胃肠病学2012年第17卷第1期 溃疡性结肠炎相关结直肠癌的基因组和表观遗传不稳定性 邓勇彬 综述 王承党#审校 福建医科大学附属第一医院消化内科 福建医科大学消化系病研究室(350005) 摘要溃疡性结肠炎相关结直肠癌(UcCRC)是溃疡性结肠炎(uc)最严重的并发症。近年来,由遗传易感性与环 境因素共同作用引起的、结直肠黏膜慢性炎症背景下的遗传学改变在UcCRC发生、发展中的作用备受关注。本文就 UcCRC中的常见基因组和表观遗传不稳定性。包括染色体不稳定性(CIN)、微卫星不稳定性(MSI)、CpG岛甲基化表 型(CIMP)作一综述。 关键词 结肠炎,溃疡性; 结直肠肿瘤; 基因组不稳定性; 表观遗传不稳定性 Genomic and Epigenetic Instability in Ulcerative Colitis-associated Colorectal Cancer DENG Yongbin,WA NG Chengdang.Department ofGastroenterology,The First Afifliated Haspital of 帆Medical University;Lab ofDigestive Diseases,Fujio ̄Medical University,Fuzhou(35ooo5) Correspondence to:WANG Chengdang,Email:wangcdhl@sina.corn Abstract Ulcerative colitis・associated eolorectla cancer(UcCRC)is the worst complication of ulcerative colitis(uc). Recently,genetic alterations resulting from hereditary susceptibility and environmental factors on the background of chronic inflammation in colon and rectum have attracted much more attentions of the researchers as it might be involved in the initiation and progression of UcCRC.In this article,frequently seen genomic and epigenetic instability in UcCRC, including chromosomal instability(CIN),microsatellite instability(MSI)and CpG island methylator phenotype(CIMP)were briefly reviewed. Key words Colitis,Ulcerative;Colorectal Neoplasms;Genomic Instability;Epigenetic Instability 溃疡性结肠炎相关结直肠癌(ulcerative colitis.associated 条染色体丢失或获得的概率.使二倍体细胞成为非整倍体 colorectal cancer.UcCRC)是溃疡性结肠炎(UC)最严重的并 (aneupl0id);后者则引起染色体结构改变,包括染色体易位、 发症.UC患者UcCRC总体患病率约为3.7%,10年、2O年、 染色体臂丢失、大片段染色体扩增等。 30年累积发病率分别为2%、8%、18%_l_。UcCRC的发病机制 1.W.CIN 尚未明确.近年来.由遗传易感性与环境因素共同作用引起 ①W—CIN与非整倍体:正常有丝分裂细胞中,有丝分裂 的、结直肠黏膜慢性炎症背景下的遗传学改变.包括基因组不 检查点可确保染色体高保真分离 有丝分裂检查点的核心 稳定性(genomic instability)和表观遗传不稳定性(epigenetic 组分包括Bub1、BubR1、Bub3、Madl、Mad2,这些基因以及其 instabilitv)在UcCRC发生、发展中的作用备受关注。