印记基因SLC22A18在乳腺癌中的表达及其遗传学和表观遗传学调控机制的研究

摘要

乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一，在世界上我国虽属女性乳腺癌的低发国，但近年来乳腺癌的发病率明显增高，严重威胁着妇女的健康，因此研究乳腺癌的发病机制，寻找新的肿瘤分子标志物对乳腺癌的诊断和治疗都是非常有必要的。
　　 肿瘤的发生、发展包含多基因表达谱的协同改变。基因的表达除决定于遗传学因素，即DNA序列所传递的信息之外，还决定于表观遗传学因素。在后基因组时代，表观遗传学在阐明肿瘤发病机制中的作用日益重要。表观遗传学改变是一种不涉及核苷酸序列变化的可遗传的基因表达方式的改变，包含DNA甲基化、基因组印记、染色质组蛋白修饰以及非编码RNA调控等方式。基因组印记是目前生物医学领域研究的热点，基因组印记(genomic imprinting)决定性状的遗传不遵循孟德尔定律，表现为亲源依赖性的单等位基因表达，在胚胎的生长、发育中起重要作用。DNA甲基化是影响表观遗传机制的主要因素之一，与基因表达抑制、基因功能缺失有关。对印记基因的分离鉴定及其作用机制的研究结果表明DNA甲基化是基因组印记发生和维持的主要机制。越来越多的研究表明印记基因异常表达或印记状态改变是某些恶性肿瘤重要的分子生物学特征，有可能成为肿瘤早期诊断的指标及治疗的新靶点。
　　 SLC22A18(solute carrier family22，member18)亦称为TSSC5/ORCTL2/IMPT1/BWR1A，是位于人染色体11p15.5的父系印记基因，cDNA全长1.5 kb，蛋白分子量43KD，编码跨膜转运体相似蛋白，影响药物敏感性、细胞代谢。SLC22A18蛋白水平的调节可能是通过泛素化-蛋白酶体途径。近年来研究表明SLC22A18印记异常和基因变异与多种肿瘤相关如Wilm'S瘤、肝母细胞瘤、肺癌、肝细胞肝癌和乳腺癌，值得关注的是国外有报道SLC22A18在乳腺癌中突变率甚低，印记获得参与了乳腺癌的发生，说明表观遗传学改变可能参与了SLC22A18表达的调控。目前国内外尚未见关于SLC22A18在乳腺癌中的表达及其调控机制的系统研究，因此本课题目的是研究印记基因SLC22A18在乳腺癌中的表达及其遗传学和表观遗传学调控机制，重点阐明5’端CpG岛异常甲基化对SLC22A18基因表达调控的影响，为寻找新的乳腺癌诊断标记物及评估肿瘤的风险，发展新的治疗靶点提供研究基础。
　　 第一部分 SLC22A18在乳腺癌组织中表达的研究
　　 目的研究印记基因SLC22A18在乳腺浸润性导管癌组织和乳腺良性病变中mRNA和蛋白水平的表达，分析SLC22A18的表达与乳腺癌临床病理特征之间的相关性，从而探讨SLC22A18基因在乳腺癌发生发展中的作用。
　　 方法应用实时荧光定量逆转录聚合酶链反应(Realtime RT-PCR)方法和免疫组织化学方法检测56例乳腺浸润性导管癌和对应癌旁乳腺组织，以及20例乳腺良性病变组织中SLC22A18 mRNA和蛋白的表达情况，并分析SLC22A18表达与乳腺癌临床病理特征之间的关系。
　　 结果 SLC22A18在56例乳腺浸润性导管癌组织中mRNA表达量低于癌旁组织(z=-4.15，P<0.01)；56例乳腺浸润性导管癌组织中SLC22A18 mRNA表达量低于20例乳腺良性病变(z=-2.76，P<0.01)。48例乳腺浸润性导管癌组织中SLC22A18 mRNA表达量低于8例早期浸润癌(z=2.19，P<0.05)。SLC22A18蛋白在20例乳腺良性病变、56例乳腺浸润性导管癌组织中表达阳性率分别为95％、60.7％，两组阳性表达率差异有统计学意义(x2=8.21，P<0.01)。SLC22A18在48例乳腺浸润性导管癌和8例早期浸润癌中蛋白阳性表达率差异无统计学意义(P>0.05)。SLC22A18 mRNA和蛋白表达与患者年龄、肿瘤大小、组织学分级、TNM分期及淋巴结转移均无相关性(P>0.05)。
　　 小结 SLC22A18表达下调可能与乳腺癌的发生有关，有可能成为一个潜在的乳腺癌诊断的分子标记物。
　　 第二部分乳腺癌中SLC22A18基因突变、杂合性缺失和印记的研究
　　 目的研究印记基因SLC22A18在乳腺浸润性导管癌组织中的突变、杂合性缺失情况及其印记状态，探讨突变、杂合性缺失和印记改变对SLC22A18基因表达的影响。
