《Maternal-Fetal Medicine》：Recent advances in DNA methylation in tumorigenesis and diagnosis
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本综述系统总结了DNA甲基化（DNA methylation）在多种高发肿瘤（如肺癌、结直肠癌、胃癌、肝细胞癌、乳腺癌）中的异常模式与作用机制，阐述了其如何通过启动子高甲基化（promoter hypermethylation）沉默抑癌基因（如CDKN2A、RASSF1A、E-cadherin），或通过全基因组低甲基化（genome-wide hypomethylation）诱导基因组不稳定性，从而驱动肿瘤发生。同时，文章归纳了当前DNA甲基化检测技术（如亚硫酸氢盐测序、基于CRISPR的生物传感器、第三代测序）的进展，并探讨了基于DNA甲基化的治疗策略（如去甲基化药物5-Aza-dC/5-Aza-C）及其与纳米递送系统结合的潜力，最终指出了该领域在临床转化中面临的挑战与未来发展方向。
DNA甲基化是表观遗传（epigenetics）修饰的关键形式之一，是指在CpG二核苷酸序列的胞嘧啶残基5‘-碳上添加一个甲基基团。这个过程不改变基因组序列，却能动态调节生命活动，在胚胎发育、基因组印记和X染色体失活中起关键作用。DNA甲基化过程由DNA甲基转移酶（DNMTs，包括DNMT1、DNMT3a、DNMT3B）催化，利用S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作为甲基供体。在肿瘤中，DNA甲基化的异常已成为一个普遍且关键的特征。
DNA甲基化在癌症中的作用
肿瘤中DNA甲基化的改变主要有三种途径：癌症基因组广泛的低甲基化、抑癌基因启动子区域的局部高甲基化，以及含5-甲基胞嘧啶（5mC）的序列通过脱氨基等过程直接发生突变。这些改变常常同时发生，触发癌症，表明表观遗传稳态的改变是癌症演进的核心。
启动子区域的高甲基化可见于几乎所有类型的人类癌症。这些高甲基化现象抑制了重要抑癌基因的转录，包括细胞周期调节因子、DNA修复蛋白和抗凋亡因子。例如，在人类结直肠癌发生早期，正常组织和息肉中的靶位点均存在甲基化修饰。另一方面，DNA低甲基化会主动导致染色体脆性增加，并促进重复序列、转座因子和癌基因的转录激活。
DNA甲基化促进恶性肿瘤表型
在许多高发恶性肿瘤中，DNA甲基化扮演了至关重要的角色。
肺癌
肺癌是最常见的癌症，死亡率高。研究发现，SHOX2和RASSF1A等基因的甲基化与肺癌密切相关。SHOX2基因甲基化在区分正常组织与肺癌时显示出高特异性与敏感性。而RASSF1A基因甲基化则与非小细胞肺癌（NSCLC）紧密相关。此外，EPHB6和TMEM88基因的甲基化水平与肺癌转移风险和患者不良预后相关。
结直肠癌
结直肠癌（CRC）是全球第三大常见恶性肿瘤。除DNA序列的累积改变外，表观遗传调节系统的功能障碍也导致结直肠上皮细胞的异常癌变。CDKN2A基因在低分化、淋巴结转移和晚期结直肠癌中更频繁地被甲基化。APC和ESR1启动子的甲基化可能显著影响结肠癌的转移潜能。此外，HACE1和干扰素调节因子8（IRF8）的甲基化与肿瘤转移表型的获得相关。
胃癌
胃癌是全球最常见的恶性肿瘤之一。幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）感染是其主要病因风险因素，其诱导的慢性炎症可能导致异常DNA甲基化。多种抑癌基因和肿瘤相关基因，包括APC、CDH1（E-cadherin）、CHFR、DAPK、GSTP1、p16和RUNX3，都因高甲基化而在胃癌中沉默。异常甲基化的积累通过激活共同的癌症通路（如Wnt信号通路）促进癌变。
肝细胞癌
肝细胞癌（HCC）是肝脏的原发性恶性肿瘤。E-cadherin基因的高甲基化在HCC病例中常见，并与多药耐药相关。Wnt/β-连环蛋白（Wnt/β-catenin）信号通路也参与HCC发展，编码Wnt调节因子（如SRY盒1[SOX1]和SRY盒17[SOX17]）的区域高甲基化导致该通路异常激活。此外，SFRP1、GSTP和SOCS1等抑癌基因的异常高甲基化在HCC中被广泛报道。
乳腺癌