基因组 他调节有丝分裂的基因如Aurora激酶家族f具有调节微管一 不稳定性常表现为染色体不稳定性(chromosomal instability. 着丝粒连接和诱导中心粒扩增功能的丝/苏氨酸激酶)突变 CIN)和微卫星不稳定性(microsatellite instability,MSI),表 和表达异常可能引起W—CIN.表现为非整倍体发生率增加_引。 观遗传不稳定性常表现为CpG岛甲基化表型(CpG island 有研究 发现长病程UC患者结肠异型增生黏膜中的Bublb methylator phenotype,CIMP)。本文就UcCRC的上述遗传学改 蛋白表达较非异型增生黏膜增高.Aurora A蛋白表达降低, 变作一综述 非整倍体发生率增加 另有研究_5J显示CRC组织中Bublb、 一、CIN Mad2、Aurora A、Aurora B蛋白均呈过表达.Bublb在非整倍 CIN是结直肠癌(CRC)基因组不稳定性最常见的类型。 体癌组织中的表达显著低于整倍体癌组织。上述发现提示 见于80% 85%的结直肠肿瘤[21 CIN包括全染色体不稳 了Bulblb、Aurora A表达异常在非整倍体发生中的作用 定性(whole chromosomal instability.W—CIN)和结构染色体 长病程UC患者不伴异型增生、伴不确定异型增生、伴 不稳定性(structural chromosomal instabilitv,S—CIN),前者可 明确异型增生结肠黏膜和癌组织的非整倍体检出率分别为 促进细胞有丝分裂中期姐妹染色体错误分离.从而增加整 19%、28%、28%、55%。表明在UC至UcCRC的演进过程中. 非整倍体的发生率逐渐增加 此外.非整倍体尚与UC的病 DOI:10.3969/j.issn.1008—7125.2012.01.012 Email:binbin变范围和病程相关。一项纳入368例UC患者的大型队列研 _deng@163.COB 本文通信作者.Email:wangcdhl@sina.corn 究 显示,8.7%的UC患者检出非整倍体.检出率随UC病变 ・44・ 范围的扩大而增加(局部结肠炎2%.广泛结肠炎6.8%.全结 肠炎14.9%).病程超过10年的UC患者非整倍体检出率显 著增加 综合上述研究结果.提示非整倍体的出现为UC癌 变过程中的早期事件.其出现早于异型增生.可能作为UC 癌变的监测指标 ②W.CIN与抑癌基因LOH:W-CIN系通过抑癌基因杂 合子丢失(1oss of heterozygosity.LOH)发挥致癌作用 。与散 发性CRC(SCRC)不同.UcCRC发生过程中APC基因改变 少见.p53基因改变多见且出现于癌变早期 研究 显示UC 患者不伴异性增生、伴不确定、低度、高度异型增生结肠黏 膜和癌组织的p53 LOH发生率分别为6%、9%、33%、63%、 85%.表明p53 LOH的发生率随UC癌变进程而逐渐增加。 另有研究I91发现p53 LOH与UC病变范围和癌变风险相关. 按癌变风险分层,正常结肠黏膜、左半结肠炎、全结肠炎、伴 硬化性胆管炎、伴异型增生的UC结肠黏膜p53 LOH发生 率分别为0.2%、9%、35%、71%、89%。在不伴异型增生、伴不 确定或低度异型增生的UC结肠黏膜中.非整倍体较p53 LOH更为常见.且p53 LOH仅见于非整倍体细胞 .提示非 整倍体的出现先于p53 LOH.支持W—CIN通过抑癌基因 p53 LOH参与UcCRC发生的观点 此外.在UC再生黏膜、异性增生至UcCRC的演进过程 中,抑癌基因p53(3个标记位点)、BRCA1、p16 、ST.7、Rb、 Smad4、FHIT中3个或3个以上LOH的检出率逐渐增加 (17%、23%和62%),各抑癌基因LOH在三种组织学形态中 的检出率有明显差异.如Rb LOH在癌组织中检出率最高 (5O%),FHIT在低度异型增生组织中检出率最高(50%),而 Smad4在再生黏膜中检出率最高(37.5%)㈣。推测W CIN系 通过不同抑癌基因LOH.在UC癌变过程中的不同阶段发挥 作用。 2.S.CIN ①端粒与S—CIN:端粒是位于真核细胞染色体末端的核 酸.蛋白复合体.具有保护染色体末端.防止其降解和融合的 功能,能维持染色体的稳定性和完整性。