がんにおけるDNAメチル化

がんにおけるDNAメチル化は、遺伝子発現の調節によって健康な細胞をがん細胞や病変細胞へと変化させるなど、さまざまな役割を果たしています。最も広く研究されているDNAメチル化異常の一つはプロモーター過剰メチル化であり、プロモーター領域のCpGアイランドがメチル化されることで遺伝子のサイレンシングが促進または引き起こされます。^{[ 1 ]}

受精卵（接合子）から派生したすべての哺乳類細胞は、共通のDNA配列を共有しています（一部の系統における新たな突然変異を除く）。しかし、発生およびさまざまな組織の形成中に、エピジェネティック因子が変化します。これらの変化には、ヒストン修飾、CpGアイランドメチル化、およびクロマチン再編成が含まれ、特定の遺伝子の安定的なサイレンシングまたは活性化を引き起こす可能性があります。^{[ 2 ]}分化した組織が形成されると、CpGアイランドメチル化は、DNAメチル化維持機構を介して、一般的に1回の細胞分裂 から次の細胞分裂へと安定的に継承されます。^{[ 2 ]}

がんでは、タンパク質をコードする遺伝子に多数の変異が見られます。大腸がんでは、通常、3～6個のドライバー変異と、影響を受ける遺伝子のタンパク質発現を抑制する33～66個のヒッチハイカーまたはパッセンジャー変異があります。 ^{[ 3 ]}しかし、がんへの進行における遺伝子 サイレンシングの原因としては、変異よりも転写サイレンシングの方が重要である可能性があります。 ^{[ 4 ]} 大腸がんでは、隣接する正常に見える組織と比較して、約600～800個の遺伝子がCpGアイランドメチル化によって転写的にサイレンシングされています。このようなCpGアイランドメチル化は、膠芽腫^{[ 5 ]}や中皮腫^{[ 6 ]}でも報告されています。がんにおける転写抑制は、マイクロRNAの発現変化などの他のエピジェネティック機構によっても起こり得ます。^{[ 7 ]}

CpGアイランドは一般的に200～2000塩基対の長さで、C:G塩基対含有量が50%以上であり、5'→3' CpG配列が頻繁に見られます。遺伝子の転写開始部位付近に位置するヒトプロモーターの約70%にはCpGアイランドが含まれています。^{[ 8 ] [ 9 ]}

遺伝子の転写開始部位から離れた位置にあるプロモーターにも、CpGアイランドが頻繁に含まれています。例えば、 DNA修復遺伝子ERCC1のプロモーターは、そのコード領域の上流約5,400ヌクレオチドの位置にあることが確認されています。^{[ 10 ]} CpGアイランドは、マイクロRNAや長鎖ノンコーディングRNA （lncRNA）などの機能的なノンコーディングRNA のプロモーターにも頻繁に存在します。

遺伝子は、プロモーターのCpGアイランド内のCpG部位の多重メチル化によってサイレンシングされることがある。[11] 遺伝子のサイレンシングが別のメカニズムによって開始された場合でも、多くの場合、プロモーターCpGアイランド内のCpG部位のメチル化が続いて、遺伝子のサイレンシングが安定化される。[11] 一方、プロモーター内のCpGアイランドの低メチル化は、遺伝子の過剰発現につながる可能性がある。

DNA過剰メチル化の原因は 、以下の通りです。 - 変異したK-ras誘導junタンパク質の媒介（Serra RW. et al. 2014; Leppä S. et al. 1998） - 脱メチル化を引き起こすmiRNAに対するlnRNAの阻害効果 - スポンジ効果によるそれらの「吸収」または脱メチル化因子TET1およびTGDの直接抑制（Thakur S. Brenner C. 2017; Ratti M. et al. 2020; Morita S. et al. 2013） - DNAメチラーゼの活性化（Kwon JJ. et al. 2018） -イソクエン酸デヒドロゲナーゼの変化（Christensen BC. et al. 2011） - ウイルスの影響（Wang X. et al. ）

 DNA低メチル化の原因： - 変異型K-rasが長鎖ノンコーディングRNAに及ぼす影響。これは、作用時にa) DNAメチルトランスフェラーゼをコードする遺伝子の活性または翻訳を直接阻害する（Sarkar D. et al. 2015）、b) むしろ「スポンジ」のようにmiRNAを吸収する（Ratti M. et al. 2020）。miRNAはDNAメチルトランスフェラーゼの機能を確保するはずである。 - 変異型K-Rasがmyc-ODC軸、mTOR複合体を活性化することによってポリアミンを合成し、その活性化が比喩的に言えばメチオニンサイクルから単炭素断片を「排出」し、DNAメチル化の基質を欠乏させ、DNAの低メチル化状態を引き起こす（Урба К. 1991）。 - メチルトランスフェラーゼDNMT1/3A/3Bの活性の変化、それらの再局在(Hoffmann MJ, Schulz WA. 2005; Nishiyama A. et al. 2021) - TET パフォーマンスの変化 (Nishiyama A. et al. 2021) - MAT 酵素の変化によるメチオニンからの SAM 合成の変化 (Frau M. et al. 2013) - セリン異化の変化(Snell K., Weber G. 1986)、セリンがホモシステインに結合すると、メチオニンサイクルからホモシステインがより集中的に除去される (Урба К. 1991) - メチオニンサイクルに単炭素断片を供給するその他の特定されていない理由、例えば「メチルトラップ」現象 (Shane B. Stokstad EL. 1985; Zheng Y, Cantley LC. 2019)、シエチン、ビタミンの障害を引き起こすB12代謝、スペアメチオニン再合成経路の障害（Ouyang Y. et al. 2020; Ozyerli-Goknar E, Bagci-Onder T. 2021; Barekatain, Yasaman et al. 2021）、またはその他のモノカーボンフラグメント代謝障害（Urba K. 1991）などが原因となる。

