如果把人身上每個(gè)細(xì)胞中的DNA完全展開，那么這些DNA分子總共長達(dá)10米。平時(shí)，這些DNA被包裹在了直徑不到10微米的細(xì)胞核中，通過與組蛋白的結(jié)合，共同形成了結(jié)構(gòu)非常緊湊的染色質(zhì)。影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的最主要因素就是對(duì)DNA本身以及對(duì)組蛋白的共價(jià)修飾。表觀遺傳學(xué)研究的就是這些不屬于DNA中序列改變的可遺傳性狀。最近，表觀遺傳學(xué)的概念也擴(kuò)展到染色質(zhì)生物學(xué)的研究。表觀遺傳修飾在調(diào)節(jié)DNA的轉(zhuǎn)錄，修復(fù)和復(fù)制中發(fā)揮指導(dǎo)作用。所有這些化學(xué)表觀遺傳修飾是動(dòng)態(tài)的，不同的蛋白復(fù)合物負(fù)責(zé)添加、讀取和除去表觀遺傳記號(hào)。
癌癥中的表觀遺傳改變
過去十年來對(duì)人類癌癥基因組的綜合分析顯示，在許多癌癥中參與基因表達(dá)，DNA修復(fù)和DNA復(fù)制的表觀遺傳調(diào)控蛋白都出現(xiàn)了突變。據(jù)估計(jì)，超過20％的癌癥中都存在“SWI/SNF染色質(zhì)重塑復(fù)合物”（SWI/SNF chromatin-remodeling complex）突變，而這還只是100多種染色質(zhì)重塑復(fù)合物之一。此外，組蛋白突變可以阻礙細(xì)胞分化，促進(jìn)惡性腫瘤發(fā)展。這些發(fā)現(xiàn)表明表觀遺傳調(diào)節(jié)失控在癌癥的發(fā)生和進(jìn)展中起了關(guān)鍵作用。
由于染色質(zhì)調(diào)控中的一個(gè)變化可以影響到許多不同信號(hào)通路中的蛋白表達(dá)水平的變化，這對(duì)于癌細(xì)胞來說是一個(gè)能高效改變整個(gè)細(xì)胞功能以及快速適應(yīng)環(huán)境變化的手段。人類的發(fā)育過程通常被認(rèn)為是一個(gè)單向的，從多能干細(xì)胞到不同組織的前體細(xì)胞，再到最終分化細(xì)胞的過程。但是，去分化和轉(zhuǎn)變分化過程在實(shí)際上也是存在的，并且這些過程主要通過表觀遺傳進(jìn)行調(diào)控。比如說，表皮-間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化過程（EMT）能夠改變細(xì)胞類型，它對(duì)于器官發(fā)育和內(nèi)穩(wěn)態(tài)是必須的。但是EMT也同時(shí)改變了細(xì)胞遷移和入侵的能力，于是成為了許多腫瘤細(xì)胞，尤其是惡性或轉(zhuǎn)移腫瘤的特征之一。在分子層面，這些細(xì)胞轉(zhuǎn)型過程主要通過組蛋白和DNA修飾調(diào)節(jié)。由于表觀遺傳調(diào)控是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，因此細(xì)胞內(nèi)會(huì)同時(shí)存在激活和抑制這一過程的蛋白或蛋白復(fù)合物，而其中任何一部分出現(xiàn)突變就會(huì)破壞這個(gè)動(dòng)態(tài)過程，這在許多癌癥中都被發(fā)現(xiàn)。比如說，兩個(gè)在表觀遺傳調(diào)控中起重要作用的蛋白復(fù)合物PcG和TrxG分別能夠甲基化組蛋白H3K4和H3K27，這兩個(gè)甲基化組蛋白分別激活和抑制基因表達(dá)。在一些B細(xì)胞淋巴瘤中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)蛋白復(fù)合物成員的突變，包括PcG中的EZH2和TrxG中的MLL2，這些突變阻礙了B細(xì)胞成熟的過程從而導(dǎo)致癌變。