　　 方法用聚合酶链式反应-单链构象多态性分析法(PCR-SSCP)、聚合酶链反应-限制性酶切片段长度多态性分析法(PCR-RELP)及DNA测序方法分析56例乳腺浸润性导管癌及对应癌旁乳腺组织中SLC22A18的突变、杂合性缺失及印记状态，分析SLC22A18基因突变、杂合性缺失和印记改变与基因表达之间的关系。
　　 结果 PCR-SSCP电泳结果发现56例乳腺浸润性导管癌中有1例SLC22A18基因外显子9出现异常泳动条带，DNA测序结果显示第9外显子1087位胞嘧啶缺失，导致阅读框发生移码突变，1110位出现终止密码TGA；外显子7未出现异常泳动带，提示外显子7无突变发生。56例配对乳腺癌组织标本中，41％(23/56例)乳腺癌旁组织为杂合性个体，其对应癌组织有34％(19/56)为杂合性个体，因此有17.4％(4/23例)乳腺癌发生了杂合性缺失(LOH)。26.3％(5/19例)的乳腺癌组织发生了SLC22A18印记获得(GOI)，与之相对应的远癌组织中也有10.5％(2/19例)也获得了印记；8例乳腺早期浸润癌组织中有2例获得了印记。4例发生杂合性缺失的乳腺癌组织和19例杂合子乳腺癌组织中SLC22A18 mRNA表达，两组间比较差异有统计学意义(P<0.05)；19例杂合子样本中，5例印记获得和14例无印记获得样本中SLC22A18 mRNA表达，两组间相比较差异有统计学意义(P<0.05)；杂合性缺失和印记获得与SLC22A18蛋白表达之间无相关性(P>0.05)。
　　 小结乳腺癌组织中存在印记基因SLC22A18突变、杂合性缺失和印记获得，SLC22A18基因LOH和GOI与基因转录水平的表达有一定的相关性，可能参与了乳腺癌的发生，SLC22A18印记的重新获得可能是乳腺癌发生的早期表现，印记改变有可能成为乳腺癌早期诊断的指征。
　　 第三部分乳腺癌组织中SLC22A18基因启动子甲基化状态的研究
　　 目的研究乳腺浸润性导管癌组织中印记基因SLC22A18启动子区甲基化状态，探讨其对的SLC22A18 mRNA和蛋白表达的影响，及其与临床病理特征之间的关系。
　　 方法应用甲基化特异性聚合酶链反应(MSP)检测56例乳腺浸润性导管癌及对应癌旁组织中SLC22A18基因启动子区的甲基化状态。
　　 结果56例乳腺浸润性导管癌及对应癌旁组织中，SLC22A18启动子区的甲基化发生率分别为73.2％(41/56)和39.3％(22/56)，差异有统计学意义(P<0.01)；56例乳腺浸润性导管癌中SLC22A18基因启动子区甲基化率与20例乳腺良性病变中甲基化率35％(7/20例)相比，差异有统计学意义(P<0.01)；56例乳腺浸润性导管癌中甲基化组SLC22A18 mRNA表达量低于非甲基化组(0.76±0.69比2.08±1.58，P<0.01)。56例乳腺浸润性导管癌中甲基化组和非甲基化组SLC22A18蛋白阳性表达率有差别(51.2％比86.7％，P<0.05)。5例获得印记的乳腺癌组织中，SLC22A18启动子区CpG岛均呈部分甲基化状态。SLC22A18基因启动子区甲基化频率与患者年龄、肿瘤大小、淋巴结转移、组织病理学分级及临床TNM分期无相关性(P>0.05)。
　　 小结 SLC22A18基因启动子甲基化与乳腺癌发生有一定的关联，SLC22A18基因表达下调与其启动子区CpG岛异常甲基化相关，启动子甲基化与印记状态有一定关联。
　　 第四部分5-aza-2’-deoxycytidine和Trichostatin A对乳腺癌细胞SLC22A18基因的表达、启动子甲基化及细胞增殖的影响
　　 目的为了进一步研究DNA甲基化是乳腺癌中SLC22A18表达调控的主要机制，用DNA甲基转移酶抑制剂5-aza-2’-deoxycytidine(5-aza-dc)和/或组蛋白去乙酰化酶抑制剂Trichostatin A(TSA)处理乳腺癌细胞株，检测SLC22A18基因表达及其启动子区CpG岛甲基化状态的变化，同时观察药物处理对乳腺癌细胞增殖和细胞周期的影响。
　　 方法用5-aza-dc和/或TSA处理乳腺癌细胞株，5-aza-dc2.5μmol/L处理96小时，TSA100ng/ml处理12小时，或5-aza-dc84h和TSA12h联合处理。药物处理后，用WST-1法检测细胞增殖情况，流式细胞术检测细胞周期时相分布。Realtime RT-PCR和Western blot检测处理前后SLC22A18 mRNA和蛋白的表达情况，MSP检查药物处理前后SLC22A18基因启动子甲基化的状态，从而探讨SLC22A18基因启动子甲基化对其mRNA和蛋白表达的影响及5-aza-dc和TSA对细胞增殖和细胞周期的影响。