乳腺癌的进展是一个多阶段致癌过程的结果。在乳腺癌的甲基化基因中，存在大量抑癌基因，如p16，其甲基化可沉默该基因并阻断细胞生长调节信号。损伤反应基因（如BRCA1、hMLH1和hMSH2）以及类固醇受体基因家族成员（如雌激素受体和RARβ2受体）的甲基化也有报道。此外，E-cadherin、TIMP3、APC、DAPK1、GSTP1、PTEN、DCR1和DCR2等基因的异常甲基化与乳腺癌细胞的发生发展密切相关。
其他机制
异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）突变可导致类似胶质母细胞瘤中的CpG岛甲基化表型（G-CIMP），引起全基因组高甲基化。非编码RNA（ncRNAs）的失调，如miR-29家族，可通过与DNMT3B相互作用影响肿瘤进展。此外，病毒感染（如乙型肝炎病毒、人乳头瘤病毒）也能诱导人类基因组中的异常DNA甲基化，从而导致癌症发生。
目前与DNA甲基化相关的肿瘤治疗策略
DNA甲基化相关诊断
由于异常DNA甲基化通常发生在癌症早期，它已被认为是癌症诊断和预后监测最有希望的生物标志物。主要的检测方法包括：
亚硫酸氢盐测序（Bisulfite sequencing）：被视为检测DNA甲基化的金标准，通过将未甲基化胞嘧啶转化为尿嘧啶进行区分，具有高灵敏度和分辨率。
基于甲基化敏感限制性内切酶（MSREs）的方法：利用某些内切酶能切割未甲基化DNA序列但不能切割甲基化DNA的特性，操作相对简单。
基于CRISPR/Cas系统的方法：利用CRISPR/Cas9、Cas12或Cas13系统识别特定甲基化序列，具有高灵敏度、特异性和操作简便的优点。
第三代测序：如单分子实时（SMRT）测序和纳米孔测序，能够提供长读长、高通量和实时检测，直接识别甲基化状态，无需繁琐的化学修饰步骤。
然而，主流方法常面临步骤繁琐、依赖精密仪器、成本高等问题。纳米技术为传统肿瘤诊断开辟了新途径，多种基于物理化学策略的DNA甲基化检测方法被开发出来，但快速、高灵敏且适合临床的传感技术仍是未来发展的关键。
DNA甲基化相关治疗
目前治疗肿瘤的主要DNA甲基化药物是去甲基化剂，包括5-氮杂-2‘-脱氧胞苷（5-Aza-dC，地西他滨）和5-氮杂胞苷（5-Aza-C，阿扎胞苷）。它们通过竞争性结合DNA序列抑制DNMTs活性，逆转癌细胞中的异常DNA甲基化，从而重新激活沉默的抑癌基因并诱导肿瘤细胞凋亡。这些药物已被批准用于治疗急性髓系白血病和骨髓增生异常综合征（MDS）等血液肿瘤，但在实体瘤中应用有限，面临特异性、持久性及副作用等挑战。
纳米医学与药物递送系统的结合是提高DNA甲基化药物疗效的有前景的方向。纳米递送载体（如脂质纳米粒、聚合物纳米粒PLGA）可以增强药物的稳定性、靶向性和生物利用度，实现药物的可控释放，最大限度地减少对正常组织的毒性。通过表面修饰，可以实现对肿瘤细胞的特异性识别和药物释放。
DNA甲基化治疗的相关问题
当前表观遗传治疗面临的最关键问题是特异性，其效果体现在全基因组水平而非靶点特异性水平，可能导致在靶向抑癌基因的同时过度激活癌基因，引发基因组不稳定。DNA甲基转移酶抑制剂（DNMTis）依赖于DNA的参与，因此在分裂活跃的细胞中更有效，但对分裂相对缓慢的实体瘤效果不佳。药物的不稳定性也导致其难以有效递送至实体瘤。迄今为止，表观遗传药物的疗效主要应用于血液癌症。此外，药物在治疗过程中存在的内在缺陷（如摄取和代谢问题）、较差的药代动力学特性、给药困难以及治疗效果的暂时性都是限制因素。长期或持续治疗DNMTis会产生副作用。表观遗传机制还会导致肿瘤间和肿瘤内异质性，从而影响当前疗法的效果。
结论与展望
癌症是由正常细胞的表观遗传紊乱引起的疾病，其日益增长的发病率威胁着人类的生存与发展。早期筛查是防止肿瘤疾病恶化的途径之一，随着检测技术的进步，DNA甲基化诊断在这方面的重要性日益凸显。从亚硫酸氢盐测序到第三代测序技术的发展，以及不同学科领域检测技术的微调，都在一定程度上提高了分析的精度和效率。然而，复杂的操作要求和高成本是当前常用检测技术不可避免的问题。未来，简化操作步骤和降低检测成本对于推广DNA甲基化检测具有积极意义。
在肿瘤治疗领域，DNA甲基化相关药物目前仅用于血液相关肿瘤，在实体瘤中的应用则有更大的局限性。将纳米递送载体与DNA甲基化药物相结合，是解决DNA甲基化药物靶向性和副作用问题的有效途径。在表观遗传药物的实际应用中，对其机制的理论研究尤为重要。目前，尽管在临床实践中存在少量基于DNA甲基化的机制研究，但大多以现象关联的形式存在，尤其是在诊断过程中。对DNA甲基化作用机制的深入探索，是从现象到分子生物学机制鉴定的必经之路，这不仅是解决肿瘤诊断和治疗瓶颈的关键因素，也是探索人体干细胞进化的必然过程。
