DNA-metylering vid cancer
DNA-metylering i cancer spelar en mängd olika roller och hjälper till att förändra de friska cellerna genom reglering av genuttryck till en cancercell eller ett sjukdomsmönster för sjuka celler . En av de mest studerade DNA-metyleringsdysregleringarna är promotorhypermetyleringen där CPGs-öarna i promotorregionerna är metylerade vilket bidrar till eller gör att gener tystas.
Alla däggdjursceller som härstammar från ett befruktat ägg (en zygot ) delar en gemensam DNA-sekvens (förutom nya mutationer i vissa linjer). Men under utveckling och bildande av olika vävnader förändras epigenetiska faktorer. Förändringarna inkluderar histonmodifieringar , CpG- ömetyleringar och kromatinomorganisationer som kan orsaka stabil tystnad eller aktivering av särskilda gener. När väl differentierade vävnader har bildats, ärvs CpG-ö-metylering i allmänhet stabilt från en celldelning till nästa genom underhållsmaskineriet för DNA-metylering.
Vid cancer finns ett antal mutationsförändringar i proteinkodande gener. Kolorektalcancer har vanligtvis 3 till 6 förarmutationer och 33 till 66 liftar- eller passagerarmutationer som tystar proteinuttryck i de påverkade generna. Emellertid kan transkriptionell tystnad vara viktigare än mutation för att orsaka gentystnad vid progression till cancer. I kolorektala cancerformer tystas omkring 600 till 800 gener transkriptionellt, jämfört med närliggande vävnader som ser normalt ut, genom CpG-ömetylering. Transkriptionell repression i cancer kan också uppstå av andra epigenetiska mekanismer, såsom förändrat uttryck av mikroRNA .
CpG-öar är frekventa kontrollelement
CpG-öar är vanligtvis 200 till 2000 baspar långa, har ett C:G- basparinnehåll >50 % och har frekventa 5' → 3' CpG-sekvenser. Ungefär 70 % av humana promotorer lokaliserade nära transkriptionsstartstället för en gen innehåller en CpG-ö .
Promotorer lokaliserade på ett avstånd från transkriptionsstartstället för en gen innehåller också ofta CpG-öar. Promotorn för DNA-reparationsgenen ERCC1 , till exempel, identifierades och lokaliserades cirka 5 400 nukleotider uppströms om dess kodande region. CpG-öar förekommer också ofta i promotorer för funktionella icke-kodande RNA såsom mikroRNA och långa icke-kodande RNA ( lncRNA).
Metylering av CpG-öar i promotorer tystar generna stabilt
Gener kan tystas genom multipel metylering av CpG-ställen i deras promotorers CpG-öar . Även om tystnad av en gen initieras av en annan mekanism, följs detta ofta av metylering av CpG-ställen i promotor-CpG-ön för att stabilisera tystnaden av genen. Å andra sidan kan hypometylering av CpG-öar i promotorer resultera i överuttryck av gener.
Promotor CpG hyper/hypo-metylering vid cancer
I cancer inträffar förlust av uttryck av gener cirka 10 gånger oftare genom hypermetylering av promotor-CpG-öar än genom mutationer. Till exempel, i tjocktarmstumörer jämfört med närliggande normalt uppträdande tjocktarmsslemhinna, förekommer cirka 600 till 800 kraftigt metylerade CpG-öar i promotorer av gener i tumörerna medan dessa CpG-öar inte är metylerade i den intilliggande slemhinnan. Däremot, som Vogelstein et al. påpeka, i en kolorektal cancer finns det vanligtvis bara cirka 3 till 6 förarmutationer och 33 till 66 liftar- eller passagerarmutationer.
