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这篇综述聚焦癌症领域，深入探讨基因相关 DNA 甲基化在癌症诊断、预后和治疗方面的作用。阐述了 DNA 甲基化在生理和肿瘤发生中的功能，介绍相关检测技术及生物信息学方法，还探讨其作为生物标志物和治疗靶点的应用，为癌症研究提供新思路。
DNA 甲基化在生理和肿瘤发生中的功能
在生命的微观世界里，DNA 甲基化扮演着极为重要的角色。它是一种关键的表观遗传机制，在正常生理条件下，对胚胎发育、基因组印记以及 X 染色体失活（XCI）等过程至关重要 。在胚胎发育过程中，DNA 甲基化能调控印记基因的表达，确保亲代等位基因特异性表达，这些印记基因如同精密的时钟，按照特定的节奏调控着胚胎的成长。而在 XCI 中，DNA 甲基化就像一把锁，一旦 X 染色体被选择失活，它便在该染色体上广泛发生，尤其是在基因启动子区域的 CpG 岛，将基因牢牢锁住，保证其长期沉默 。此外，它还能抑制转座元件的激活，维持基因组的稳定性，如同卫士守护着基因组的秩序。
然而，在肿瘤的世界里，DNA 甲基化却常常 “叛变”。异常的 DNA 甲基化是肿瘤发生和发展的重要标志，它能导致抑癌基因沉默和癌基因激活。当抑癌基因的启动子区域被甲基化修饰，就像给基因的 “开关” 加上了一把锁，使得抑癌基因无法正常表达，无法发挥抑制肿瘤的作用；而癌基因启动子的低甲基化，则如同打开了癌基因的 “开关”，促进癌细胞的增殖、存活和转移 。同时，DNA 甲基化失调还会影响肿瘤微环境的重塑、代谢适应、耐药性、免疫反应以及癌症相关炎症，为肿瘤的生长和扩散提供了有利条件。
DNA 甲基化的过程就像一场复杂的化学 “舞蹈”。它是将甲基基团（-CH3）通过酶促反应转移到 DNA 序列上，这个过程由两类酶家族主导，分别是 “写入者” 和 “擦除者” 。DNA 甲基转移酶（DNMTs）是主要的 “写入者”，负责催化 DNA 甲基化，其中 DNMT3 家族在胚胎发育过程中的从头甲基化中起关键作用，而 DNMT1 则主要维持 DNA 复制过程中的甲基化状态 。Ten-eleven 易位（TET）双加氧酶则是 “擦除者”，能催化 DNA 去甲基化 。此外，除了常见的 C5 - 胞嘧啶甲基化，在 N4 - 胞嘧啶、N7 - 鸟嘌呤和 N6 - 腺嘌呤上也会发生甲基化，这些甲基化修饰在不同的生物过程中发挥着独特的作用，不过在肿瘤发生中，C5 - 胞嘧啶甲基化最为关键。
CpG 二核苷酸常常聚集在一起，形成短的分散 DNA 序列，也就是 CpG 岛 。这些 CpG 岛在基因组中的分布并不均匀，在基因丰富的区域更为密集，且通常位于基因启动子区域的转录起始位点（TSS）附近 。异常的 DNA 甲基化发生在 CpG 岛时，会对基因表达产生重大影响。启动子区域的甲基化会抑制转录因子与 DNA 结合，从而沉默抑癌基因；而低甲基化则可能激活癌基因，还会导致转座元件的激活，增加基因组的不稳定性，进一步推动肿瘤的发展 。相比启动子 DNA 甲基化，基因内 DNA 甲基化的功能虽然尚未完全明晰，但近年来的研究发现，它也积极参与转录调控过程，影响基因的可变剪接、增强子活性以及 DNA 复制时间，在细胞分化和发育过程中确保基因表达的稳定性和动态性 。
DNA 甲基化分析技术
为了深入了解 DNA 甲基化的奥秘，科学家们开发了多种分析技术。早期的直接测量方法，如高效液相色谱（HPLC）、高效毛细管电泳（HPCE）以及液相色谱 - 串联质谱（LC - MS/MS），能够直接检测 DNA 甲基化水平，但这些方法需要大量的 DNA 样本，并且操作复杂，不适合高通量检测 。间接检测方法，如发光甲基化测定（LUMA）和酶联免疫吸附测定（ELISA），虽然操作相对简便，但同样存在只能进行全局测量、无法满足高通量需求的问题 。