端粒的平均长度随 细胞分裂次数的增多和年龄的增长而逐渐变短.导致染色 体稳定性下降 端粒缩短在恶性肿瘤发生中的作用具有双 向性.如DNA损伤检查点功能完整.则端粒缩短参与抑癌 机制.反之则参与S—CIN的发生机制 UC时结肠细胞的快速 更新和氧化损伤可能加速端粒缩短.从而增加染色体末端 融合的可能性.导致染色质桥断裂.融合循环和S-CIN。有研 究【11】分析了正常对照者以及非进展期UC(不伴异型增生和 癌)、进展期UC(伴异型增生或癌)患者非异型增生结肠黏 膜的染色体畸变和端粒缩短情况.发现染色体臂丢失与端 粒缩短高度相关.进展期UC染色体臂丢失和端粒缩短更为 显著.同时有丝分裂后期桥(染色质桥断裂.融合的中间产 物)出现频率显著增高.支持UC癌变过程中的S-CIN与端 粒缩短相关 研究【 l2_显示UC患者结肠细胞端粒长度随年龄缩短的 Chin J Gastroenterol,2012,Vo1.17,No.1 速度为正常对照者的两倍.该现象发生于UC病程的前8 年,与临床上UC起病8年后癌变风险增高相一致 端粒酶 能以自身RNA为模板合成端粒的重复序列.以维持端粒长 度的稳定性。研究l1]1发现UC患者结直肠黏膜端粒酶活性 较正常对照者显著降低.并与炎症程度呈负相关.即使是 显微镜下表现正常的UC结直肠黏膜.端粒酶活性亦降低. 提示端粒酶活性降低参与了UC的发病:端粒酶在CRC组 织中则呈高表达。另一项研究 1发现端粒酶催化亚单位人 端粒酶逆转录酶(hTERT)mRNA表达在CRC组织中显著 上调.在UC结肠黏膜从慢性炎症至上皮内瘤变的演进过 程中则无明显变化.提示端粒酶激活是UcCRC发生过程 中的晚期事件 ②S.CIN与染色体结构改变:UcCRC肿瘤细胞常因s— CIN而出现染色体易位、部分丢失、扩增。纳入32例UcCRC 和42例SCRC的研究[15,16]发现这些变化见于90%的SCRC、 94%的UcCRC、86%的UcCRC患者异型增生组织和36%的 UcCRC患者非异型增生组织:UcCRC与SCRC的染色体改 变数目相似(8.6/例对8.1/例),两者共有的改变为18q、8p、 17p丢失和8q、20q、13q获得,但5q丢失率有明显差异 (56%对26%),染色体8改变仅与UcCRC进展相关.而18 cI 丢失仅与SCRC进展相关。对5例长病程UC的分析显示. 结肠各部位标本均常见染色体部分扩增和丢失.其中染色 体2、3、6、9、11、12、15扩增几乎可见于所有标本(多处于癌 前状态)旧。一项对l9例UcCRC的分析显示,常见20q (84%)、7、8q、13q(均为74%)、l1p、12(均为42%)、5p、18p (均为37%)、17q(31%)获得,8p(58%)、18q(47%)、5q(26%) 丢失,以及8q、5p、12p、13q、18p、20q扩增l181。另一项对13例 UC伴异型增生/UcCRC的分析显示,常见4p、5q、18q丢失 (21%~31%),1q、5p、6p、7p、7q、8p、8q、l1p、llq、12q、14q、17q、 19q、20p、20q获得(21%一73%),最主要的改变为5p、20q获 得和4p丢失,见于所有UcCRC患者 。上述研究结果表明. 在UcCRC中.染色体臂获得较丢失更为常见 二、MSI 在正常细胞的DNA复制过程中.错配修复(mismatch repair.MMR)系统能及时发现并修复错配的碱基.纠正DNA 复制错误。MMR基因(包括hMSH2、hMLH1、hPMS1、hPMS2、 hMSH6、hMLH3)表达异常可导致DNA复制过程中碱基错 配修复功能缺陷.微卫星位点错配碱基增加.出现MSI。不同 类型CRC的MSI发生途径不同.SCRC系因hMLH1甲基化 致基因表达沉默、功能缺失.UcCRC则与hMLH1甲基化和 hMSH2 LOH有关。UC癌变与高度MSI(MSI.H)显著相关I2oj UC癌变早期即存在MSI 据文献报道.UcCRC的MSI发 生率为8%~21%.UC伴异型增生为13%~19%.非异型增生 UC炎症和再生上皮中亦可检出MSIt211 在非肿瘤性UC炎症 上皮中,MSI ̄>2更常见于病程长、炎症严重但不伴异型增生 或癌的患者.