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DNA甲基化(DNA methylation)是一種表觀遺傳學機制,通過DNA甲基轉(zhuǎn)移酶在二核苷酸的胞嘧啶C-5位添加一個甲基基團,引起不同基因的轉(zhuǎn)錄激活或抑制,并調(diào)節(jié)各種細胞功能。DNA甲基化可以在不改變DNA序列的情況下,對個體的生長、發(fā)育、基因表達模式以及基因組的穩(wěn)定性起到重要的調(diào)控作用,并且這種修飾在發(fā)育和細胞增殖的過程中是可以穩(wěn)定傳遞的。
DNA甲基化和去甲基化動態(tài)過程
1925年DNA甲基化首次在細菌中被發(fā)現(xiàn),隨后在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)了5mC的非隨機分布,表明其可能具有生物學功能。在20世紀80年代早期,發(fā)現(xiàn)5′啟動子區(qū)域內(nèi)的DNA甲基化抑制了相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。在整個20世紀90年代和21世紀,通過DNA甲基化的基因調(diào)控機制被闡明,其與組蛋白修飾的關(guān)系以及對3D基因組組織的影響被揭示。
基因組序列中大約70%的胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤(CpG)位點是甲基化的,其余未甲基化的CpG通常聚集出現(xiàn),這部分長度至少為200個堿基且CG含量至少為50%的堿基序列被稱為CpG島。CpG島的甲基化改變會影響DNA的三維結(jié)構(gòu),抑制DNA與轉(zhuǎn)錄因子的相互作用,從而沉默基因表達,抑制抑癌基因表達,進而促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展。用通俗的話講,DNA甲基化是生理活動一套精細的“控制開關(guān)系統(tǒng)”,可以把甲基化比作一個電燈開關(guān),高甲基化關(guān)燈即關(guān)閉基因表達,低甲基化開燈,即啟動或增加基因表達水平,但如果這個開關(guān)的方向弄錯了,本來應該正常表達的基因發(fā)生高甲基化,或者本來不應該表達的基因發(fā)生了低甲基化,就會導致不正常的生理現(xiàn)象,甚至會導致癌癥的發(fā)生。
癌癥的發(fā)生是一個多因素、多步驟的復雜過程,其中DNA甲基化的異常扮演著關(guān)鍵角色。一方面,腫瘤抑制基因的啟動子區(qū)域常常發(fā)生過度甲基化。這些本應發(fā)揮抑制腫瘤生長作用的基因,由于甲基化的“封鎖”而無法正常表達,使得細胞失去了對增殖的有效控制。例如,p16基因在多種癌癥中常因過度甲基化而失活,導致細胞周期調(diào)控失常,促進癌細胞的無限增殖。
另一方面,一些原癌基因可能出現(xiàn)低甲基化,使其過度表達,賦予癌細胞更強的生存和增殖能力。此外,全基因組的甲基化水平也可能發(fā)生整體降低,導致基因組的穩(wěn)定性下降,增加基因突變和染色體異常的風險。
DNA甲基化作為癌癥篩查標志物的優(yōu)勢
1.早期診斷的潛力
癌癥的早期發(fā)現(xiàn)是提高治愈率和生存率的關(guān)鍵。DNA甲基化的改變往往發(fā)生在癌癥發(fā)生的早期階段,甚至先于細胞形態(tài)和組織結(jié)構(gòu)的變化。這意味著通過檢測特定基因的甲基化狀態(tài),我們有可能在癌癥還處于萌芽狀態(tài)時就捕捉到其蛛絲馬跡,為早期干預和治療贏得寶貴的時間。
2.高特異性和敏感性
與傳統(tǒng)的腫瘤標志物如蛋白質(zhì)標志物相比,DNA甲基化標志物具有更高的特異性和敏感性。這是因為DNA甲基化的改變是直接發(fā)生在基因?qū)用?,與癌癥的發(fā)生機制更為緊密相關(guān)。而且,單一基因的甲基化變化可能不明顯,但多個相關(guān)基因的甲基化組合模式能夠提供更準確的診斷信息,大大降低了誤診和漏診的概率。
3.多癌種通用性
