Đặc điểm methyl hoá và sự biểu lộ của một số gen ức chế ung thư trong ung thư vòm mũi họng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y HÀ NỘI NGUYỄN THỊ HỒNG GẤM DI TRUYỀN NGOÀI GEN TRONG UNG THƯ CHUYÊN ĐỀ TIẾN SĨ HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y HÀ NỘI NGUYỄN THỊ HỒNG GẤM DI TRUYỀN NGOÀI GEN TRONG UNG THƯ Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Đô Cho đề tài: “Đặc điểm methyl hoá biểu lộ số gen ức chế ung thư ung thư vòm mũi họng” Chuyên ngành : Dị ứng Miễn dịch Mã số : 62720109 CHUYÊN ĐỀ TIẾN SĨ HÀ NỘI - 2018 CHỮ VIẾT TẮT DNA : Axit Deoxyribonucleic RNA : Axit Ribonucleic CGI : Cistosin guanine islDNA CpG : Cistosin photphodieste guanin DNMT :DNA methyltransferase EZH2 : Enhancer of zeste homolog FHIT : Fragile Histidine Triad HATs : Histone acetyl transferases HDAC : Histone deacetylarases HDMTs : Histone demethyl transferase HMTs : Histone methyl transferase MBD : Methyl C pG binding domain MECP2 : Methyl cystosin protein MSP : (Methylation-Specific PCR) ncRNA : noncodon RNA RASSF1A : Ras association domain family 1A TRD : Transcriptional Repression Domain TSG : Tumor suppressor gene MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ 1 Khái niệm di truyền gen 2 Sơ lược lịch sử nghiên cứu di truyền gen Cơ chế di truyền gen 3.1 Cơ chế di truyền gen 3.2.1 Methyl hóa DNA 3.2 Sửa đổi histion 11 3.3 Vai trò RNA khơng mã hóa .15 Những thay đổi di truyền gen ung thư 16 4.1 Thay đổi DNA methyl hóa ung thư .17 4.2 Sửa đổi histone ung thư .19 4.3 Vai trò miRNA ung thư 20 4.2 Thay đổi di truyền gen liên quan telomere 22 Phát methyl hóa ứng dụng 24 KẾT LUẬN 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH Hình Methyl hóa Hình 2: Sự methyl hóa DNA enzyme DNAmethyltransferase Hình 3: Quá trình khử CH3 .6 Hình Methyl hóa DNA sử đổi hoston .8 Hình Vai trò MBD Hình 6: Vai trò DNMT gây ức chế phiên mã liên quan đến nhóm gen gây bệnh Hunttington 11 Hình Cấu trúc nhiễm sắc thể 11 Hình 8: Sửa đổi histone gây đóng nhiễm sắc thể (a), Nhiễm sắc thể tháo xoắn bình thường (b) 12 Hình Sửa đổi histone 14 Hình 10 Vai trò phức hợp HLC sửa đổi histone .15 Hình 11 ncRNA gây thay đổi di truyền gen 16 Hình 12 Vai trò di truyền ngồi gen 16 Hình 13 Đoạn gen TSG xảy tượng methyl 17 Hình 14 Vai trò Rassf1a .18 Hình 15 Methyl hóa DNA gen ức chế ung thư 19 Hình 16 Methyl hóa DNA gây ức chế phiên mã 19 Hình 17 Vai trò mi RNA 22 Hình 18 Vai trò telomere 22 ĐẶT VẤN ĐỀ Thành tựu to lớn di truyền học việc khám phá cấu trúc DNA giải mã gen người, lý giải khác kiểu hình bệnh tật người phụ thuộc vào trật tự gen DNA cấu trúc với hoạt động di truyền DNA lập trình ổn định Cơ thể người tạo nên từ 250 loại tế bào biệt hóa khác nhau, chúng chứa lượng base DNA theo thứ tự xác Tuy nhiên loại tế bào thực chức khác chế điều hòa