表觀遺傳異常調(diào)節(jié)誘導(dǎo)癌癥起源
近年來通過對(duì)于造血系統(tǒng)的研究而提出的癌癥進(jìn)化模型指出，癌癥是由突變的干細(xì)胞或前體細(xì)胞的克隆擴(kuò)增而發(fā)生的。這些細(xì)胞隨后出現(xiàn)更多的突變以獲得生長和增殖優(yōu)勢，最終發(fā)展成為臨床診斷的惡性腫瘤。最近的研究提示表觀遺傳調(diào)節(jié)者是促進(jìn)惡性腫瘤的最初生成的主要因素。
一些研究發(fā)現(xiàn)，單克隆造血，也就是說一些攜帶突變的造血干細(xì)胞生成大部分血細(xì)胞的現(xiàn)象相當(dāng)普遍，在65歲以上人群中超過10%。這些突變能夠帶來自我更新方面的優(yōu)勢，從而使這些細(xì)胞的生長超過其它細(xì)胞。但越來越多的證據(jù)顯示單克隆造血是各種血液癌癥的前奏，包括骨髓增生異常綜合征和急性骨髓性白血病。此外，帶有表觀遺傳調(diào)節(jié)因子突變的白血病細(xì)胞，如DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT3A，對(duì)于傳統(tǒng)化療方法不敏感，因此是白血病復(fù)發(fā)的重要原因。關(guān)于表觀遺傳調(diào)節(jié)因子在血液癌癥發(fā)生中的關(guān)鍵作用是否廣泛適用于其他惡性腫瘤仍有待驗(yàn)證。
“暗物質(zhì)”中的致癌突變影響染色質(zhì)調(diào)節(jié)
雖然蛋白質(zhì)編碼基因中出現(xiàn)的致癌突變的記錄接近完成，我們?nèi)匀恢皇墙议_了癌癥基因組的冰山一角。非編碼調(diào)節(jié)基因組或所謂的“暗物質(zhì)”中的突變率幾乎是編碼區(qū)的兩倍，這些非編碼突變?cè)隍?qū)動(dòng)腫瘤發(fā)生中起到的作用是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一。在多基因啟動(dòng)子和增強(qiáng)子中出現(xiàn)的這種突變?cè)诟鞣N癌癥中均有發(fā)現(xiàn)。一項(xiàng)最新研究在超過70％的黑色素瘤中發(fā)現(xiàn)了TERT基因的啟動(dòng)子內(nèi)的突變，TERT是編碼端粒酶催化部分的基因。雖然癌細(xì)胞具有超高的端粒酶活性，但是端粒酶基因編碼區(qū)內(nèi)的突變?cè)诎┌Y基因組中并不常見。而TERT啟動(dòng)子的突變正是通過創(chuàng)建了一個(gè)ETS家族轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)來增加TERT蛋白的表達(dá)。在啟動(dòng)子以外，增強(qiáng)子中的突變也被發(fā)現(xiàn)與癌癥有關(guān)，比如說，帶有特定染色體易位的急性髓細(xì)胞白血病患者的預(yù)后通常很差，這是因?yàn)樗麄兊陌┘?xì)胞內(nèi)存在致癌基因EVI1的持續(xù)異常表達(dá)。詳細(xì)的研究發(fā)現(xiàn)，這兩種染色體易位導(dǎo)致了一個(gè)“超級(jí)增強(qiáng)子”的出現(xiàn)，超級(jí)增強(qiáng)子能夠結(jié)合大量的轉(zhuǎn)錄因子，導(dǎo)致EVT1基因的過度表達(dá)。
癌癥代謝及其對(duì)表觀基因組的影響
一些人類癌癥中，特別是神經(jīng)膠質(zhì)瘤和急性髓細(xì)胞白血病中，存在異檸檬酸脫氫酶（IDH1和IDH2）突變，這些突變改變了酶的功能，導(dǎo)致致癌的代謝物2-羥基戊二酸（2HG）的積聚。2HG是鐵依賴的雙加氧酶家族的抑制劑，這個(gè)家族的成員包括諸如TET DNA去甲基酶這樣的對(duì)表觀遺傳調(diào)控發(fā)揮關(guān)鍵作用的蛋白。