一些DNA甲基化標志物在多種不同類型的癌癥中表現(xiàn)出相似的異常模式,這為開發(fā)通用的癌癥篩查方法提供了可能。例如,某些與細胞周期調(diào)控、DNA修復等關(guān)鍵通路相關(guān)的基因甲基化改變,在肺癌、胃癌、結(jié)腸癌等多種常見癌癥中都有出現(xiàn)。通過檢測這些通用的甲基化標志物,有望實現(xiàn)一次檢測對多種癌癥的初步篩查。DNA甲基化具有組織的特異性,這是異常甲基化基因檢測能助力腫瘤診斷的基礎,也是精準診斷的需要。通過特定癌種開發(fā)的cfDNA/ctDNA的異常甲基化檢測有望在腫瘤的精準診斷和個體化治療中發(fā)揮越來越重要的作用。
4.非侵入性檢測的可行性
傳統(tǒng)的癌癥診斷方法如組織活檢往往具有侵入性,給患者帶來痛苦和風險。而DNA甲基化可以在血液、尿液、唾液等體液中檢測到,這些非侵入性的樣本獲取方式不僅方便快捷,而且更容易被患者接受,有利于大規(guī)模的篩查應用。
目前主流檢測技術(shù)
隨著技術(shù)的進步,多種檢測DNA甲基化的方法應運而生,為癌癥篩查提供了有力的工具。
1.亞硫酸氫鹽測序法
這是目前檢測DNA甲基化的金標準方法。亞硫酸氫鹽能夠?qū)⑽醇谆陌奏まD(zhuǎn)化為尿嘧啶,而甲基化的胞嘧啶則保持不變。通過對處理后的DNA進行測序,可以準確地確定每個CpG位點的甲基化狀態(tài)。然而,這種方法操作復雜、成本較高,限制了其在大規(guī)模篩查中的應用。
2.甲基化特異性PCR(MSP)
MSP是一種基于PCR的快速檢測方法,也是目前臨床臨床最常用的DNA甲基化檢測技術(shù)。根據(jù)亞硫酸氫鹽處理后的DNA序列設計針對甲基化和非甲基化狀態(tài)的特異性引物,通過PCR擴增來判斷基因的甲基化情況。MSP具有操作簡便、靈敏度高的優(yōu)點,但只能定性檢測,無法提供甲基化水平的定量信息。
3.焦磷酸測序
焦磷酸測序結(jié)合了亞硫酸氫鹽處理和實時定量檢測的優(yōu)勢,能夠?qū)μ囟▍^(qū)域的DNA甲基化水平進行定量分析。雖然儀器設備相對昂貴,但在需要精確測量甲基化程度的研究和臨床應用中具有重要價值。
4.甲基化芯片技術(shù)
如甲基化DNA免疫共沉淀芯片(MeDIP-chip)和甲基化CpG島擴增芯片(MCA),可以同時檢測大量基因的甲基化狀態(tài),實現(xiàn)高通量篩選。然而,芯片技術(shù)的分辨率相對較低,對于單個CpG位點的檢測精度有限。
5.核酸質(zhì)譜
基于基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間(MALDI?TOF)技術(shù),可同時檢測數(shù)個至數(shù)十個DNA甲基化標志物,可實現(xiàn)中通量級別的穩(wěn)定檢測,可以獲得500 bp范圍之內(nèi)全部連續(xù)的CpG位點的甲基化定量水平。然而,樣本的質(zhì)量和純度會顯著影響檢測結(jié)果的準確性,儀器昂貴,操作技術(shù)要求高。
6.液體活檢中的DNA甲基化檢測
液體活檢是近年來興起的非侵入性檢測技術(shù),通過檢測血液中的循環(huán)腫瘤DNA(ctDNA)的甲基化狀態(tài)來反映腫瘤的存在和特征。這種方法能夠?qū)崟r監(jiān)測腫瘤的動態(tài)變化,對于癌癥的早期篩查、治療監(jiān)測和復發(fā)預測具有重要意義。
總結(jié)
DNA甲基化檢測具有出色的特異性和敏感性。相比于傳統(tǒng)的篩查方法,它能更準確地識別癌癥的存在,減少誤判的可能性。
不僅如此,這種檢測方式還具有廣泛的適用性。無論是肺癌、胃癌、乳腺癌還是其他常見癌癥,都可能存在與之相關(guān)的獨特DNA甲基化特征。這意味著我們有望通過一次檢測,對多種癌癥進行篩查,為患者提供更全面的保護。
但是,我們不可否認,DNA甲基化檢測在癌癥篩查中的應用仍處于不斷發(fā)展和完善的階段。但毫無疑問,它為我們帶來了新的希望和機遇。相信在不久的將來,隨著技術(shù)的進步和研究的深入,DNA甲基化將成為癌癥篩查的常規(guī)手段,幫助更多的人遠離癌癥的威脅。
參考文獻
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