后1 h内出现高甲基化,随后即回归对照水平,训练后短时间内Ca N( 一种记忆抑制基因) 的甲基化无改变,但在训练后1 d,这一基因出现持久的甲基化,随后用BSP描绘训练后7 d Ca B甲基化的改变,发现仅CS组动物有显著的Ca N甲基化。为了解皮层DNA甲基化是否能反映联合学习,动物在训练前注射NMDA受体拮抗剂MK-801,证明MK-801干扰了训练后7 d动物恐惧记忆的获得( acquisition) ,也阻断了训练后2 d dmP FC Ca N和Reln的高甲基化,但不影响Zif/268的甲基化,进一步支持Ca N和Reln高甲基化是一种对联合性环境信号的特异性反应。Frankland等前期研究观察了训练后不同时间对ACC( anterior cingulate) 恐惧记忆再现( retrieval) 的干扰。结果证明ACC在18 ~ 36 d( 近期记忆) 经干扰失去记忆再现,但不是训练后1 d或3 d( 近期记忆) ,从这一结果估计记忆的巩固出现在训练后3 ~18 d,研究还证明皮层DNA甲基化可能在训练后1周内出现,该时段也是皮层留下记忆痕迹的时间,随后的实验证明训练后立即向背侧HPC( CA1) 注射NMDA受体选择性抑制剂AVP,证明APV不但能干扰学习,也能阻止训练后7 ddmP FC Ca N和Reln甲基化,表明一次性海马 - 依赖性学习经验就足以驱动皮层长时间、基因特异性甲基化改变,为了进一步探讨皮层DNA甲基化是否伴随长记忆的形成,观察了训练后30 d的皮层甲基化及记忆巩固的情况,结果证明在CS动物皮层的Ca N甲基化仍十分明显,而且与长记忆的出现和维持的时间段相吻合,此外还观察到在HPC有快速甲基化,而在dm PFC有持久的甲基化,以上研究阐明了以下几个问题: 第一,海马HPC可启动学习记忆,产出过渡性短记忆,第二,长记忆的形成和巩固依赖于dm PFC,第三,海马和皮层记忆的形成均缘于海马和皮层DNA的甲基化,或甲基化与其它组蛋白修饰的协同作用,第四,重要的记忆相关基因和受体包括Zif/268,Reln,Bdnf和NMDA受体。组蛋白甲基化是如何调整认知过程,它的生物学机制是什么?Day和Sweatt提出了阐明组蛋白甲基化是表观遗传学标志的假说[20],如在细胞内转变成功能性后果,出现三种可能性: 第一、DNA甲基化驱使神经细胞的反应状态发生了改变,即它允许、容纳其它机制参与进来产生协同效应和维持更加长远的改变; 第二、甲基化事件积极参与和改变基因的读出,促进记忆的进行,例如增加突触强度和突触可塑性; 第三、表观遗传学机制帮助神经细胞无增殖( aplastic) ,在神经元无增殖的情况下可以以稳定突触数量( synaptic weight) 的分布,后者是稳定记忆的必需条件,这一假设强调了突触可塑性在记忆过程中的重要性,事实上,国际上近年的研究表明老年痴呆认知功能的衰减与老年斑、A脑内沉积及神经纤维缠结无明显相关,由于突触在信息传递、信息加工中的重要作用,许多学者都支持突触功能降低( 包括突触效能下降和突触丢失) 是造成认知功能障碍乃至老年痴呆的主要原因,当前治疗老年痴呆和各种认知障碍的治疗方向都在寻找加强突触效能,防止突触丢失、增加突触新生的新药。
3. 1组蛋白磷酸化[25,26,27]组蛋白磷酸化修饰跟乙酰化和甲基化修饰一样具有调节认知功能的作用,这一修饰发生在组蛋白的H3、S1和S10丝氨酸残基上,由一组蛋白激酶包括丝裂原和应激激酶( MSKI) 和Aurora激酶家族催化完成。组蛋白磷酸化可被蛋白磷酸酶PP1和PP2a所逆转,这两种脱磷酸化酶又可被其它分子级联包括多巴胺和c AMP调节的磷酸蛋白32( DARPP32) 所抑制。最具特色的磷酸化标志存在于H3第10位( H3K10) 丝氨酸上,这一修饰招募了含有HAT活性的GCN5,因而能增加邻近组蛋白赖氨酸残基K9和K14的乙酰化,这解释了为什么组蛋白乙酰化和磷酸化常常同时存在。另外,H3S10磷酸化通过改变DNA和组蛋白尾部间的交互作用增加转录因子的结合。
许多研究工作已揭示组蛋白的磷酸化具有调节记忆形成的作用,编码RSK2的基因突变能产生低咖啡摄入综合症( coffin-lowry) ,有精神迟缓、精神异常等表现。在动物模型上的研究,背景性恐惧条件反射形成后,H3S10磷酸化和H3S10 / K14磷酸乙酰化迅速增加,但ERK抑制后可阻断其增加。同样的,缺失MSKI的小鼠出现恐惧记忆和空间记忆障碍,这一缺陷却不因给予HDAC抑制剂所逆转,提示组蛋白磷酸化途径与组蛋白乙酰化并行而不是位于乙酰化的下游,与此相协调的是,组蛋白磷酸化酶PPI受抑制,能改善长时程物体识别记忆和空间记忆而不影响短记忆,从这些发现推测: 通过抑制PPI来增加组蛋白磷酸化对治疗学习记忆障碍可能是一个有明显特色甚至是互补的治疗策略。
除学习记忆外,H3S10磷酸化也与药物成瘾行为学反应有关联。可卡因可引起纹状体H3S10磷酸化的增加,敲除MSKI的小鼠出现对服用可卡因行为反应的障碍。核内积累的DARPP-32能影响对可卡因和蔗糖奖励的行为反应。组蛋白磷酸化也已被证实是抗精神病和抗巴金森氏症下游的一个重要靶标,针对表观遗传学这一组蛋白磷酸化修饰设计和开发有治疗潜能的化合物是很有意义的。一项有意义的研究指出,MSKI主要存在于神经元和纹状体、杏仁核、海马等脑区,MSKI这一选择性分布是治疗干扰药物成瘾的一个很好的候选者。