提示MSI的发生与反复炎症应激相关 。 MMR基因突变、功能缺失引起的DNA复制错误更易发 胃肠病学2012年第l7卷第1期 生于编码区含有短核苷酸重复序列、内在稳定性较差、本来 就易发生DNA复制错误的靶基因,如转化生长因子B受体 11(TGF13RⅡ)、胰岛素样生长因子.2受体(IGF2R)和BAX, DNA复制错误所致的MSI使这些基因丧失对结肠细胞内稳 态的调节功能,导致肿瘤形成网。研究 发现不伴异型增生、 伴不确定异型增生、伴明确异型增生的UC患者和UcCRC患 者,结肠黏膜靶基因(TGF13RII、hMSH3、MBD4、BAX、hMSH6) 移码突变检出率分别为0%、27%、20%、36%,以TGF13RⅡ移 码突变最为常见,并与组织学分级较差显著相关 由此推测 UC癌变与MSI途径所致的TGF13R11突变密切相关 TGF— B1是一种多功能蛋白,可影响多种细胞的生长、分化、凋亡 并具有免疫调节功能。TGF13RⅡ突变、表达缺失可能使结肠 细胞失去对TGF—B1的应答 此外,在UC患者的再生黏膜、异型增生和癌组织中,近 抑癌基因p53、BRCA1、p16 、ST.7、Rb、Smad4、FHIT处均 可检测到MSI[I ̄I.提示MSI可能通过使抑癌基因突变失活参 与UC癌变过程 三、CIMP CpG岛为基因组中富含CpG二核苷酸的区域(C:胞嘧 啶,G:鸟嘌呤,P:使两者相连的磷酸酯键),主要存在于基因 5’区域 启动子区CpG岛处于未甲基化状态为基因转录所 必须.CpG序列中的胞嘧啶甲基化可致基因转录抑制.导致 基因沉默和功能缺失 DNA甲基化可分为A型(ESR1、GATA5、HICl、HPP1、 SFRP1等)和C型(MGMT、MLH1、CDKN2A、MINT2、MIN 1"31、 IGF2、CACNA1G、NEUROG1、SOCS1、RUNX3等).A型基因 甲基化常见于正常和肿瘤组织.甲基化程度与组织年龄相 一致.C型基因甲基化则多为肿瘤特异性L241 UC异型增生/ UcCRC患者常见年龄相关A型基因甲基化.而肿瘤相关C 型基因甲基化较少见.提示肿瘤细胞可能主要源自过早衰 老的结直肠上皮细胞[251 与非肿瘤性UC患者的结肠黏膜相 比,UcCRC及其远端非肿瘤性黏膜的p16、RUNX3、MINT1、 MINT31甲基化率显著增高,COX.2、E-cadherin甲基化率显著 降低闭。UcCRC的MGMT、MINT1、MINT2、MINT31、hMLH1、 p16、p14、HPP1、SFRP1、ERa、LINE一1甲基化水平均明显低于 SCRC,两者的CIMP发生率存在显著差异(17%对38%)[27,281. 提示甲基化在UcCRC发生中的作用低于SCRC 抑癌基因p14 由INK4a/ARF基因位点编码,能稳定 和活化p53.以p53依赖性的方式诱导细胞周期阻滞或凋 亡。p14ARF甲基化为UC癌变过程中常见的早期事件,研究显 示正常结肠黏膜、非肿瘤性uc黏膜、uc伴异型增生黏膜、 UcCRC的p14 甲基化率分别为3.7%、60%、33%、50%I291, 且p14 甲基化更多见于病程较长的UC患者 由CDH1基因编码的E—cadherin是一种钙离子依赖性 细胞间黏附分子,其表达和功能缺失与结直肠癌的低分化 和高侵袭性相关。与SCRC相比.UcCRC CDH1甲基化率较 高(57%对36%),伴E—cadherin表达减低.提示CDH1甲基 45・ 化可能与UcCRC的高侵袭性有关_31_ 四、结语 综上所述.UC至UcCRC演变过程中的遗传学改变包 括W—CIN(引起抑癌基因LOH)、S-CIN(引起染色体易位、部 分丢失、扩增)、MSI(引起靶基因突变失活)和CIMP(引起靶 基因沉默)。这些改变在UcCRC发生、发展过程中的出现频 率和时机各不相同.对其作进一步的深入研究有助于发现 UcCRC预防、治疗、随访的靶点和分子标记。 参考文献 1 Eaden JA,Abrams KR,Mayberry JF.The risk of colorectal cancer in ulcerative colitis:a 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