随着技术的不断进步，亚硫酸氢盐转化法成为目前分析 DNA 甲基化状态的金标准预处理方法 。它能将未甲基化的胞嘧啶转化为尿嘧啶，而 5 - 甲基胞嘧啶（5mC）则不受影响，通过后续的甲基敏感 PCR 或 DNA 测序，就能区分未甲基化和甲基化的胞嘧啶 。然而，亚硫酸氢盐转化会导致基因组 DNA 大量碎片化，影响 DNA 的回收和下游分析 。甲基敏感限制性内切酶（MSRE）测定法是另一种选择，它利用甲基敏感限制性内切酶识别并切割未甲基化的 DNA，只有甲基化的 DNA 才能产生扩增信号 。但该方法对低浓度 DNA 样本不太友好，因为下游分析需要大量的 MSRE 消化混合物，会降低扩增效率 。
近年来，为了克服传统方法的局限性，许多新的技术应运而生。将亚硫酸氢盐转化或 MSRE 消化预处理与滴液数字 PCR（ddPCR）扩增相结合的方法，提高了对低浓度 DNA 样本的检测灵敏度和准确性 。同时，新一代测序技术（如下一代测序和焦磷酸测序）和微阵列技术（如 Illumina 的 Infinium HumanMethylation450k Bead Chip 阵列和 Infinium Human MethylationEPIC 阵列）的出现，更是让 DNA 甲基化分析达到了单核苷酸分辨率，能够覆盖大量的 CpG 位点，为大规模数据生成和全面的甲基组分析提供了有力支持 。不过，这些技术由于成本高昂和数据分析需要大量计算资源，在临床应用上还受到一定限制 。此外，基于甲基胞嘧啶的 DNA 免疫沉淀（MeDIP）和甲基结合结构域捕获测序（MBDCap - Seq），以及纳米孔测序等技术，也在 DNA 甲基化分析中发挥着独特的作用，各自具有优缺点 。
生物信息学在 DNA 甲基化分析中的应用
随着高通量技术的发展，DNA 甲基化数据呈爆炸式增长，生物信息学在分析这些数据中发挥着不可或缺的作用。DNA 甲基化的改变不仅发生在单个胞嘧啶上，还会在多个基因内和基因间位点出现，形成差异甲基化区域（DMRs） 。全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）、简化代表性亚硫酸氢盐测序（RRBS）以及基于微阵列的方法（如 Illumina Infinium MethylationEPIC BeadChip）等，能够在全基因组范围内识别 DMRs，但这些数据的分析需要大量的生物信息学资源和专业知识 。
为了更好地处理和分析这些数据，许多计算工具应运而生。BSXplorer 是一款用 Python 实现的生物信息学工具，它能帮助研究人员直观地探索 DNA 甲基化模式，识别 DMRs 。基于 R 语言的 PCBS 管道则是分析 WGBS 数据、检测差异甲基化位点（DMLs）和 DMRs 的高效工具 。DeepMod2 是一个深度学习框架，专门用于分析牛津纳米孔测序数据，能快速准确地处理不同类型的测序数据 。此外，还有许多基于阵列数据识别 DMRs 的工具，如 methylR 和 MethylCallR 等，它们不仅能进行多维分析和通路富集分析，还能进行表观基因组关联研究 。然而，这些工具也面临着一些挑战，比如许多工具需要编程技能，对没有生物信息学专业知识的研究人员来说门槛较高；同时，低质量的输入数据可能会导致批次效应、假阳性结果和不准确的 DMRs 识别 。
DNA 甲基化作为癌症诊断和预后的生物标志物
癌症严重威胁着人类的健康，准确的诊断和预后对于癌症治疗至关重要。传统的热点突变分析在癌症诊断和预后评估中存在一定的局限性，而 DNA 甲基化作为癌症的典型表观遗传标志，不受肿瘤异质性的影响，近年来受到了广泛关注 。许多研究表明，检测组织和液体活检中的 DNA 甲基化热点，不仅可以用于早期癌症筛查，还能提供预后信息，预测患者对治疗的反应 。不过，目前 DNA 甲基化在临床应用中仍面临一些问题，如成本较高、技术上在灵敏度、可重复性、定量和标准化方面存在挑战等，需要进一步研究加以解决 。