哺乳动物细胞Aurora激酶家族成员的结构和功能在进化上保守,根据该家族成员在细胞内的定位可分为3种: Aurora-A,Aurora-B和Aurora-C。Aurora-B是有丝分裂中组蛋白H3的第四位丝氨酸磷酸化所必需的激酶。组蛋白H3磷酸化主要由Aurora-B激酶控制,除MSK和Aurora外,IB激酶( nuclear,IKK) 复合物中的异构体( IKK) 也可以调控海马区域组蛋白的磷酸化修饰,IKK是核因子B的一种去抑制调控子,抑制IKK可以阻止背景性环境下长期记忆的再巩固( reconsolidation)[24]。
组蛋白磷酸化促进长记忆形成和巩固的机制主要是磷酸基因携带的负电荷中和了组蛋白上的正电荷,造成组蛋白与DNA亲和力的下降,使DNA容易接近转录机构,激活基因转录,这是长记忆形成所必需的,也解释了为什么组蛋白磷酸化不影响短记忆。
在正常生理和表观遗传学的生化反应中,磷酸化使蛋白质和基因活化,随后的生化和生物学反应才能继续进行,所以在细胞繁殖、分化、细胞存活、DNA复制、转导和重组、细胞凋亡以及信号转导中发挥重要作用。
3. 2 其它组蛋白修饰与认知功能[27,28,29]
组蛋白泛素修饰涉及三类催化酶: 泛素激活酶( ubiquitin activating enzyme,E1 ) ,泛素接合酶 ( ubiquitin conjugatingenzyme,E2) 和泛素连接酶 ( ubiquitin protein ligase,E3 ) 。依赖这三种酶分三步进行泛素化修饰,第一步E1利用ATP形式存在的能量与泛素结合成高能硫酯键,构成泛素 - E1偶联物将泛素激活; 第二步,通过转酯作用将活化的泛素转移到泛素结合酶E2的活性半胱氨酸残基上; 随后,E2将活化的泛素转移至泛素连接酶E3上,形成高能量E3 - 泛素偶联物,最后E3可直接或间接地促使泛素转移到特异靶蛋白上,使泛素的羧基末端与靶蛋白的赖氨酸的-氨基形成肽链或转移到已与靶蛋白相连的泛素形成多聚泛素链,有一个去泛素酶大家族,从赖氨酸残基上移去泛素。
组蛋白泛素化有广泛的细胞功能,最著名的是控制转录的启动和延长,泛素酶/去泛素酶与其它组蛋白修饰,特别是与组蛋白甲基化有牵连,组蛋白泛素化与神经退性病变之间的关联来自亨廷氏病,Huntington与泛素连接酶h PRC12存在交互作用。在多个亨廷氏病动物模型上观察到泛素化的H2A的增加和泛素化的H2B减少,导致组蛋白甲基化模式的改变和基因转录下调,故以泛素连接酶为靶标设计药物对亨廷氏病可能有潜在的治疗价值。
多聚( ADP-核糖) 聚合酶[poly( ADP ribose) polymerases,PARPS]在与记忆行为有关的组蛋白修饰中起一定作用,PARPs可催化ADP核糖单位从NAD+转移到组蛋白靶位点上,不仅可影响染色质的局部结构,还可影响转录因子及染色质重塑复合体的结合,在操作性条件反射和位置回避实验中均证明PARP1可增加长记忆的形成。
3. 3衰老和神经退行性疾病的表观遗传学[27,28,29,30]衰老和年龄相关性神经退行性疾病是一个非常复杂的过程,过去有大量报道衰老与神经退行性疾病没有太多差异,如老年痴呆出现各种病理改变也在衰老过程中出现,但从未从表观遗传学方面去寻找原因,现有的研究揭示,表观遗传学的异常修饰是衰老和神经退行性疾病的主要机制,其主要病理特征表现在两个方面:
其一,组蛋白和基因组DNA甲基化的减少,在衰老和神经退化性疾病中表现突出,如神经细胞和基因组DNA亚甲基化( hypomethylation) 和甲基转移酶( HAT) 活性缺失,在AD患者的病理性神经元和基因组DNA的亚甲基化水平更低。Mastroeni等用免疫组化方法检测了死后AD和非AD( ND) 病人眶内皮层Ⅱ神经元的DNA甲基化和8种甲基化维持因子的免疫反应性,发现ND和AD神经细胞核具有甲基化胞嘧啶免疫反应阳性的神经细胞数分别为91. 7% 1. 3% 和39. 9% 3. 4% ,甲基化胞苷呈阳性的细胞数分别为91. 1% 1. 3% 和51. 8% 6. 1% ,即AD病人的两种甲基化模式比ND病人明显降低,DNMT,MOD2和P662均系甲基化维持因子,在ND病人神经元呈免疫反应阳性,而AD病人神经元免疫呈阴性,此外,RPL26和5. 8 SrRNA也有量的减少。
其二,HDAC2表达增加,研究证明神经退行性改变、衰老和长期应激都能引起HDAC2表达增加,如在神经退行性疾病和衰老时,神经毒性因子如A,氧化应激( H2O2) 和细胞内D25和CDK5激活,糖皮质激素受体( GR) 与临近组蛋白HDAC2启动子区的GR反应元件( CRE) 结合,增加脑内HDAC2水平,HDAC2优先与学习、记忆、神经可塑性有关的基因如BDNF结合,同时降低组蛋白乙酰化和基因的表达,破坏BDNF介导的正性反馈系统,从而降低神经可塑性和记忆的形成与巩固。
表观遗传学意义范文2
1 miRNAs与食管癌
miRNAs已经在食管癌组织样本中得到了广泛的研究(见表1)。
miR-21是较早发现的miRs,其基因位于染色体17q23上。Feber等[10]分析了一个小样本,分别来源于新鲜冻存正常上皮(n=9)、ESCCs(n=10)、BACs(n=10)和前期病变(n=6),方法为miRNA芯片和生物信息学聚类分析,他们检测到肿瘤中miR-21的表达量比正常上皮细胞增加了五倍。Akagi等[11]应用定量逆转录PCR发现miR-21在ESCCs中升高,特别是在那些伴有淋巴结转移的患者中。由于ESCCs和BACs不仅由肿瘤细胞组成,还有不同比例的浸润白细胞,在以上所有研究中测到的miR-21的特异性,需要根据所选肿瘤细胞和miR定位以及下游分析物的精确度来重新考虑。