chức biểu gen khơng phụ thuộc vào cấu trúc DNA với tác động từ mơi trường hình thành chế điều hòa di truyền ngồi gen Trong mối tương tác với mơi trường làm thay đổi mặt hóa học DNA khơng thay đổi trình tự tác động tới hoạt động phiên mã, từ kiểm sốt biểu gen [1] Các chứng gần cho thấy ảnh hưởng phân tử môi trường hút thuốc lá, stress, chế độ ăn …có thể vượt tương tác với trình tự DNA gây biến đổi hóa học gen, nhiễm sắc thể, im lặng gen , vai trò RNA khơng mã hóa gọi biến đổi di truyền ngồi gen hay di truyền gen [2] Epigentics chủ yếu gồm: methyl hóa DNA thay đổi histone, cung cấp tiềm hữu ích thị sinh học chẩn đoán tiên lượng mục tiêu trị liệu chống ung thư [4] Để xây dựng sở lý thuyết biến đổi di truyền gen chuyên đề tập chung đề cập nội dung sau: - Đại cương di truyền gen - Cơ chế di truyền gen chế bệnh sinh ung thư - Những thay đổi di truyền gen ung thư NỘI DUNG Khái niệm di truyền gen Di truyền gen (di truyền gen) lĩnh vực nghiên cứu thay đổi hóa học chuỗi DNA mà không thay đổi trật tự base chuỗi DNA liên quan đến biểu gen chế điều hòa biểu gen Những biến đổi di truyền qua phân bào [2-6] Những biến đổi di truyền gen đa dạng chia thành loại sau: Sự methyl hóa DNA (DNA methylation), sửa đổi sau dịch mã protein histone (post-translational modification of histone proteins) vai trò RNA khơng mã hóa (ncRNA) [7] Vai trò di truyền ngồi gen nhằm quy định biểu gen việc kiểm soát đóng mở gen định giúp thể tăng trưởng phát triển bình thường trì nhiễm sắc thể trạng thái bình thường Chính thế, thay đổi dẫn đến bất ổn nhiễm sắc thể bất ổn điều khiển trình phiên mã gen ức chế khối u dẫn đến biểu bất thường gen mà ta thấy nhiều bệnh unh thư người [8] Sơ lược lịch sử nghiên cứu di truyền gen - Từ kỷ 18 nhà khoa học, nhà tự nhiên học, nhà di truyền học tranh luận liệu có hay khơng đặc tính di truyền, biểu hình thái, đặc điểm di truyền chọn lọc tự nhiên Vào kỷ 19 nhà tế bào học cấu trúc tế bào thuộc tính di truyền có liên quan đến nhiễm sắc thể nhân tế bào - Đến năm 1940 Morgan cung cấp chứng nhiễm sắc thể chứa DNA vật liệu di truyền Đặc biệt đến năm 1953 Watson Crick chứng minh chuỗi xoắn kép DNA sở phân tử di truyền Đến năm 1966 công nhận trạng thái nhiễm sắc thể hướng dẫn hoạt động gen Trong năm 1960 - 1975 khẳng định thơng tin di truyền mã hóa trình tự nucleotid DNA mã RNA để tổng hợp protein biểu [3-8-9] - Sự phát triển nghiên cứu mở rộng di truyền sinh học kỷ 20 đề cập đến lĩnh vực di truyền gen.Thuật ngữ “ di truyền gen” đặt năm 1942 Waddington, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp với mô tả ban đầu ảnh hưởng trình với phát triển từ đến nghiên cứu tập trung vào chế, vai trò, ảnh hưởng di truyền gen với bệnh tật [10-11] - Năm 1966 methyl hóa DNA nghiên cứu thực Griffith Mahler methyl hóa DNA có vai trò quan với im lặng biểu