在肺癌方面，目前肺癌的诊断主要依靠低剂量计算机断层扫描（LDCT），但该方法存在假阳性、过度诊断和成本高等问题 。多项研究探索了 DNA 甲基化作为肺癌诊断和预后生物标志物的潜力，如 SHOX 同源盒 2（SHOX2）、半胱氨酸双加氧酶 1（CDO1）等基因的异常甲基化与肺癌的发生发展密切相关，对这些基因甲基化水平的检测具有较高的诊断准确性和预后价值 。
乳腺癌通常无症状进展，早期检测至关重要。研究发现，一些基因如杀伤细胞凝集素样受体 K1（KLRK1）、CDO1 等的甲基化水平在乳腺癌患者中发生显著变化，可作为早期诊断的生物标志物；而 E74 样 ETS 转录因子 5（ELF5）、Dachshund 家族转录因子 1（DACH1）等基因的甲基化与乳腺癌的预后相关 。
结直肠癌的筛查和诊断目前主要依赖结肠镜检查，但该方法具有侵入性，患者依从性较差 。许多研究聚焦于 DNA 甲基化作为非侵入性诊断方法的潜力，Syndecan 2（SDC2）和 SEPT9 基因是研究较多的靶点，其甲基化状态在结直肠癌的诊断和预后评估中具有重要意义 。
前列腺癌的早期检测常用前列腺特异性抗原（PSA）测试，但该测试存在假阳性问题。近年来的研究发现，周期蛋白 - D2（CCND2）、谷胱甘肽 S - 转移酶 pi - 1（GSTP1）等基因的甲基化可作为前列腺癌诊断的潜在生物标志物，而前列腺特异性膜抗原（PSMA）、钙 / 钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II 抑制剂 I（CAMK2N1）等基因的甲基化与前列腺癌的预后相关 。
胃癌的诊断主要依靠食管胃十二指肠镜检查（EGD），该方法虽准确但具有侵入性。研究表明，环指蛋白 180（RNF180）、SEPT9 等基因的甲基化可作为胃癌的诊断生物标志物，而转移相关肺腺癌转录本 1（MALAT1）、H19 印记母系表达转录本（H19）等基因的甲基化与胃癌的预后和化疗疗效相关 。
肝癌中肝细胞癌（HCC）最为常见，其早期诊断困难。一些研究开发了基于血液的诊断面板，如 HepaClear，结合多个基因的甲基化分析和蛋白标志物，可提高肝癌的早期检测准确性；SEPT9、AHNAK 核蛋白（AHANAK）等基因的甲基化与肝癌的预后相关 。
甲状腺癌的诊断面临一些挑战，如细针穿刺活检存在假阴性和不确定结果等问题。研究发现，RUNX 家族转录因子 1（RUNX1）、甲状腺刺激激素受体（TSHR）等基因的甲基化可作为甲状腺癌的诊断生物标志物，而激活转录因子 3（ATF3）、溶质载体家族 5 成员 8（SLC5A8）等基因的甲基化与甲状腺癌的预后相关 。
宫颈癌的发生与 DNA 甲基化密切相关，但目前 DNA 甲基化热点在宫颈癌临床应用中存在灵敏度和特异性问题 。PAX1、生长激素促分泌素受体（GHSR）等基因的甲基化在宫颈癌的诊断和预后评估中具有一定的价值 。
膀胱癌的诊断金标准存在局限性，许多研究致力于寻找基于 DNA 甲基化的非侵入性诊断方法 。Proenkephalin（PENK）、死亡相关蛋白激酶（DAPK）等基因的甲基化在膀胱癌的诊断和预后评估中显示出潜力 。
非霍奇金淋巴瘤（NHL）的诊断面临组织病理学复杂和感染干扰等问题 。研究发现，一些基因的甲基化可作为 NHL 的诊断和预后生物标志物，如鼻自然杀伤 / T 细胞淋巴瘤（NKTCL）中，特定的甲基化标记可用于区分患者和健康个体，而在弥漫大 B 细胞淋巴瘤（DLBC）等亚型中，某些基因的甲基化与预后相关 。
此外，在临床研究中，越来越多的观察性研究开始验证 DNA 甲基化热点作为癌症特异性生物标志物的有效性 。一些甲基化检测方法已被引入标准程序，但仍需进一步研究来明确其对早期诊断和个性化医疗的影响，同时要解决技术和标准化方面的问题 。