2 DNA甲基化与食管癌治疗
只有少数研究关注或检测了ESCCs中DNA的低甲基化,Lima等[12]通过10个ESCCs病例,选取新鲜冻存肿瘤组织和正常鳞状上皮,分析其DNA甲基化模式,数据显示肿瘤高度甲基化基因有BCL3,属于κB家族抑制剂,调节NFκB活性,以及TFF1,一个三叶草因子家族成员。BCL3或TTF1DNA甲基化以及蛋白质表达改变产生的功能上的结果仍然需要阐明。在另一项BACs全基因组甲基化研究中,Alvarez等[13]把一小组经组织学证实为BACs的新鲜冰冻组织样本和与之相关的前期病变进行平行分析,分析内容包括:①全基因组胞嘧啶甲基化;②RNA文库;③基于测序的比较基因组杂交。DNA甲基化检测法是基于Hpall小片段富集连接介导的PCR,候选轨迹通过基于质谱的高通量定量甲基化PCR分析来验证。值得重视的是,该研究揭示了与DNA高甲基化相比,DNA低甲基化在早期BAC致癌作用中的优势。此外,文章作者检测了一系列基因的DNA低甲基化,它们与免疫系统例如趋化因子(如CXCL1,CXCL3)有关。在BAC致癌作用过程中,DNA甲基化也发生在CpG岛之外的基因区域。再有,通过结合DNA甲基化、RNA文库、aCGH分析和体外功能试验,Alvarez等人很好地支持了一个事实,即单个候选位点和/或DNA甲基化分析不足以揭示表观遗传、基因和功能性结果之间的复杂联系。
总的来说,尽管受DNA甲基化调节的许多基因已经确定,但ESSCs和BACs中DNA甲基化和与之相关生物学效应和功能仍需进一步研究,期望能够从分子病理学角度认识它们的致癌作用,进而在未来的工作中将靶向于DNA甲基化的药物变成现实。
3 食管癌致癌作用和组蛋白修饰
食管癌组织样本的组蛋白修饰研究局限于一系列排除ESSCs并且涉及到免疫组化染色得到的特异性组蛋白标志。另外两个结合了ESCCs中几种组蛋白标记的全方位研究也已经进行。Tzao等[14]检测了组蛋白3赖氨酸18(H3K18ac)、乙酰化组蛋白4赖氨酸12(H4K12ac)、二甲基化的组蛋白3赖氨酸4(H3K4me2),以及三甲基化组蛋白3赖氨酸27(H3K27me3)。在他们的研究中,组蛋白标记物与肿瘤分化(H3K18ac, H4K3me2, H3K27me3)、肿瘤阶段和淋巴结状态(H3K27me3),以及改善的预后(低H3K18ac, 低H3K27me3)有关。
考虑到HDACs对食管癌治疗的潜在作用,它的几种抑制剂起着越来越受重视,但目前这方面研究很少。Toh等[15]描述了ESCC中HDAC1下调和正常鳞状上皮的比较。在一个更为全面的研究中,Langer等[16]收集了180例BACs,其中2/3患者的主要治疗是切除肿瘤,另外1/3先接受化疗。大体上,分别有50%和30%患者观察到HDAC1和HDAC2表达减少。只有HDAC2与病理指标(肿瘤分化、淋巴结分期)有关,HDAC1和HDAC2都没有显示出对预后有影响。
我们相信,随着研究的不断深入,表观遗传治疗将有望为食管癌的治疗带来新思路及方法,对预防及改善预后、减少复发等起到关键作用。
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表观遗传学意义范文3
1 dna甲基化和组蛋白乙酰化
1.1 dna甲基化 dna甲基化是指在dna复制以后,在dna甲基化酶的作用下,将s-腺苷甲硫氨酸分子上的甲基转移到dna分子中胞嘧啶残基的第5位碳原子上,随着甲基向dna分子的引入,改变了dna分子的构象,直接或通过序列特异性甲基化蛋白、甲基化结合蛋白间接影响转录因子与基因调控区的结合。目前发现的dna甲基化酶有两种:一种是维持甲基转移酶;另一种是重新甲基转移酶。
1.2 组蛋白乙酰化 染色质的基本单位为核小体,核小体是由组蛋白八聚体和dna缠绕而成。组蛋白乙酰化是表观遗传学修饰的另一主要方式,它属于一种可逆的动态过程。
1.3 dna甲基化与组蛋白乙酰化的关系 由于组蛋白去乙酰化和dna甲基化一样,可以导致基因沉默,学者们认为两者之间存在串扰现象。
2 表观遗传学修饰与恶性肿瘤耐药
2.1 基因下调导致耐药 在恶性肿瘤中有一些抑癌基因和凋亡信号通路的基因通过表观遗传学修饰的机制下调,并与化疗耐药有关。其中研究比较确切的一个基因是hmlh1,它编码dna错配修复酶。此外,由于表观遗传学修饰造成下调的基因,均可导致恶性肿瘤耐药。
2.2 基因上调导致耐药 在恶性肿瘤中,表观遗传学修饰的改变也可导致一些基因的上调,包括与细胞增殖和存活相关的基因。上调基因fancf编码一种相对分子质量为42000的蛋白质,与肿瘤的易感性相关。2003年,taniguchi等证实在卵巢恶性肿瘤获得耐药的过程中,fancf基因发生dna去甲基化和重新表达。另一个上调基因synuclein-γ与肿瘤转移密切相关。同样,由表观遗传学修饰导致的mdr-1基因的上调也参与卵巢恶性肿瘤耐药的形成。
3 表观遗传学修饰机制在肿瘤治疗中的应用
3.1 dna甲基化抑制剂 目前了解最深入的甲基化抑制剂是5-氮杂脱氧胞苷(5-aza-dc)。较5-氮杂胞苷(5-aza-c)相比,5-aza-dc首先插入dna,细胞毒性比较低,并且能够逆转组蛋白八聚体中h3的第9位赖氨酸的甲基化。有关5-aza-dc治疗卵巢恶性肿瘤的体外实验研究结果表明,它能够恢复一些沉默基因的表达,并且可以恢复对顺柏的敏感性,其中最引人注目的是hmlh1基因。有关地西他滨(dac)治疗的临床试验,研究结果显示,结果显示:dac是一种有效的治疗耐药性复发性恶性肿瘤的药物。