　　 结果 MDA-MB-231乳腺癌细胞中存在SLC22A18基因启动子异常甲基化；5-aza-dc、5-aza-dc/TSA能逆转MDA-MB-231细胞中SLC22A18基因启动子的甲基化状态，使SLC22A18基因mRNA和蛋白表达增加，5-aza-dc/TSA联合作用明显；5-aza-dc和/或TSA后，可抑制乳腺癌细胞增殖，细胞周期阻滞于S期。
　　 小结 SLC22A18基因表达与其启动子区CpG岛的异常甲基化呈负相关，DNA异常甲基化是SLC22A18基因表达下调的主要调控机制；5-aza-dc和TSA联合诱导可使去甲基化作用加强，恢复基因表达，还可抑制乳腺癌细胞增殖，影响细胞周期。
　　 第五部分染色质免疫沉淀技术研究DNMT3b和HDAC1与SLC22A18基因启动子区DNA相结合的情况
　　 目的应用染色质免疫沉淀(ChIP)技术分析DNA甲基转移酶DNMT3b和组蛋白去乙酰化酶HDAC1与SLC22A18基因启动子区DNA相结合的情况。
　　 方法5-aza-dc和/或TSA作用于乳腺癌细胞株MDA-MB-231后，用甲醛溶液交联固定蛋白-DNA复合体，利用DNMT3b和HDAC1抗体通过染色质免疫沉淀技术处理该复合体，纯化回收ChIP产物，并经PCR扩增出SLC22A18启动子区DNA片段，进而分析SLC22A18启动子区域与特异性蛋白DNMT3b和HDAC1相结合的情况。
　　 结果 ChIP结果显示DNMT3和HDAC1与MDA-MB-231细胞中SLC22A18启动子DNA相结合，5-aza-dc/TSA和5-aza-dc可以明显抑制DNMT3b与SLC22A18启动子的结合，而TSA不抑制DNMT3b的活性。5-aza-dc/TSA和TSA可以抑制HDAC1与SLC22A18启动子的结合，而5-aza-dc不抑制HDAC1的活性。5-aza-dc和/或TSA不影响DNMT3b和HDAC1蛋白的表达。
　　 小结 DNMT3b和HDAC1与SLC22A18启动子DNA相结合，参与形成抑制复合体，修饰组蛋白，改变染色体结构，阻止转录因子与其特异性识别位点结合，从而抑制SLC22A18转录和表达。
　　 第六部分 SLC22A18基因对乳腺癌细胞增殖影响的初步研究
　　 目的通过细胞转基因技术，瞬时过表达SLC22A18，观察SLC22A18过表达对乳腺癌细胞MDA-MB-231生长和细胞周期时相的影响。
　　 方法构建pIRES2-EGFP-SLC22A18真核表达质粒；采用脂质体介导法，将SLC22A18基因瞬时转染体外培养的MDA-MB-231细胞，用Realtime RT-PCR、Western blot法鉴定基因表达情况，WST-1法检测细胞生长情况，流式细胞术观察细胞周期时相。
　　 结果成功构建pIRES2-EGFP-SLC22A18真核表达质粒，瞬时转染MDA-MB-231细胞后，SLC22A18蛋白表达增强，细胞增殖能力有所下降，与pIRES2-EGFP空载体细胞相比，pIRES2-EGFP-SLC22A18细胞S期比率下降。
　　 小结 SLC22A18基因瞬时过表达可抑制乳腺癌细胞MDA-MB-231生长，细胞周期发生改变。
　　 结论
　　 本课题系统研究了印记基因SLC22A18在乳腺癌中的表达及其遗传学和表观遗传学调控机制。SLC22A18在乳腺癌中表达下调；SLC22A18在乳腺癌中突变率甚低；SLC22A18基因杂合性缺失和印记获得与其mRNA水平表达下降相关；启动子异常甲基化是SLC22A18在乳腺癌中低表达的重要调控机制；DNMT3b和HDAC1与SLC22A18启动子区DNA相结合，参与形成抑制复合体，影响SLC22A18的转录和表达；印记基因SLC22A18有可能成为一个潜在的乳腺癌诊断的分子标记物。
　　 创新点
　　 1.目前国内外尚未见关于SLC221A8在乳腺癌中的表达及其调控机制的系统研究，本课题较为全面、系统的研究了SLC22A18在乳腺癌中的表达及其遗传学和表观遗传学调控机制，证实印记基因SLC22A18在乳腺癌中表达下调，启动子异常甲基化是SLC22A18在乳腺癌中表达下调的主要调控机制。
　　 2.分析了SLC22A18在乳腺癌中低表达与印记状态改变相关，证实SLC22A18印记的重新获得可能是乳腺癌发生的早期表现，印记改变有可能成为乳腺癌早期诊断的指征。
　　 3.印记基因SLC22A18启动子异常甲基化和印记改变有可能成为一个潜在的乳腺癌诊断标记物。
　　 4.建立和应用染色质免疫沉淀技术，从转录水平分析了DNMT3b和HDAC1与SLC22A18启动子相结合后，导致染色质结构变化，抑制SLC22A18转录和表达。