DNA-reparationsgen tystnad i cancer
I sporadiska cancerformer visar sig en DNA-reparationsbrist ibland bero på en mutation i en DNA-reparationsgen. Men mycket oftare beror reducerat eller frånvarande uttryck av en DNA-reparationsgen i cancer på metylering av dess promotor. Till exempel, av 113 undersökta kolorektalcancer, hade endast fyra en missense-mutation i DNA-reparationsgenen MGMT , medan majoriteten hade reducerat MGMT- uttryck på grund av metylering av MGMT -promotorregionen. På liknande sätt, bland 119 fall av kolorektalcancer som saknade DNA-reparationsgenen PMS2 -expression, hade 6 en mutation i PMS2 -genen, medan PMS2 för 103 var bristfällig eftersom dess parningspartner MLH1 var undertryckt på grund av promotormetylering (PMS2-protein är instabil i frånvaro av MLH1). I de återstående 10 fallen berodde förlust av PMS2-uttryck sannolikt på epigenetiskt överuttryck av mikroRNA, miR-155, som nedreglerar MLH1.
Frekvens av hypermetylering av DNA-reparationsgener i cancer
Tjugotvå DNA-reparationsgener med hypermetylerade promotorer, och reducerat eller frånvarande uttryck, visade sig förekomma bland 17 typer av cancer, enligt listan i två översiktsartiklar. Promotorhypermetylering av MGMT förekommer ofta i ett antal cancerformer, inklusive 93% av cancer i urinblåsan, 88% av cancer i magen, 74% av sköldkörtelcancer, 40%-90% av cancer i kolorektal och 50% av cancer i hjärnan. [ citat behövs ] Den recensionen indikerade också promotorhypermetylering av LIG4 , NEIL1 , ATM , MLH1 eller FANCB förekommer vid frekvenser mellan 33 % till 82 % i en eller flera av huvud- och halscancer , icke-småcellig lungcancer eller icke-småcellig lungcancer -cellscancer skivepitelcancer. Artikeln Epigenetisk inaktivering av genen för för tidigt åldrande Werner syndrom i human cancer indikerar att DNA-reparationsgenen WRN har en promotor som ofta hypermetyleras i ett antal cancerformer, med hypermetylering som förekommer i 11 % till 38 % av kolorektal , huvud och hals , mage , prostata- , bröst- , sköldkörtel- , non-Hodgkin-lymfom- , kondrosarkom- och osteosarkomcancer (se WRN ).
Sannolik roll för hypermetylering av DNA-reparationsgener i cancer
Som diskuterats av Jin och Roberston i deras recension, kan tystnad av en DNA-reparationsgen genom hypermetylering vara ett mycket tidigt steg i utvecklingen till cancer. Sådan tystnad föreslås fungera på samma sätt som en könslinjemutation i en DNA-reparationsgen och predisponerar cellen och dess avkomlingar för progression till cancer. En annan recension visade också en tidig roll för hypermetylering av DNA-reparationsgener i cancer. Om en gen som är nödvändig för DNA-reparation hypermetyleras, vilket resulterar i bristfällig DNA-reparation, kommer DNA-skador att ackumuleras. Ökad DNA-skada tenderar att orsaka ökade fel under DNA-syntes, vilket leder till mutationer som kan ge upphov till cancer.
Om hypermetylering av en DNA-reparationsgen är ett tidigt steg i karcinogenesen, kan det också förekomma i de normala vävnaderna som omger cancern från vilken cancern uppstod (fältdefekten ) . Se tabellen nedan.