3.2 hdac抑制剂 由于组蛋白去乙酰化是基因沉默的另一机制,使用hdac抑制剂(hdaci)是使表观遗传学修饰的基因重新表达的又一策略。根据化学结构,可将hdaci分为短链脂肪酸类、氯肟酸类、环形肽类、苯酸胺类等4类。丁酸苯酯(pb)和丙戊酸(vpa)属短链脂肪酸类。pb是临床前研究最深入的一种hdaci,在包括卵巢恶性肿瘤在内的实体肿瘤(21例)ⅰ期临床试验中有3例患者分别有4~7个月的肿瘤无进展期,其不良反应是短期记忆缺失、意识障碍、眩晕、呕吐。因此,其临床有效性仍有待于进一步在ⅰ、ⅱ期临床试验中确定。在vpa的临床试验中,kuendgen等在对不同类型血液系统肿瘤中使用vpa进行了ⅱ期临床试验,结果显示,不同的患者有效率差异甚远。辛二酰苯胺异羟肟酸(saha)是氯肟酸类中研究较深入的一种hdaci。其研究表明,体内使用安全剂量saha时,可有效抑制生物靶点,发挥抗肿瘤活性。大量体外研究结果显示,联合使用dna甲基化抑制剂和hdaci会起到更明显的协同作用。
3.3 逆转耐药的治疗 balch等使用甲基化抑制剂—5-aza-dc或zebularine处理卵巢恶性肿瘤顺柏耐药细胞后给予顺柏治疗,发现此细胞对顺柏的敏感性分别增加5、16倍。在临床试验中,oki等将dac和伊马替尼(imatinib)联合使用治疗白血病耐药患者,结果说明,应用表观遗传学机制治疗恶性肿瘤确实可以对化疗药物起到增敏作用,并且在一定范围内其疗效与体内表观遗传学的改变呈正比。kuendgen和pilatrino等对hdaci和化疗药物的给药顺序进行研究,结果显示,在使用vpa达到一定血清浓度时加用全反式维甲酸可增加复发性髓性白血病和骨髓增生异常综合征患者的临床缓解率,这可能与vpa引起的表观遗传学改变增加患者对药物的敏感性有关。
4 展望
总的来说,应用表观遗传学修饰机制治疗肿瘤具有良好的应用前景,与传统化疗药物联合来逆转耐药,将给攻克恶性肿瘤等疾病带来新的希望。
参 考 文 献
表观遗传学意义范文4
【关键词】 支气管哮喘; 肿瘤坏死因子-α; 超敏C反应蛋白; 肺功能
doi:10.14033/ki.cfmr.2017.3.021 文献标识码 B 文章编号 1674-6805(2017)03-0040-02
支气管哮喘(bronchial asthma)作为一种高发、常见的慢性气道炎症疾病[1],严重威胁着人们的身心健康和生活质量。支气管哮喘发病和加重的原因较复杂,是多种危险因素相互联系并相互作用的结果,但炎症反应是哮喘发作的本质。近年来随着对支气管哮喘研究的不断深入,具有广泛生物活性的肿瘤坏死因子TNF-α和急性时相反应蛋白hs-CRP参与哮喘发病的机制受到了国内外学者的广泛关注,但目前国内相关研究多从单一指标与支气管哮喘的关系展开,关于TNF-α和hs-CRP动态联检对于哮喘评估价值的研究仍较缺乏,本研究旨在探讨TNF-α、hs-CRP在支气管哮喘病情反应中的表达及意义并结合其与肺功能的相关性研究,以期进一步明确上述指标对支气管哮喘发生发展的临床意义。
1 资料与方法
1.1 一般资料
依据全球哮喘防治创议(GINA)有关诊断、治疗标准确定本组46例研究病例(哮喘组)[2],全部来源于笔者所在医院,其中男28例,女18例,全部为成人病例,平均年龄(38.7±3.1)岁。纳入标准:(1)均为支气管哮喘急性发作期患者;(2)剔除伴有严重肝肾功能损害、内分泌、心脑血管系统疾病及恶性肿瘤患者;(3)排除结缔组织、活动性肺结核病史者。同时筛选笔者所在医院健康志愿者40例纳入正常对照组,入组标准为:(1)入选前2周无急慢性细菌性感染史及无糖皮质激素治疗史;(2)既往无心肺疾病史、吸烟史。两组年龄、性别构成比及其他社会学资料方面比较,差异无统计学意义(P>0.05)。
1.2 方法
1.2.1 试验方案设计 两组所有入选者均于入组当日清晨取空腹静脉血检测TNF-α及hs-CRP浓度值,支气管哮喘患者根据病情状况选择合理化综合治疗方案直至病情缓解,于出院当日晨再行抽取静脉血检测TNF-α及hs-CRP浓度值,比较哮喘急性发作期、缓解期患者及正常对照组血清TNF-α、hs-CRP表达水平的差异性,支气管哮喘患者同时进行相关基础肺功能指标测定,评价治疗前后TNF-α、hs-CRP水平与肺功能的相关性。
1.2.2 检测方法
1.2.2.1 基础肺功能测定 采用德国耶格公司HI-017肺功能仪进行,所有受试者测试前休息10~15 min,未吸入支气管扩张剂,均测试第1秒用力呼气容积(FEV1)及用力呼吸肺活量(FVC),重复测定取最佳值,计算第1秒用力呼气容积所占用力肺活量的比值(FEV1/FVC%)。
1.2.2.2 血清学试验 所有受试者标本采集均在清晨空腹下进行(抽取肘静脉血5 ml作为标本),EDTA抗凝后以3000 r/min的D速离心15 min,分离血清置于EP管中冻存(-80 ℃)待检。血清TNF-α含量测定采用放射免疫分析法,试剂盒由科赛斯公司提供,双管平行试验标准曲线计算TNF-α值;血清hs-CRP含量检测采用免疫比浊法,试剂盒由德国罗氏生物技术有限公司提供,hs-CRP水平正常参考值为0~3.00 mg/L;以上操作步骤均按说明书,注意质量控制。
1.3 统计学处理
