如果把人身上每個細胞中的DNA完全展開，那么這些DNA分子總共長達10米。平時，這些DNA被包裹在了直徑不到10微米的細胞核中，通過與組蛋白的結合，共同形成了結構非常緊湊的染色質。影響染色質結構的最主要因素就是對DNA本身以及對組蛋白的共價修飾。表觀遺傳學研究的就是這些不屬于DNA中序列改變的可遺傳性狀。最近，表觀遺傳學的概念也擴展到染色質生物學的研究。表觀遺傳修飾在調節(jié)DNA的轉錄，修復和復制中發(fā)揮指導作用。所有這些化學表觀遺傳修飾是動態(tài)的，不同的蛋白復合物負責添加、讀取和除去表觀遺傳記號。
癌癥中的表觀遺傳改變
過去十年來對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，DNA修復和DNA復制的表觀遺傳調控蛋白都出現(xiàn)了突變。據(jù)估計，超過20％的癌癥中都存在“SWI/SNF染色質重塑復合物”（SWI/SNF chromatin-remodeling complex）突變，而這還只是100多種染色質重塑復合物之一。此外，組蛋白突變可以阻礙細胞分化，促進惡性腫瘤發(fā)展。這些發(fā)現(xiàn)表明表觀遺傳調節(jié)失控在癌癥的發(fā)生和進展中起了關鍵作用。
由于染色質調控中的一個變化可以影響到許多不同信號通路中的蛋白表達水平的變化，這對于癌細胞來說是一個能高效改變整個細胞功能以及快速適應環(huán)境變化的手段。人類的發(fā)育過程通常被認為是一個單向的，從多能干細胞到不同組織的前體細胞，再到最終分化細胞的過程。但是，去分化和轉變分化過程在實際上也是存在的，并且這些過程主要通過表觀遺傳進行調控。比如說，表皮-間質細胞轉化過程（EMT）能夠改變細胞類型，它對于器官發(fā)育和內穩(wěn)態(tài)是必須的。但是EMT也同時改變了細胞遷移和入侵的能力，于是成為了許多腫瘤細胞，尤其是惡性或轉移腫瘤的特征之一。在分子層面，這些細胞轉型過程主要通過組蛋白和DNA修飾調節(jié)。由于表觀遺傳調控是一個動態(tài)的過程，因此細胞內會同時存在激活和抑制這一過程的蛋白或蛋白復合物，而其中任何一部分出現(xiàn)突變就會破壞這個動態(tài)過程，這在許多癌癥中都被發(fā)現(xiàn)。比如說，兩個在表觀遺傳調控中起重要作用的蛋白復合物PcG和TrxG分別能夠甲基化組蛋白H3K4和H3K27，這兩個甲基化組蛋白分別激活和抑制基因表達。在一些B細胞淋巴瘤中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這兩個蛋白復合物成員的突變，包括PcG中的EZH2和TrxG中的MLL2，這些突變阻礙了B細胞成熟的過程從而導致癌變。
表觀遺傳異常調節(jié)誘導癌癥起源
近年來通過對于造血系統(tǒng)的研究而提出的癌癥進化模型指出，癌癥是由突變的干細胞或前體細胞的克隆擴增而發(fā)生的。這些細胞隨后出現(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節(jié)者是促進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胞生成大部分血細胞的現(xiàn)象相當普遍，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，從而使這些細胞的生長超過其它細胞。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，帶有表觀遺傳調節(jié)因子突變的白血病細胞，如DNA甲基轉移酶DNMT3A，對于傳統(tǒng)化療方法不敏感，因此是白血病復發(fā)的重要原因。關于表觀遺傳調節(jié)因子在血液癌癥發(fā)生中的關鍵作用是否廣泛適用于其他惡性腫瘤仍有待驗證。
“暗物質”中的致癌突變影響染色質調節(jié)
雖然蛋白質編碼基因中出現(xiàn)的致癌突變的記錄接近完成，我們仍然只是揭開了癌癥基因組的冰山一角。非編碼調節(jié)基因組或所謂的“暗物質”中的突變率幾乎是編碼區(qū)的兩倍，這些非編碼突變在驅動腫瘤發(fā)生中起到的作用是當前研究的重點之一。在多基因啟動子和增強子中出現(xiàn)的這種突變在各種癌癥中均有發(fā)現(xiàn)。一項最新研究在超過70％的黑色素瘤中發(fā)現(xiàn)了TERT基因的啟動子內的突變，TERT是編碼端粒酶催化部分的基因。雖然癌細胞具有超高的端粒酶活性，但是端粒酶基因編碼區(qū)內的突變在癌癥基因組中并不常見。而TERT啟動子的突變正是通過創(chuàng)建了一個ETS家族轉錄因子的結合位點來增加TERT蛋白的表達。在啟動子以外，增強子中的突變也被發(fā)現(xiàn)與癌癥有關，比如說，帶有特定染色體易位的急性髓細胞白血病患者的預后通常很差，這是因為他們的癌細胞內存在致癌基因EVI1的持續(xù)異常表達。詳細的研究發(fā)現(xiàn)，這兩種染色體易位導致了一個“超級增強子”的出現(xiàn)，超級增強子能夠結合大量的轉錄因子，導致EVT1基因的過度表達。