除了IDH，參與三羧酸循環(huán)的其他關(guān)鍵酶，如琥珀酸脫氫酶（SDH）和富馬酸水合酶（FH）的突變也在癌癥中被觀察到。所有這些參與三羧酸循環(huán)的酶的突變都在腫瘤DNA中誘導(dǎo)出了CpG島高甲基化表型（CIMP）。CIMP表型導(dǎo)致染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)異常，導(dǎo)致順式調(diào)節(jié)子與致癌基因的異常并存。CIMP還構(gòu)成了EMT轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，這導(dǎo)致了FH缺陷型癌癥的侵襲性。腫瘤代謝組和表觀基因組之間的相互作用遠(yuǎn)比上述三羧酸循環(huán)酶中的突變普遍。營養(yǎng)水平能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)關(guān)鍵代謝通路的相互作用，產(chǎn)生用于染色質(zhì)翻譯后修飾的底物，包括組蛋白和DNA甲基化，組蛋白乙?；?。這個(gè)正在迅速擴(kuò)大的研究領(lǐng)域可能揭示癌癥中的表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)異常的機(jī)制，也可能提供新的治療途徑。
表觀遺傳治療
表觀遺傳學(xué)在癌癥的特征中發(fā)揮的影響已經(jīng)獲得了科學(xué)家，醫(yī)生和制藥業(yè)的廣泛關(guān)注，研究人員試圖操縱和重置癌癥表觀基因組。這些研究產(chǎn)生了大量靶向表觀遺傳關(guān)鍵因子和染色質(zhì)重塑因子的小分子候選藥物，同時(shí)推動(dòng)了表觀遺傳調(diào)節(jié)劑在與癌癥以外的其他疾病中的研究。
腫瘤學(xué)中臨床進(jìn)展最快的表觀遺傳治療方法是DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑（DNMTi）和組蛋白脫乙酰酶（HDAC）抑制劑。DNA序列中CpG上的5-碳的甲基化可能是癌癥中最有代表性的染色質(zhì)修飾。有證據(jù)表明，大多數(shù)癌癥中都存在DNA甲基化程度的大規(guī)模改變，從而導(dǎo)致了抑癌基因的失調(diào)，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的廣泛移動(dòng)和基因組內(nèi)轉(zhuǎn)座子的激活。值得一提的是，在兒童室管膜瘤中，即使沒有任何DNA編碼突變，仍可用DNA甲基化準(zhǔn)確地評(píng)估患者的預(yù)后。雖然DNA甲基化的基因組圖譜有助于預(yù)測許多癌癥的預(yù)后，但是迄今為止，這些預(yù)測在指導(dǎo)臨床治療決策（包括使用DNMTi，如阿扎胞苷或地西他濱）方面尚未形成共識(shí)。
阿扎胞苷可能是目前最成功的表觀遺傳治療藥物之一。這種藥物已經(jīng)改變了骨髓增生異常綜合征（MDS）的歷史，但是關(guān)于藥物的分子機(jī)制仍有爭議。阿扎胞苷重新激活癌細(xì)胞中某些異常沉默基因的表達(dá)，但是在MDS和其他癌癥中可以指導(dǎo)該藥使用的基因標(biāo)志物仍未被發(fā)現(xiàn)。此外，盡管對(duì)于阿扎胞苷的作用機(jī)制研究集中在降低DNA甲基化程度，但也發(fā)現(xiàn)了這個(gè)核苷類似物能夠優(yōu)先插入RNA并顯著改變RNA和蛋白質(zhì)代謝。最近的研究表明，這類DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑的一種可能機(jī)制是通過重新激活細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒元件，從而激活免疫系統(tǒng)。這些最新的研究突顯了表觀遺傳癌癥治療的一個(gè)新興主題：與宿主免疫功能相互作用。