应用SPSS 17.0统计软件包进行数据分析,计量资料以(x±s)表示,多组间满足正态性分布和方差齐性的均数比较行t检验,各因素间相关性分析行Pearson分析,P
2 结果
2.1 哮喘组患者治疗前后血清TNF-α、hs-CRP水平及肺功能与正常对照组比较
治疗前(急性发作期),哮喘组血清TNF-α和hs-CRP水平均显著高于正常对照组(P
2.2 哮喘组患者血清TNF-α、hs-CRP表达的相关性分析及其与基础肺功能的关系
支气管哮喘急性发作期患者血清TNF-α水平与hs-CRP水平呈正相关(r=0.617,P0.05)。支气管哮喘急性发作期患者血清TNF-α值与肺功能指标(FEV1%和FEV1/FVC%)呈负相关(r=-0.679、-0.634,P
3 讨论
支气管哮喘是一种特异性的气道炎症疾病,主要病理特征体现在广泛多变的可逆性气流受限、气道的高反应性以及气道的慢性炎症,如何更好地控制支气管哮喘并提高疗效,已成为临床迫切需要解决的问题。目前,关于支气管哮喘发病机制的研究取得了一些进展,大量研究显示,多种炎症介质及细胞因子共同参与了本病的发病过程,其中嗜酸性粒细胞、肥大细胞、T细胞、中性粒细胞、气道上皮细胞等多种细胞和细胞组分,对机体炎症、感染或组织损伤及其不同病理阶段产生着不同的作用[1-4]。近年来关于哮喘患病的相关炎症因素,如前炎性细胞因子TNF-α及超敏C反应蛋白(hs-CRP)与哮喘发病及其反应机制的相关性受到学者重视,对未来支气管哮喘的预测与防治产生了重要意义。
肿瘤坏死因子-α(TNF-α)常常被用作机体炎症反应的一种特征性标志物,除此以外,在各种肿瘤疾病的诊断与监测等方面具有临床意义。研究证实,TNF-α是一种以巨噬细胞和其他组织细胞共同激活的具有广泛生物活性的细胞因子,主要由病变本身的固有成分刺激组织细胞产生,对多种细胞、介质的生长、分化形成抑制或诱导效应,正常情况下可刺激血小板活化因子及白介素-1、白介素-8等的释放,诱导血管内皮合成纤维细胞合成激活NF-κB,在呼吸道组织内参与炎性细胞的黏附、游走和浸润,从而加重气道炎症[4]。有文献报道,血清TNF-α的水平可用来预测局部炎性病变的进展和转归。超敏C-反应蛋白(hs-CRP)是一种非特异性急性期反应指标,通过超敏感方法所测得,以极微的含量存在于血清或血浆中,文献[5-6]报道,hs-CRP含量变化与机体炎症、感染等病理损害有关,其往往在炎症、感染、组织损伤或免疫反应等刺激下表达增殖,表现为相关机体组织中含量的增加,从而在局部或全身炎性病变控制评估中的敏感性高、特异性强。
本组研究采用开放对照的前瞻性研究方案,从分析TNF-α、hs-CRP在支气管哮喘病情反应中的表达及其与基础肺功能的关系角度作进一步研究。结果显示支气管哮喘患者血清TNF-α及hs-CRP水平较健康人群是明显增高的(P
综上所述,TNF-α与hs-CRP的表达在支气管哮喘发病机制中起着很重要的作用,是病变进展和转归的重要因素之一,上述指标可作为评估支气管哮喘病情发展及控制的关联指标,临床对TNF-α与hs-CRP的动态联检可以体现病情异质性、评价疗效并指导评估预后。
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表观遗传学意义范文5
[关键词] 表观遗传学;抑癌基因;DNA甲基化;胃癌
[中图分类号] R735.2 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701(2012)36-0012-02
肿瘤的发生发展是一个多因素参与的复杂过程。众所周知,肿瘤发生发展的主要原因为原癌基因的激活和抑癌基因的失活,目前越来越多的证据表明,其发生机制除遗传学改变外,表观遗传学改变也占有非常重要的地位。目前在表观遗传学机制中研究最多的是DNA甲基化。胃癌是最常见的恶性肿瘤之一,其发病机制与DNA甲基化状态的改变密切相关。
1 表观遗传学与胃癌
表观遗传学(Epigenetics)是指基于非基因序列改变所致的基因表达水平变化,主要包括DNA甲基化、染色质构象改变和组蛋白修饰等[1]。DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶(DNMT)的催化下,以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体,将甲基转移到胞嘧啶5位碳原子上[2]。
肿瘤中的表观遗传学改变是由Feinberg和Vogelstein两位科学家于1983年首次描述的,他们发现在肿瘤中同时存在两个互相矛盾的表观遗传现象,即全基因组低甲基化和局部高甲基化[3]。研究表明,全基因组的低甲基化可以导致ras、c-myc等原癌基因激活,而DNA启动子区CpG岛的高甲基化可以导致p16、APC等抑癌基因失活,两者协同作用,从而促使肿瘤的发生。
胃癌(gastric cancer,GC)由于其患病率高、预后差、有限的治疗选择等,仍然是全球范围内一个重要的临床挑战。虽然胃癌的发病率逐年下降,但它仍然是癌症死亡的第二大原因和四个最常见的恶性肿瘤之一[4]。研究表明,相比其他类型的癌症(如大肠癌),胃癌中基因突变的频率相对较低,而以DNA甲基化为主的表观遗传改变却发挥了关键作用。
2 抑癌基因甲基化与胃癌