癌癥代謝及其對表觀基因組的影響
一些人類癌癥中，特別是神經(jīng)膠質瘤和急性髓細胞白血病中，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，這個家族的成員包括諸如TET DNA去甲基酶這樣的對表觀遺傳調控發(fā)揮關鍵作用的蛋白。
除了IDH，參與三羧酸循環(huán)的其他關鍵酶，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中誘導出了CpG島高甲基化表型（CIMP）。CIMP表型導致染色質拓撲結構異常，導致順式調節(jié)子與致癌基因的異常并存。CIMP還構成了EMT轉型的基礎，這導致了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比上述三羧酸循環(huán)酶中的突變普遍。營養(yǎng)水平能夠動態(tài)調節(jié)關鍵代謝通路的相互作用，產(chǎn)生用于染色質翻譯后修飾的底物，包括組蛋白和DNA甲基化，組蛋白乙?；取?strong>這個正在迅速擴大的研究領域可能揭示癌癥中的表觀遺傳學調節(jié)異常的機制，也可能提供新的治療途徑。
表觀遺傳治療
表觀遺傳學在癌癥的特征中發(fā)揮的影響已經(jīng)獲得了科學家，醫(yī)生和制藥業(yè)的廣泛關注，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鍵因子和染色質重塑因子的小分子候選藥物，同時推動了表觀遺傳調節(jié)劑在與癌癥以外的其他疾病中的研究。
腫瘤學中臨床進展最快的表觀遺傳治療方法是DNA甲基轉移酶抑制劑（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，從而導致了抑癌基因的失調，染色質結構的廣泛移動和基因組內轉座子的激活。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甲基化準確地評估患者的預后。雖然DNA甲基化的基因組圖譜有助于預測許多癌癥的預后，但是迄今為止，這些預測在指導臨床治療決策（包括使用DNMTi，如阿扎胞苷或地西他濱）方面尚未形成共識。
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，但是關于藥物的分子機制仍有爭議。阿扎胞苷重新激活癌細胞中某些異常沉默基因的表達，但是在MDS和其他癌癥中可以指導該藥使用的基因標志物仍未被發(fā)現(xiàn)。此外，盡管對于阿扎胞苷的作用機制研究集中在降低DNA甲基化程度，但也發(fā)現(xiàn)了這個核苷類似物能夠優(yōu)先插入RNA并顯著改變RNA和蛋白質代謝。最近的研究表明，這類DNA甲基轉移酶抑制劑的一種可能機制是通過重新激活細胞內的內源性逆轉錄病毒元件，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新興主題：與宿主免疫功能相互作用。
最近幾年來，針對表觀遺傳記號的添加、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，這些藥物的臨床實驗還沒有公布數(shù)據(jù)，但是已經(jīng)帶來的新的知識。其中的一些表觀遺傳藥物被用于靶向癌癥中的對于惡化至關重要的編碼突變。比如說，在急性髓細胞白血病中，突變IDH的抑制劑在臨床試驗中取得了喜人的結果，在接受過多種治療的復發(fā)或難治性患者中，響應率達到了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，在急性髓細胞白血病中開展的幾項治療研究都不是靶向癌癥中突變的蛋白，而是利用腫瘤細胞對于異常轉錄的依賴性，靶向特異性表觀遺傳因子DOT1L、BET和LSD1。盡管最初對于這種會影響所有蛋白轉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，在這個方向，臨床前研究中獲得的出色結果和臨床試驗中尚可的療效間有一定的距離。這說明了臨床前動物模型仍然不能完全反應實際的疾病，此外，在臨床前模型中對藥物的研究也還不夠細致。我們需要更好的動物模型、更強大的化學工具、以及創(chuàng)新的策略來解決這些問題。