最近幾年來，針對(duì)表觀遺傳記號(hào)的添加、讀取和去除的靶向藥物也正在逐漸出現(xiàn)，這包括BET、LSD1、突變的IDH抑制劑等，這些藥物的臨床實(shí)驗(yàn)還沒有公布數(shù)據(jù)，但是已經(jīng)帶來的新的知識(shí)。其中的一些表觀遺傳藥物被用于靶向癌癥中的對(duì)于惡化至關(guān)重要的編碼突變。比如說，在急性髓細(xì)胞白血病中，突變IDH的抑制劑在臨床試驗(yàn)中取得了喜人的結(jié)果，在接受過多種治療的復(fù)發(fā)或難治性患者中，響應(yīng)率達(dá)到了40%，其中有20%是完全緩解。
表觀遺傳療法還被用于非致癌基因的表觀遺傳依賴性。例如，在急性髓細(xì)胞白血病中開展的幾項(xiàng)治療研究都不是靶向癌癥中突變的蛋白，而是利用腫瘤細(xì)胞對(duì)于異常轉(zhuǎn)錄的依賴性，靶向特異性表觀遺傳因子DOT1L、BET和LSD1。盡管最初對(duì)于這種會(huì)影響所有蛋白轉(zhuǎn)錄的藥物有一定顧慮，但是早期數(shù)據(jù)顯示其安全性可以接受，并且在15%的患者中取得了療效。不過，在這個(gè)方向，臨床前研究中獲得的出色結(jié)果和臨床試驗(yàn)中尚可的療效間有一定的距離。這說明了臨床前動(dòng)物模型仍然不能完全反應(yīng)實(shí)際的疾病，此外，在臨床前模型中對(duì)藥物的研究也還不夠細(xì)致。我們需要更好的動(dòng)物模型、更強(qiáng)大的化學(xué)工具、以及創(chuàng)新的策略來解決這些問題。
腫瘤異質(zhì)性和轉(zhuǎn)錄可塑性
在許多惡性腫瘤中，每位患者身上都可能會(huì)出現(xiàn)遺傳和功能不同的多種癌細(xì)胞亞型。這種腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性其實(shí)不難理解，人體中的每種組織都由遺傳學(xué)上完全相同的細(xì)胞構(gòu)成，但是這些細(xì)胞功能各異，每種組織中都由內(nèi)在和外在因素達(dá)到細(xì)胞在自我更新和分化上的平衡。對(duì)于腫瘤來說也是這樣的，那些引起癌癥的細(xì)胞能夠自我更新并維持腫瘤的存在，而那些惡性腫瘤細(xì)胞快速生長，卻不能自我更新。從遺傳學(xué)角度看，這些功能上的異質(zhì)性主要是由表觀遺傳調(diào)控者通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄水平來實(shí)現(xiàn)的。
表觀遺傳異質(zhì)性比基因異質(zhì)性更加動(dòng)態(tài)，而且表觀遺傳調(diào)控者在環(huán)境和藥物壓力的影響下作出的轉(zhuǎn)錄可塑性調(diào)整可能是導(dǎo)致許多癌癥藥物在患者中的療效不能持久的原因。有一種假說認(rèn)為治療失敗通常來自腫瘤干細(xì)胞中的適應(yīng)性調(diào)整。最近在臨床前模型中發(fā)現(xiàn)急性髓細(xì)胞白血病中表觀遺傳治療的耐藥性源自一些白血病干細(xì)胞亞群，驗(yàn)證了這個(gè)假說。這種耐藥性由轉(zhuǎn)錄可塑性而不是遺傳進(jìn)化產(chǎn)生，這也是癌癥生物學(xué)中表觀遺傳耐藥性的新的研究方向。
聯(lián)合治療