目前,DNA甲基化研究最深入的方向是抑癌基因(tumor suppressor genes,TSGs)的异常甲基化。Bird等研究发现DNA启动子区CpG岛甲基化可导致肿瘤细胞抑癌基因失活。从此,表观遗传改变在肿瘤发生和发展中的作用受到了人们的高度重视,并成为了研究的热点[4]。人类基因组中,约有50%基因的启动子区5'端富含CpG,这种区域称为CpG岛(CpG island),其长度不小于500 bp、GC含量不少于55%。CpG岛在正常情况下一般处于非甲基化状态,当其发生甲基化时,基因的空间结构也随之改变,表达受到抑制。
越来越多的研究证实,胃癌的发生与抑癌基因启动子区CpG岛的异常高甲基化密切相关[5,6]。目前已知胃癌中,包括p16、APC、CDH1、RASSF1A、CHFR、DAPK、PTEN和RUNX3等数十个抑癌基因,均是由于高甲基化而失活的[7]。这些基因参与DNA修复、调节细胞周期、信号转导等多个细胞生理过程,与胃癌的发生发展具有密切关系。以下是几个近年来研究较热门且具有代表性的抑癌基因。
2.1 PTEN基因
PTEN基因定位于人染色体10q23.3,由9个外显子组成,编码由403个氨基酸组成的蛋白质,具有磷酸酯酶的活性。PTEN蛋白可通过拮抗酪氨酸激酶等磷酸化酶的活性而抑制肿瘤的发生发展。研究显示,PTEN基因在多系统恶性肿瘤中均表达下降,均与DNA异常高甲基化有关。Liu S等[8]对56例胃癌标本中PTEN基因mRNA表达及启动子区CpG岛甲基化状态进行检测,结果显示胃癌组织PTEN基因表达较癌旁正常组织明显下降(P < 0.01),甲基化率48.2%明显高于癌旁正常组织3.6%(P < 0.01),说明PTEN基因甲基化可能是其低表达的原因。
2.2 RASSF1A基因
RASSF1A基因位于人染色体3p21.3区域位点,内含编码340个氨基酸的开放阅读框,编码相对分子质量38 800 Da的蛋白多肽,通过参与抑制Ras/RASSF1/ERK通路的信号转导调控细胞的凋亡、维持微血管稳定性[9]。其表达失活,可以使胃黏膜细胞凋亡受抑,并向恶性细胞转化。研究证实,RASSF1A基因在肺癌、胃癌、乳腺癌等多种实体瘤中均存在甲基化导致的表达失活。林海等[10]检测出RASSF1A基因在62例胃癌标本较56例正常组织中的mRNA表达明显下降(P < 0.01),甲基化率分别为66.1%和23.2%,癌组织甲基化率是正常组织的2.80倍,差异有统计学意义(P < 0.01),表明RASSF1A基因高甲基化可能是导致其表达降低的原因。
2.3 RUNX3基因
RUNX3基因定位于人染色体1p36区域位点,属于RUNX基因家族,在哺乳动物发育和肿瘤中发挥重要作用,并已被证实与胃上皮细胞稳态和胃癌的发生相关[11]。研究发现,有相当比例的胃癌组织中由于RUNX3基因启动子区CpG岛异常甲基化而不表达RUNX3。何小兵等[12]分别对9种胃癌细胞系和35例胃癌患者手术切除肿瘤组织及其癌旁组织RUNX3基因启动子区域甲基化进行检测,结果显示在7种胃癌细胞系中RUNX3基因启动子区域过度甲基化,RUNX3基因在35例胃癌及其癌旁组织中甲基化率分别为40.0%和8.6%。因此,RUNX3基因启动子区CpG岛甲基化可能是导致基因转录失活及其表达下调的主要原因。
3 CpG岛甲基化表型与胃癌
肿瘤细胞中多个基因或DNA位点甲基化的状态称为CpG岛甲基化表型(CpG island methylation phenotype,CIMP)。如果有3个以上基因CpG岛处于甲基化状态称为甲基化表型阳性(CIMP+),反之则称为甲基化表型阴性(CIMP-)。多项研究表明,胃癌中存在甲基化表型阳性。例如Tahara T等[13]检测了146例胃癌标本中p14、p16、DAPK、E-cadherin 4个抑癌基因的甲基化状态,结果显示43.2%的病例表型为CIMP+。Kim等[14]检测了40例早期胃癌中hMLH1、TIMP3、THBS1、DAP2K、GSTP1、APC和MINT2的甲基化状态,结果显示40%病例表型为CIMP+。这表明,甲基化表型阳性在胃癌的早期就已经发生,可以作为早期胃癌的诊断指标之一。
此外,有研究表明,CIMP+与胃癌的分期和侵袭转移无关,而与胃癌Borrmamm分型和预后相关。Park等[15]对196例胃癌标本中16个肿瘤相关的CpG岛或位点进行了分析,结果显示CIMP+的胃癌患者预后较差。这表明甲基化表型阳性也可以作为胃癌预后判断的一项指标。
4 抑癌基因甲基化临床应用前景
检测肿瘤抑癌基因的甲基化状态可以用于癌症的筛选、风险的预测和治疗的选择。研究发现,抑癌基因的异常高甲基化在胃癌癌前病变阶段(如慢性胃炎和肠上皮化生)也经常检测到,说明DNA甲基化的发生往往早于各类癌症的肿瘤形成,这使得它尤其适用于癌症风险预测[16]。此外,若干报道指出,癌特异的、甲基化的DNA可以在微量的生物体液中被检出[17],这表明它可能是一个灵敏的非侵入性诊断的标记物。
目前研究者认为,DNA甲基化在一定程度上是一个可逆的过程。DNA甲基化需要DNMT的催化,因此应用甲基转移酶抑制剂抑制DNMT的活性后,可使DNA甲基化逆转,称为去甲基化。目前研究较深入的甲基转移酶抑制剂为5-氮杂-2-脱氧胞苷,大量体外研究证实,应用5-氮杂-2-脱氧胞苷处理后,抑癌基因表达缺失的胃癌细胞株均重新表达该基因[18]。故通过去甲基化恢复抑癌基因表达可恢复基因正常功能,有可能达到治疗癌症的目的。
