TET1/BER通路在环境化学物致肺癌过程中介导表观遗传调控的作用机制研究

DNA methylation as the representative of epigenetic regulation has been hotspot and frontier of environmental chemical carcinogenesis research. Our previous studies demonstrated that DNMT1/3a-mediated DNA hypermethylation accounting for gene silencing is an early and important molecular biology event during the process of lung cancer induced by environmental carcinogen 3-methylcholanthrene and diethylnitrosamine. However, the relevant regulatory mechanism needs further investigation. Further studies showed that TET1 gene promoter region hypermethylated by DNMT1/3a regulation and its expression significantly reduced during the process of chemical carcinogenesis, while the hydroxymethylation level in the promoter region of base excision repair (BER) pathway key genes XRCC1, OGG1, APE1 significantly decreased and the degree of methylation gradually increased. Therefore, we hypothesized that TET1/BER pathway probably involved in DNA methylation/demethylation dysregulation during chemical carcinogenesis. On the basis of previous study and preliminary experiments, this project is planned to clarify the role and mechanism of TET1/BER pathway-mediated epigenetic regulation during chemical carcinogenesis through gene overexpression/knockdown and intervention experiments on chemical-induced lung cancer model and in vitro cell transformation model. This project may provide scientific basis for looking for early biomarkers and prevention strategies of environmental chemical carcinogenesis.

以DNA甲基化为代表的表观遗传调控是环境化学物致癌机制研究的热点和前沿。课题组前期研究证实DNMT1/3a调控DNA高甲基化导致基因沉默是环境致癌物3-甲基胆蒽和二乙基亚硝胺诱导肺癌发生过程中重要的分子事件，但相关调控机制尚待深入研究。进一步预实验研究发现：化学致肺癌过程中TET1基因受DNMT1/3a调控发生高甲基化且表达水平显著降低；碱基切除修复(BER)通路关键基因XRCC1、OGG1、APE1启动子区羟甲基化水平明显降低而甲基化程度逐渐升高。因此，我们推测：TET1/BER通路可能通过调控DNA甲基化/去甲基化动态平衡参与化学物致肺癌发生全过程。本项目拟在前期研究基础上，利用化学致肺癌模型及细胞恶性转化模型，通过基因过表达和干扰以及干预等实验，揭示TET1/BER通路在化学致癌过程中介导表观遗传调控的作用机制，为寻找环境化学物致癌的早期生物标志物和预防策略提供科学依据。

表观遗传调控是环境化学物致癌机制研究的热点和前沿。课题组前期研究证实DNMT1/3a调控DNA高甲基化导致基因沉默是环境致癌物3-甲基胆蒽（3-MCA）诱导肺癌发生过程中重要的分子事件。TET1可能通过调控DNA甲基化/去甲基化动态平衡参与化学物致肺癌发生全过程，但相关作用机制尚待深入研究。本研究成功建立了3-MCA诱导人支气管上皮细胞恶性转化模型，获得基因表达图谱、DNA甲基化图谱和羟甲基化图谱。研究发现恶转过程中分别有707和686个基因显著上调和下调，8545个和15121个mRNA相关的差异甲基化区和羟甲基化区发生了显著改变。通过基因表达、DNA甲基化和羟甲基化交互作用分析，共鉴定出99个参与细胞生长、迁移和侵袭的表观调控关键基因。GO分析和KEGG分析表明，大量差异表达基因主要参与化学致癌、碱基切除修复（BER）、细胞因子-细胞因子-受体相互作用、cAMP等信号通路。研究结果提示，DNA甲基化和羟甲基化调控的特征性基因改变可能在3-MCA诱导的肺癌发生过程中起重要作用。进一步研究发现，TET1基因在3-MCA诱导的化学致肺癌动物模型和细胞恶性转化模型以及肺癌患者组织中表达显著下调且甲基化水平明显上调。去甲基化实验进一步证实DNA甲基化负调控TET1基因表达。TET1过表达明显抑制肺癌细胞在体内外的增殖、迁移和侵袭，敲低TET1表达则导致了相反的表型。细胞恶转过程中BER通路关键基因XRCC1、OGG1、APE1启动子区羟甲基化水平明显降低而甲基化程度逐渐升高。TET1差异表达后，这些基因羟甲基化水平、甲基化水平和表达水平也随之明显改变。BER通路抑制剂阻断可显著降低TET1的作用。本研究首次证实TET1基因表达受DNA甲基化调控，通过羟甲基化修饰调控BER通路抑制细胞的增殖、迁移和侵袭参与3-MCA诱导的肺癌发生过程。本研究提示TET1基因可作为肺癌潜在的生物标志物和治疗靶标，揭示了TET1/BER通路在化学致癌过程中介导表观遗传调控的作用机制，为寻找环境化学物致癌的早期生物标志物和预防策略提供了科学依据。