DNA 甲基化作为癌症治疗的靶点
在癌症治疗的战场上，DNA 甲基化成为了一个极具潜力的治疗靶点。近年来，表观遗传药物（epidrugs）的发展为癌症治疗带来了新的希望，其中 DNA 甲基转移酶（DNMT）抑制剂是研究的热点之一 。
DNMT 抑制剂可分为核苷类似物和非核苷类似物 。核苷类似物的结构与天然核苷相似，在 DNA 复制过程中会被整合到 DNA 中，导致 DNMTs 失活，进而引起 DNA 去甲基化 。5 - 氮杂胞苷（5 - Aza）和 5 - 氮杂 - 2’ - 脱氧胞苷（地西他滨，DAC）是第一代 DNMT 抑制剂，已被批准用于治疗血液系统肿瘤，如急性髓系白血病（AML）、慢性髓系白血病（CML）等 。然而，它们存在一些局限性，如在酸性或碱性条件下易水解，生物利用度低，缺乏靶向选择性等 。为了解决这些问题，研究人员开发了多种新型核苷类似物，如 zebularine、4’ - 硫代 - 2 - 脱氧胞苷（TdCyd）和 5’ - 氟 - 2 - 脱氧胞苷（FdCyd）等，这些药物在临床前研究中显示出了一定的潜力 。此外，SGI110（guadecitabine）作为第二代低甲基化剂，具有更长的半衰期和更强的活性，在与免疫疗法和抗癌药物联合治疗实体瘤方面展现出了前景 。
非核苷类似物则通过直接作用于 DNMTs 的催化位点来抑制 DNA 甲基化，与 DNA 的结合无关 。常见的非核苷类似物包括寡核苷酸、S - 腺苷甲硫氨酸（SAM）竞争者、天然化合物和具有去甲基化作用的重新利用药物等 。例如，SGI - 1027 能诱导癌细胞凋亡，麻醉药普鲁卡因对胃癌细胞系具有抗肿瘤活性，血管扩张剂肼屈嗪和抗生素 nanaomycin A 也具有 DNMT 抑制作用 。此外，天然化合物表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）和染料木黄酮等，可通过抑制 DNMTs 重新激活肿瘤抑制基因，发挥抗癌作用 。
除了药物治疗，表观基因组编辑技术也为癌症治疗带来了新的策略 。基于 CRISPR - Cas9 系统的表观基因组编辑能够精确调控特定基因的 DNA 甲基化状态，从而调节基因表达 。通过将失活的 Cas9（dCas9）与 DNMT 或 TET 酶的催化结构域融合，可实现对特定区域的 DNA 甲基化或去甲基化修饰 。然而，CRISPR - Cas9 系统在临床应用中仍面临一些挑战，如编辑特异性和效率问题、递送方法以及脱靶效应等，需要进一步研究加以解决 。
在临床研究中，超过 1000 项临床试验对 DNMT 抑制剂进行了研究，涵盖多种肿瘤类型 。许多临床试验表明，DNMT 抑制剂无论是作为单一疗法还是与其他治疗策略联合使用，在血液系统肿瘤和淋巴瘤的治疗中都取得了一定的疗效 。同时，在实体瘤的治疗方面也显示出了潜力，但仍需要更多的高级别临床研究来验证其安全性和有效性 。
结论与展望
DNA 甲基化作为一种重要的表观遗传修饰，在生理和病理过程中都发挥着关键作用。它对癌症相关基因表达的调控，使其在癌症的发生、发展中扮演着重要角色 。通过检测 DNA 甲基化变化，有望改善癌症的早期诊断、区分肿瘤亚型并预测治疗反应 。尽管目前 DNA 甲基化在临床应用中面临一些挑战，如肿瘤异质性、缺乏标准化程序等，但整合 DNA 甲基化数据与其他分子标记，可能为其临床应用提供更有力的证据 。
在治疗方面，DNMT 抑制剂已在血液系统肿瘤治疗中广泛应用，在实体瘤治疗中的研究也在不断推进 。同时，表观基因组编辑技术的发展为癌症治疗带来了新的希望 。未来，随着研究的深入，DNA 甲基化在癌症诊断、预后和治疗中的应用将不断拓展，有望为癌症患者带来更好的治疗效果，推动个性化医学的发展 。