综上所述,抑癌基因甲基化是胃癌发生发展的重要机制之一,多基因甲基化状态的检测及去甲基化药物的研究对胃癌的预防、诊断和治疗均具有长远意义。而如何根据不同患者的实际情况选择进行检测的抑癌基因从而提高早期胃癌检出率,以及去甲基化药物的选择和临床应用还有待进一步的研究。期待更加深入的科学实验为临床诊疗提供日趋完善的理论基础,使得日渐成熟的甲基化检测技术及去甲基化药物早日广泛应用于恶性肿瘤的诊治。
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表观遗传学意义范文6
关键词 去甲基化药物 表观遗传学 血液系统肿瘤
中图分类号:R979.1; R733 文献标识码:A 文章编号:1006-1533(2014)11-0003-04
Application of demethylating agents in the treatment of hematologic malignancies
Zhao Min*, Wang Chun**
(Department of Hematology, Shanghai First People’s Hospital, Shanghai 200080, China)
ABSTRACT Epigenetic dysregulation is linked to the pathogenesis of a number of malignancies. The methylation of DNA plays an important role during the maliganant transformation of hematopoietic malignancies since it can inhibit the expression of tumor suppressor genes. Demethylating agents have been successfully used in the treatment of various hematopoietic malignant disease, especially in the treatment of myelodysplastic syndromes and acute myeloid leukemia. In this review, we discuss the clinical development of demethylating agents in hematology.
KEY WORDS demethylating agents; epigenetics; hematologic malignancies
近年来,去甲基化药物在血液系统肿瘤治疗中的作用越来越受到重视。与传统化疗药物相比,去甲基化药物的毒、副反应相对较轻,加之作用机制不同,治疗骨髓增生异常综合征(myelodysplastic syndromes, MDS)和急性髓细胞性白血病(acute myelocytic leukemia, AML)等的疗效更好。
1 去甲基化药物
去甲基化药物治疗的理论基础是表观遗传学。后者是指在基因的DNA序列没有发生改变的情况下,基因功能发生了可遗传的变化并最终导致了表型的不同。表观遗传学对由DNA决定遗传特征(由DNA到RNA、再到蛋白质进行表达)的“中心法则”作了补充,指出生物的遗传特性在不改变其基因序列的情况下也会发生变化,而这种变化在肿瘤的发病机制中已一再被检测到。现在认为,决定表观遗传学过程的主要因素包括DNA修饰、组蛋白修饰和非编码RNA调控。DNA甲基化是一种最为重要的表观遗传学修饰,在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase, DNMT)的催化下,胞嘧啶的第5位碳原子被甲基化,从而转变为5-甲基胞嘧啶。在哺乳动物基因组中,DNA甲基化的主要位点是CpG二核苷酸,它在基因组中呈不均匀分布。在某些区域,CpG序列的密度较平均密度高10 ~ 20倍、鸟嘌呤和胞嘧啶的总含量>50%、长度>200个碱基,这些区域被称为CpG岛。大约50%的人基因中含有CpG岛,常位于基因上游调控区的启动子区。启动子区的CpG岛通常处于非甲基化状态,基因能正常表达。当CpG岛发生甲基化时,会影响基因转录调控,使基因表达发生沉寂。而去甲基化药物能改变这一病理过程,进而达到治疗目的[1]。现有去甲基化药物主要为DNMT抑制剂,可分为核苷类和非核苷类2类,其中核苷类去甲基化药物中的阿扎胞苷和地西他滨是目前临床应用较广且以去甲基化为主要作用机制的药物。
2 在血液系统肿瘤治疗中的应用
2.1 治疗MDS
在MDS的治疗中,去甲基化药物的作用越来越受到重视。近年来多项研究证实,MDS的分子异常包括DNA甲基化等表观遗传学进程,如CpG岛的高甲基化和基因启动子区的甲基化即与MDS的严重性和患者的生存期相关,而使用去甲基化药物治疗虽不能治愈MDS,却可获高反应率。与需要且可接受造血干细胞移植术的年轻患者相比,去甲基化药物更适宜用于老年患者,这主要表现在血液学参数改善和生存时间延长上,因即使没有达到完全缓解的患者也同样能够获得这些益处[2]。地西他滨用于老年患者的安全性已得到多项临床试验的确认,而被认为无骨髓毒性的阿扎胞苷亦被证实对老年患者有很好的疗效和安全性,对需接受造血干细胞移植术的患者也一样。有人建议将地西他滨和阿扎胞苷用于“先期治疗”,但这种“桥接治疗”的必要性还待更多研究的证实[3]。在治疗MDS时,去甲基化药物的疗效多需在治疗2 ~ 4个疗程后才逐步显现,终止治疗后则会导致疾病复发[4-5]。即使不间断地接受去甲基化药物治疗,几乎所有的患者也仍难以避免疾病的耐药和复发,而一旦出现疾病耐药或复发就会大大缩短患者的生存期[6]。