số gen Ngoài di truyền gen bao gồm sửa đổi histone, cấu trúc lại nhiễm sắc thể, điều hòa gen nocodonRNA, từ tiếp tục xem xét mối liên quan trình với rối loạn bệnh như: Ung thư, chậm phát triển trí tuệ, miễn dịch, rối loạn tâm thần số rối loạn trẻ em [12] - Năm 1975 nhà khoa học công bố chứng việc bổ sung số hóa chất định có nhóm methyl vào DNA làm bất hoạt gen tế bào Ngược lại việc sử dụng số hóa chất loại bỏ nhóm methyl làm cho gen biểu trở lại Điều gợi ý hồn tồn sửa đổi tình trạng methyl hóa gen [13] Cơ chế di truyền ngồi gen Những biến đổi di truyền gen đa dạng bao gồm trình nghiên cứu là: methyl hóa DNA, sửa chữa histone nucleosom Methyl hóa xảy mức độ DNA yếu tố lại diễn mức độ protein [14] Ngồi hai q trình di truyền ngồi gen bao gồm vai trò RNA khơng mã hóa (ncRNA) thay đổi vùng lặp telome Nhiều nghiên cứu tập trung vào methyl hóa DNA bao gồm chất methyl hóa DNA, hình thành, phân bố methyl hóa dọc theo gen, đóng góp khía cạnh quan trọng hiểu biết rối loạn bệnh tật [15] 3.1 Cơ chế di truyền ngồi gen c Hình Methyl hóa 3.2.1 Methyl hóa DNA - Methyl hóa DNA q trình thay đổi mặt hóa học hình thành gốc CH3 liên kết đồng hóa trị với vị trí cacbon số cytosin nằm vị trí hai nucleotid: cytosine guanin viết tắt CpG (p liên kết phosphodieste) Khi CpG tập hợp nhiều khoảng 200bp ví trí gen có GC chiếm 50% người ta gọi đảo CpG [16] Methyl hóa cytosin chiếm khoảng 1% tổng số nucleotid khoảng 75% tất CpG gen người Hai nucleotid CpG phân bố khơng đồng tồn bộ gen người, tập trung mật độ cao vùng gọi đảo CpG (CGI) Khoảng 50-60% promoter gen giàu CpG, ước tính hệ gen người chứa khoảng 29.000 chuỗi CpG [17] Đảo CpG thường có mặt vùng promoter gen chưa bị methyl hóa cho phép trình phiên mã diễn bình thường, vùng CpG promoter bị methyl hóa ức chế hoạt động promoter 3.2.2 Điều hòa methyl hóa DNA - Cơ chế gắn gốc CH3 vào DNA q trình phân bào nhờ enzyme methyltransferase (DNMT) Có loại DNMT xác định động vật có vú enzyme chuyển nhóm CH3 từ S-adenosyl methionin sang DNA Khi bị methyl hóa vùng promoter dẫn đến hai chế điều hòa biểu lộ gen: Một là, ức chế yếu tố điều hòa biểu lộ gen gắn vào vùng khởi động chế minh họa (Hình 1.3A 1.3B) Hai là, có protein gắn đặc hiệu với CpG bị methyl hóa dẫn đến chế làm acetyl histone làm cấu trúc sợi chromatin co lại, cuối dẫn đến yếu tố phiên mã khơng gắn vào vùng DNA (Hình 2) Hình 2: Sự methyl hóa DNA enzyme DNAmethyltransferase (DNMTs) DNMT1, DNMT3A DNMT3B[18] 19 Hình 15 Methyl hóa DNA gen ức chế ung thư[64] Hình 16 Methyl hóa DNA gây ức chế phiên mã [64] Trong bệnh ung thư, tượng methyl hóa mức thường gắn với gen sinh ung thư c-Myc protein tổng hợp từ Myc có chức tham giam kiểm sốt chu kỳ tế bào q trình apptosis Myc báo cáo biểu mức khối u vòm mũi họng có liên quan đến methyl hóa, bất thường gây biến đổi tăng trưởng