がんでは、遺伝子発現の喪失は、突然変異よりもプロモーター CpG アイランドの過剰メチル化によって約 10 倍多く発生します。たとえば、結腸腫瘍では、隣接する正常に見える結腸粘膜と比較して、腫瘍内の遺伝子のプロモーターには約 600 ～ 800 個の高度にメチル化された CpG アイランドが存在しますが、これらの CpG アイランドは隣接する粘膜ではメチル化されていません。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} 対照的に、Vogelstein ら^{[ 3 ]}が指摘するように、大腸がんでは、通常、ドライバー変異は約 3 ～ 6 個、ヒッチハイカーまたはパッセンジャー変異は33 ～ 66 個しかありません。

JinとRoberstonがレビューで論じたように^{[ 17 ]} 、 DNA修復遺伝子の過剰メチル化によるサイレンシングは、癌への進行の非常に初期の段階である可能性がある。このようなサイレンシングは、DNA修復遺伝子の生殖細胞系列変異と同様に作用し、細胞とその子孫を癌への進行に陥りやすくすると考えられている。別のレビュー^{[ 18 ]}でも、DNA修復遺伝子の過剰メチル化が癌の初期段階で果たす役割が示唆されている。DNA修復に必要な遺伝子が過剰メチル化され、DNA修復が不十分になると、DNA損傷が蓄積する。DNA損傷が増加すると、DNA合成中のエラーが増加し、癌を引き起こす可能性のある変異につながる傾向がある。

DNA修復遺伝子の過剰メチル化が発がんの初期段階である場合、がんが発生した部位の周囲の正常に見える組織（フィールド欠損）でも過剰メチル化が起こる可能性がある。下の表を参照のこと。

DNA損傷は、エラーを起こしやすい損傷乗り越え合成によって突然変異を引き起こす可能性がある一方で、DNA損傷は、欠陥のあるDNA修復プロセス中にエピジェネティックな変化を引き起こす可能性もある。^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} DNA修復遺伝子のプロモーターの過剰メチル化によって蓄積されるDNA損傷は、がんの多くの遺伝子に見られるエピジェネティックな変化の増加の原因となる可能性がある。

初期の研究では、限られた数の転写プロモーターに着目し、Fernandez ら^{[ 31 ]}は 855 個の原発腫瘍の DNA メチル化プロファイルを調べた。各腫瘍タイプを対応する正常組織と比較すると、729 個の CpG アイランド部位 (評価した 1322 個の CpG アイランド部位の 55%) で DNA メチル化の差異が認められた。これらの部位のうち、496 個は過メチル化 (抑制) され、233 個は低メチル化 (活性化) されていた。したがって、腫瘍ではプロモーターのメチル化変化が高レベルで発生している。これらの変化の一部は、癌の進行に寄与する可能性がある。

哺乳類では、マイクロRNA（miRNA）がタンパク質をコードする遺伝子の約60%の転写活性を調節します。 ^{[ 32 ]} 個々のmiRNAはそれぞれ、平均して約200個のタンパク質コード遺伝子のメッセンジャーRNAを標的として転写を抑制することができます。^{[ 33 ] Vrbaら[ 34 ]}が正常乳腺組織 で評価した167個のmiRNAのうち約3分の1のプロモーターは、乳癌で過剰/低メチル化が異なっていました。より最近の研究では、Vrbaらが評価した167個のmiRNAは、乳腺組織で発現しているmiRNAのわずか10%にすぎないことが指摘されました。^{[ 35 ]} この後の研究では、乳腺組織のmiRNAの58%が乳癌でプロモーターに異なるメチル化領域を持っていることがわかりました。これには、過剰メチル化されたmiRNAが278個、低メチル化されたmiRNAが802個含まれています。

乳がんにおいて約100倍過剰発現しているmiRNAの1つはmiR-182である。^{[ 36 ]} miR-182はBRCA1メッセンジャーRNAを標的とし、多くの乳がんにおいてBRCA1タンパク質発現の低下の主な原因となっている可能性がある^{[ 37 ]} （ BRCA1も参照）。

一部のmiRNAは、DNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子DNMT1、DNMT3A、DNMT3BのメッセンジャーRNAを標的としており、これらの遺伝子産物はプロモーターメチル化の開始と安定化に必要です。3つのレビューにまとめられているように、^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]} miRNA miR-29a、miR-29b、miR-29cはDNMT3AとDNMT3Bを標的とし、miR-148aとmiR-148bはDNMT3Bを標的とし、 miR- 152とmiR-301はDNMT1を標的としています。さらに、miR-34bはDNMT1を標的とし、miR-34bのプロモーター自体が前立腺癌の大部分で過メチル化され、発現が低下しています。^{[ 41 ]} これらのマイクロRNAの発現が変化すると、がんにおけるタンパク質コード遺伝子のプロモーターの過剰/低メチル化の原因となる可能性もある。

ルーベン・アグレロ、* チェン・ウェンシン、† フェルナンド・セティエン、* サンティアゴ・ロペロ、* ヘスス・エスパーダ、* マリオ・F・フラガ、* ミシェル・ヘランツ、* マリア・F・パス、* モンセラット・サンチェス・セスペデス、* マリア・ヘスス・アルティガ、* デヴィッド・ゲレーロ、‡ アントニ・カステルズ、§ カエタノ・フォン・コッベ、* ヴィルヘルム A. Bohr,† および Manel Esteller*¶ヒト癌における早期老化ウェルナー症候群遺伝子のエピジェネティックな不活性化。Proc Natl Acad Sci US A. 2006; 103(23): 8822–8827。