目前,MDS患者可通过国际预后评分系统(International Prognostic Scoring System, IPSS)、国际预后评分系统修正版和世界卫生组织的预后评分系统进行分层,这对恰当地使用去甲基化药物具有实际指导意义。对IPSS评分为低危和中危-1的患者,减少的血细胞类型、促红细胞生成素浓度以及细胞遗传学、分子生物学异常如5q、DR-15等生物学特征是选择恰当的一线治疗药物的依据,去甲基化药物主要用于输血依赖的、经促红细胞生成素等药物一线治疗后复发或耐药患者的后续治疗。也有人提出应使用阿扎胞苷一线治疗主要表现为血小板减少和中性粒细胞减少的低危MDS患者。一些临床试验结果显示,地西他滨或阿扎胞苷治疗低危MDS患者的总反应率为30% ~ 60%。对IPSS评分为中危-2和高危的患者,去甲基化药物已用于一线治疗,可使患者获得较高的总反应率和较长的总生存期,且毒性明显较低。在临床试验中,地西他滨或阿扎胞苷单药治疗高危MDS患者的总反应率为40% ~ 55%。但异体造血干细胞移植仍是可治愈MDS的唯一选择[2,7]。目前尚不能完全预测去甲基化药物治疗的疗效。骨髓增生异常法语工作组建立了一套预测模型以预测去甲基化药物治疗的总反应率、反应持续时间和总生存期,同时提出先期使用低剂量阿糖胞苷、骨髓原始细胞占比>15%以及异常核型与反应率相关,复杂核型与反应持续时间相关,总生存期与体能状态等因素相关,并建立了积分系统[8]。也有报道称,骨髓纤维化的出现对去甲基化药物治疗不利[9]。
2.2 治疗AML
去甲基化药物现已在AML治疗中占有重要地位。AML患者广泛存在基因高甲基化现象,常见的甲基化基因有8种,约95%的AML患者至少有1种基因高度甲基化,75%至少有2种基因高度甲基化。这些数据提示去甲基化药物在AML治疗中的潜力,但其同样被认为无法治愈AML。目前,经典的蒽环类药物和阿糖胞苷联合诱导化疗方案仍是AML的首选诱导化疗方案,且造血干细胞移植术仍是AML的最主要治愈性治疗手段。但对一些难以接受常规诱导化疗方案和造血干细胞移植的患者如老年AML患者,去甲基化药物因相对较低的毒性和较好的疗效已经成为重要的治疗药物。地西他滨已获准治疗这类AML患者,常用治疗方案为20 mg/(m2・d)×5 d。临床试验证实,地西他滨治疗的反应率优于支持治疗和低剂量阿糖胞苷;也有临床试验显示,地西他滨治疗可获较之支持治疗更长的生存期。但与常规诱导化疗方案不同,去甲基化药物治疗AML往往需要进行多个疗程后才能达到完全缓解且此疗效无法持久维持[10]。近期国内报道,地西他滨联合阿柔比星、粒细胞集落刺激因子等治疗初治及难治/复发AML的疗效较好;也有地西他滨联合硼替佐米治疗的报道。尽管去甲基化药物已用于AML治疗,但其不能治愈疾病,对那些治疗有效患者的后续治疗选择也还处在摸索阶段。有关研究证实,某些分子学和细胞遗传学参数与患者对地西他滨治疗的反应有关。例如,有人发现,对地西他滨治疗有反应患者的DNMT miR-29b水平明显高于无反应患者[11]。一项回顾性分析显示,伴有5和7号染色体异常的患者对阿扎胞苷或地西他滨治疗的反应与对大剂量伊达比星和阿糖胞苷治疗相似,且患者的持续反应时间和中位生存期也更长。DNMT 3A基因突变为AML的独立的预后不良指标,不受患者的年龄、白细胞计数、染色体组型和其他遗传学参数的影响[12]。但利用细胞遗传学和分子生物学参数来预测患者对去甲基化药物治疗的反应尚处在探索阶段,现还只能通过患者的病程、肿瘤增殖程度和一些临床指标来作治疗前评估。
2.3 治疗慢性粒单核细胞性白血病(chronic myelo-monocytic leukemia, CMML)
造血干细胞移植术也是CMML的治愈性治疗手段。但由于年龄和并发症等原因,CMML患者往往只能接受低剂量化疗治疗,无法有效控制疾病进展。在CMML患者中发现存在细胞周期调节基因p15(INK4b)的异常甲基化以及降钙素基因和细胞信号转导抑制因子-1基因的甲基化,这给对CMML进行去甲基化治疗提供了一定的理论基础。一项对31例CMML患者进行的临床试验显示,以每6周为1个疗程、每疗程使用地西他滨15 mg/(m2・次)×3次/d×3 d治疗1 ~ 6个疗程,总反应率为26%(完全缓解率10%、部分缓解率16%),骨髓改善率为19%,疾病稳定率为32%,2年生存率为25%,所有患者的中位生存期为15个月[13]。与治疗MDS和AML相似,地西他滨在近年来进行的一些临床试验中也不再以大剂量使用。一项临床试验以每28 d为1个疗程、每疗程使用地西他滨20 mg/(m2・d)×5 d治疗CMML患者共3个疗程,结果发现总反应率为38.6%,2年总生存率为48%,中位无进展生存期为12个月,3/4级不良反应为血细胞减少、感染和乏力[14]。
2.4 治疗其他血液系统肿瘤
对慢性粒细胞性白血病、多发性骨髓瘤等亦有使用地西他滨等去甲基化药物治疗的研究报道,但疗效尚待进一步临床试验的证实。
3 结语
DNA甲基化异常被认为是血液系统肿瘤发生、发展的一个重要生物学机制,一些临床试验也已证实去甲基化药物治疗某些血液系统肿瘤的疗效确切,但仍需对如联合用药和最适治疗剂量等作进一步的研究,以期获得更好的治疗疗效。
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