tế bào ức chế tế bào chết theo chương trình trở thành tế bào ung thư Khi bị methyl hóa Myc hoạt động gen ung thư [65] [66] 4.2 Sửa đổi histone ung thư Những sửa đổi histone xảy sau phiên mã bao gồm methyl hóa, phosphoryl hóa, acetyl hóa có vai trò điều hòa gen thơng qua việc hình thành 20 cấu trúc nhiễm sắc thể dạng đóng thơng qua phức hợp protein tham gia phiên mã làm im lặng gen ức chế ung thư, kích hoạt gen ung thư [6] Methyl hóa histone số với xúc tác HMT bổ xung nhóm CH3 lysine số số 27 tác động tới trình phiên mã: H3K4me3 điều chỉnh hoạt động phiên mã; H3K27 ức chế phiên mã [64] Methyl hóa H3K4, H3K36 H3K79 có tác dụng kích hoạt phiên mã gen, methyl hóa H3K9,H3K27 H4K20 thường liên quan đến im lặng gen ức chế phiên mã gen ung thư vòm mũi họng [67] Gen Enhancer of zeste homolog (EZH2) histone methyl transferase có tác dụng methyl hóa H3K27 H3K27me3 phát có mặt tới 60,8% [68] Mặt khác EZH2 ức chế E- cadherin yếu tố liên kết tế bào thông qua tạo phức hợp với histone deacetylases (HDACs) EZH2 quan sát tăng biểu mô ung thư vòm mũi họng góp phần vào di tế bào ung thư [69] HDACs tham gia vào việc trì chu kỳ tiềm ẩn EBV đó, chất ức chế HDAC (HDACi) chất kích thích EBV hoạt hóa mạnh, điều quan trọng cho biểu protein ly giải, qua cung cấp mục tiêu cho điều trị Gần HDACi FDA chấp thuận sử dụng để điều trị u lympho tế bào T, số khác thử nghiệm lâm sàng [70] 4.3 Vai trò miRNA ung thư Các RNA nhỏ ( miRNA) RNA khơng mã hóa có chức điều hòa biểu gen, thay đổi biểu miRNA có liên quan đến ung thư thông qua điều khiển khuếch đại ức chế gen, kiểm soát phiên mã, tham gia sửa đổi histone, tác động vào q trình chết theo chương trình, kích 21 thích tăng sinh mạch máu, kích hoạt tế bào di miRNA hoạt động gen ức chế ung thư gen ung thư [71] Sự rối loạn biểu miRNA ung thư chia thành hai nhóm chính: biểu dư miRNA (up-regulated miRNA) biểu thiếu miRNA (down-regulated miRNA) Nếu miRNA biểu dư ức chế trình tổng hợp nhiều protein ức chế khối u (tumor suppressor protein), miRNA gây ung thư (oncogenic miR, oncomiR) Ngược lại, miRNA biểu thiếu ức chế tổng hợp hay nhiều protein gây ung thư (oncogenic proteins), miRNA ức chế khối u (tumor suppressor miRNA [72] Sự biểu bất thường miRNA tế bào ung thư khuếch đại xóa vùng gen tương ứng nhiễm sắc thể Trong ung thư phổi vùng 5q33 chứa mi-143 mi-145 thường bị xóa dẫn đến giảm biểu miRNA [55] Hơn nữa, thay đổi di truyền gen enzyme quy định DNMT, HATs HMTs kiểm sốt miRNA [72] miRNAs ung thư phổi tế bào nhỏ kết làm tăng lên biểu DNMT3A 3B gây tăng cường methyl hóa gen cụ thể gây im lặng gen ức chế khối u FHIT WWOX [73] Việc phát miRNA tuần hoàn ổn định huyết tương bệnh nhân ung thư vòm mũi họng gợi ý vai trò dấu ấn sinh học chẩn đoán ung thư Liu cộng báo cáo khả trở thành dấu ấn chẩn đốn sớm ung thư vòm mũi họng với p