腫瘤異質性和轉錄可塑性
在許多惡性腫瘤中，每位患者身上都可能會出現(xiàn)遺傳和功能不同的多種癌細胞亞型。這種腫瘤內部的異質性其實不難理解，人體中的每種組織都由遺傳學上完全相同的細胞構成，但是這些細胞功能各異，每種組織中都由內在和外在因素達到細胞在自我更新和分化上的平衡。對于腫瘤來說也是這樣的，那些引起癌癥的細胞能夠自我更新并維持腫瘤的存在，而那些惡性腫瘤細胞快速生長，卻不能自我更新。從遺傳學角度看，這些功能上的異質性主要是由表觀遺傳調控者通過調節(jié)轉錄水平來實現(xiàn)的。
表觀遺傳異質性比基因異質性更加動態(tài)，而且表觀遺傳調控者在環(huán)境和藥物壓力的影響下作出的轉錄可塑性調整可能是導致許多癌癥藥物在患者中的療效不能持久的原因。有一種假說認為治療失敗通常來自腫瘤干細胞中的適應性調整。最近在臨床前模型中發(fā)現(xiàn)急性髓細胞白血病中表觀遺傳治療的耐藥性源自一些白血病干細胞亞群，驗證了這個假說。這種耐藥性由轉錄可塑性而不是遺傳進化產(chǎn)生，這也是癌癥生物學中表觀遺傳耐藥性的新的研究方向。
聯(lián)合治療
實踐經(jīng)驗經(jīng)常使人相信多種藥物的聯(lián)合治療會取得更好的效果。但是與之相反，一些研究已經(jīng)證明表觀遺傳學藥物的組合沒有產(chǎn)生協(xié)同作用，并且實際上可能出現(xiàn)拮抗作用。單獨使用DNMTi延長了許多骨髓增生異常綜合征患者的生命，單獨使用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DNMTi的療效要差。這些研究結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?shù)呐R床前模型和腫瘤原代細胞模型來進行實驗驗證。最近幾項研究采用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)合治療試驗奠定了基礎。
開發(fā)新的表觀遺傳療法
有效調節(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。許多研究者已經(jīng)通過遺傳篩選尋找能在體外和體內模型中殺死癌細胞的的靶點。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時需要注意，許多表觀遺傳學蛋白是在復合物中才有作用，并且單個蛋白在不同復合物中的作用也不一樣，可能是支架、靶向或催化作用。因此，篩選出來的某個蛋白可能破壞了復合物整體功能，因此它可能不是真正的適合成藥的靶點。
此外，表觀遺傳蛋白通常包含幾個功能區(qū)域，其中一些用于結合修飾后的DNA或組蛋白，另一些可以催化或除去修飾物。每一個區(qū)域都可能在表觀遺傳調節(jié)中具有不同的作用。因此，確定影響表型的區(qū)域對藥物設計至關重要。最近有些研究采用基因組編輯的方法來鑒定對于藥物開發(fā)最關鍵的蛋白質區(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。
總結和展望
表觀遺傳調節(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會。到目前為止，所有新的表觀遺傳藥物都用在治療復發(fā)和耐藥性癌癥的早期臨床試驗中，有些患者達到了完全緩解，這為這個領域帶來了希望。期望表觀遺傳療法作為單藥治療惡性腫瘤可能不現(xiàn)實，未來的重點在于開發(fā)針對某些特定癌癥人群的藥物以及組合療法。比如說對于非常兇險的急性髓細胞白血病，聯(lián)合化療在達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胞能夠存活下來并成為日后復發(fā)的基礎。表觀遺傳調控者中的突變對于腫瘤起源細胞的出現(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和癌癥免疫學相互依賴。表觀遺傳治療會激發(fā)免疫反應，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過繼性免疫療法和免疫檢查點抑制劑的效果。因此，免疫治療和表觀遺傳治療的組合療法將是下一個前沿。盡管腫瘤在藥物治療的壓力下會不斷進化，我們對于這個進化過程以及表觀遺傳調控在其中的作用越來越了解，這帶來了許多新的治療機會。整個領域對于表觀遺傳藥物成為惡性腫瘤治療的基石之一充滿信心。