實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)經(jīng)常使人相信多種藥物的聯(lián)合治療會(huì)取得更好的效果。但是與之相反，一些研究已經(jīng)證明表觀遺傳學(xué)藥物的組合沒有產(chǎn)生協(xié)同作用，并且實(shí)際上可能出現(xiàn)拮抗作用。單獨(dú)使用DNMTi延長了許多骨髓增生異常綜合征患者的生命，單獨(dú)使用HDAC抑制劑在一些患者中也有療效，但是聯(lián)用這兩種藥物比用單獨(dú)DNMTi的療效要差。這些研究結(jié)果表明仍需要探索表觀遺傳組合治療的分子原理，并通過適當(dāng)?shù)呐R床前模型和腫瘤原代細(xì)胞模型來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。最近幾項(xiàng)研究采用BET抑制劑與DOT1L抑制劑組合，以及IDH抑制劑與BCL2抑制劑組合的合成致死療法，為未來的聯(lián)合治療試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
開發(fā)新的表觀遺傳療法
有效調(diào)節(jié)癌癥表觀基因組的小分子藥物研究十分熱門，但是目前還沒有明確的靶點(diǎn)。許多研究者已經(jīng)通過遺傳篩選尋找能在體外和體內(nèi)模型中殺死癌細(xì)胞的的靶點(diǎn)。但是，通過CRISPR或RNA干擾等基因敲除方法來尋找表觀遺傳靶點(diǎn)時(shí)需要注意，許多表觀遺傳學(xué)蛋白是在復(fù)合物中才有作用，并且單個(gè)蛋白在不同復(fù)合物中的作用也不一樣，可能是支架、靶向或催化作用。因此，篩選出來的某個(gè)蛋白可能破壞了復(fù)合物整體功能，因此它可能不是真正的適合成藥的靶點(diǎn)。
此外，表觀遺傳蛋白通常包含幾個(gè)功能區(qū)域，其中一些用于結(jié)合修飾后的DNA或組蛋白，另一些可以催化或除去修飾物。每一個(gè)區(qū)域都可能在表觀遺傳調(diào)節(jié)中具有不同的作用。因此，確定影響表型的區(qū)域?qū)λ幬镌O(shè)計(jì)至關(guān)重要。最近有些研究采用基因組編輯的方法來鑒定對(duì)于藥物開發(fā)最關(guān)鍵的蛋白質(zhì)區(qū)域。也許未來理想的尋找表觀遺傳藥物的方法是使用這些策略的組合。
總結(jié)和展望
表觀遺傳調(diào)節(jié)在癌癥的發(fā)生和發(fā)展中的重要作用給研究靶向治療提供了大量機(jī)會(huì)。到目前為止，所有新的表觀遺傳藥物都用在治療復(fù)發(fā)和耐藥性癌癥的早期臨床試驗(yàn)中，有些患者達(dá)到了完全緩解，這為這個(gè)領(lǐng)域帶來了希望。期望表觀遺傳療法作為單藥治療惡性腫瘤可能不現(xiàn)實(shí)，未來的重點(diǎn)在于開發(fā)針對(duì)某些特定癌癥人群的藥物以及組合療法。比如說對(duì)于非常兇險(xiǎn)的急性髓細(xì)胞白血病，聯(lián)合化療在達(dá)到完全緩解上非常有效，但是問題在于總有一些腫瘤起源細(xì)胞能夠存活下來并成為日后復(fù)發(fā)的基礎(chǔ)。表觀遺傳調(diào)控者中的突變對(duì)于腫瘤起源細(xì)胞的出現(xiàn)有很重要的作用，因此表觀遺傳藥物也許能成為化療后的維持藥物，以期保住化療的效果。表觀遺傳藥物和其它靶向藥物相互作用后出現(xiàn)的合成致死作用也有可能取得成功。
越來越多的證據(jù)顯示癌癥表觀遺傳學(xué)和癌癥免疫學(xué)相互依賴。表觀遺傳治療會(huì)激發(fā)免疫反應(yīng)，免疫激活反過來也有助于藥物發(fā)揮功效。越來越多的研究還發(fā)現(xiàn)，表觀遺傳治療能夠增強(qiáng)過繼性免疫療法和免疫檢查點(diǎn)抑制劑的效果。因此，免疫治療和表觀遺傳治療的組合療法將是下一個(gè)前沿。盡管腫瘤在藥物治療的壓力下會(huì)不斷進(jìn)化，我們對(duì)于這個(gè)進(jìn)化過程以及表觀遺傳調(diào)控在其中的作用越來越了解，這帶來了許多新的治療機(jī)會(huì)。整個(gè)領(lǐng)域?qū)τ诒碛^遺傳藥物成為惡性腫瘤治療的基石之一充滿信心。
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