| Cancer | Gen | Frekvens i cancer | Frekvens i fältdefekt | Ref. |
|---|---|---|---|---|
| Kolorektal | MGMT | 55 % | 54 % | |
| Kolorektal | MSH2 | 13 % | 5 % | |
| Kolorektal | WRN | 29 % | 13 % | |
| Huvud och nacke | MGMT | 54 % | 38 % | |
| Huvud och nacke | MLH1 | 33 % | 25 % | |
| Icke-småcellig lungcancer | bankomat | 69 % | 59 % | |
| Icke-småcellig lungcancer | MLH1 | 69 % | 72 % | |
| Mage | MGMT | 88 % | 78 % | |
| Mage | MLH1 | 73 % | 20 % | |
| Matstrupe | MLH1 | 77 %-100 % | 23%-79% |
Även om DNA-skador kan ge upphov till mutationer genom felbenägen translesionssyntes , kan DNA-skador också ge upphov till epigenetiska förändringar under felaktiga DNA-reparationsprocesser. DNA-skadorna som ackumuleras på grund av hypermetylering av promotorerna för DNA-reparationsgener kan vara en källa till de ökade epigenetiska förändringarna som finns i många gener i cancer.
I en tidig studie som tittade på en begränsad uppsättning transkriptionspromotorer, Fernandez et al. undersökte DNA-metyleringsprofilerna för 855 primära tumörer. Genom att jämföra varje tumörtyp med dess motsvarande normala vävnad, visade 729 CpG-öplatser (55 % av de 1322 CpG-öplatserna utvärderade) differentiell DNA-metylering. Av dessa ställen var 496 hypermetylerade (undertryckta) och 233 var hypometylerade (aktiverade). Således finns det en hög nivå av promotormetyleringsförändringar i tumörer. Vissa av dessa förändringar kan bidra till cancerprogression.
DNA-metylering av mikroRNA i cancer
Hos däggdjur reglerar mikroRNA (miRNA) transkriptionsaktiviteten hos cirka 60 % av de proteinkodande generna. Individuella miRNA kan var och en rikta in sig på och undertrycka transkription av i genomsnitt ungefär 200 budbärar-RNA av proteinkodande gener. Promotorerna för ungefär en tredjedel av de 167 miRNA som utvärderades av Vrba et al. i normala bröstvävnader var differentiellt hyper/hypo-metylerade vid bröstcancer. En nyare studie påpekade att de 167 miRNA som utvärderades av Vrba et al. var endast 10 % av de miRNA som hittades uttryckta i bröstvävnader. Denna senare studie fann att 58% av miRNA i bröstvävnad hade differentiellt metylerade regioner i sina promotorer i bröstcancer, inklusive 278 hypermetylerade miRNA och 802 hypometylerade miRNA.
Ett miRNA som överuttrycks cirka 100 gånger i bröstcancer är miR-182. MiR-182 riktar sig mot BRCA1-budbärar-RNA och kan vara en viktig orsak till minskat uttryck av BRCA1-protein i många bröstcancerformer (se även BRCA1 ).
mikroRNA som styr DNA-metyltransferasgener i cancer
Vissa miRNA är inriktade på budbärar-RNA för DNA-metyltransferasgener DNMT1 , DNMT3A och DNMT3B , vars genprodukter behövs för att initiera och stabilisera promotormetyleringar. Som sammanfattats i tre recensioner, miRNA miR-29a, miR-29b och miR-29c mål DNMT3A och DNMT3B; miR-148a och miR-148b mål DNMT3B; och miR-152 och miR-301 mål DNMT1. Dessutom riktar sig miR-34b till DNMT1 och själva promotorn för miR-34b är hypermetylerad och underuttryckt i majoriteten av prostatacancer. När uttrycket av dessa mikroRNA förändras, kan de också vara en källa till hyper/hypo-metylering av promotorerna för proteinkodande gener i cancer.
Ruben Agrelo,* Wen-Hsing Cheng,† Fernando Setien,* Santiago Ropero,* Jesus Espada,* Mario F. Fraga,* Michel Herranz,* Maria F. Paz,* Montserrat Sanchez-Cespedes,* Maria Jesus Artiga,* David Guerrero,‡ Antoni Castells,§ Cayetano von Kobbe,* Vilhelm A. Bohr,† och Manel Esteller*¶Epigenetisk inaktivering av genen för för tidigt åldrande Werner syndrom i human cancer.Proc Natl Acad Sci US A. 2006; 103(23): 8822–8827.