Ngoại di truyền epigenetics trong ung thư

Ngoại di truyền hay epigenetics là cơ chế sinh học cần thiết cho quá trình phát triển bình thường và duy trì biểu hiện gen đặc hiệu của mô động vật có vú. Epigenetics bất thường dẫn đến những thay đổi với chức năng gen và biệt hóa tế bào ác tính. Do đó, ngoại di truyền trở thành dấu ấn đặc trưng của ung thư.

Bằng khoa học công nghệ tiên tiến, các nhà nghiên cứu có thể phát hiện những thay đổi phạm vi rộng trên cả ba cơ chính của epigenetics bao gồm methyl hóa ADN, biến đổi protein histone và im lặng gen liên quan ncRNA. Do đó, phương pháp điều trị dựa trên ngoại di truyền là một hướng đi đầy tiềm năng, FDA đã phê duyệt 3 loại thuốc epigenetics cho điều trị ung thư.

Epigenetics trong tế bào ung thư

Methyl hóa ADN

Quá trình methyl hóa ADN trong epigenetics được nghiên cứu rộng rãi trên động vật có vú. Đây là quá trình quan trọng nhất đối với epigenetics nhằm chức năng điều hòa biểu hiện gen và cấu trúc nhiễm sắc thể.

Quá trình giảm methyl hóa ADN toàn phần giữ vai trò quan trọng trong nguyên nhân gây ra khối u. Cơ chế này xảy ra trên nhiều trình tự gen khác nhau bao gồm các vùng lặp lại, retrotransposon, các đảo CpG, vùng intron.

Methyl hóa ADN trong tế bào bị giảm mạnh đáng kể là dấu hiệu dẫn đến ung thư. Người ta nhận thấy những tế bào khối u suy giảm nghiêm trọng methyl hóa hoàn toàn ADN. Từ đó, nhiều gen có chức năng tham gia thúc đẩy quá trình sinh sản của tế bào có thể hoạt động quá mức. Đồng thời, những gen kiểm soát tăng sinh tế bị im lặng. Do đó, chúng tăng sinh không ngừng hình thành khối u và ung thư.

Biến đổi protein histone

Các protein histone và cấu trúc lõi nucleosome được kiểm soát chặt chẽ bởi nhiều quá trình biến đổi sau dịch mã như methyl hóa, acetyl hóa, phosphoryl hóa và ubiquitin hóa. Từ đó, quá trình phiên mã, sao chép và sửa chữa ADN được điều hòa. Biến đổi sau dịch mã này thuộc loại liên kết hóa học cộng hóa trị.

Biến đổi protein histon dẫn đến bất thường quá trình biến đổi sau dịch mã và cấu trúc chất nhiễm sắc. Do đó, khả năng tiếp cận của các yếu tố phiên mã có thể tăng hoặc giảm gây ra mất cân bằng biểu hiện gen. Ví dụ, trimethyl hóa lysine 4 trên histon H3 (H3K4me3) làm kích thích quá trình phiên mã. Ngược lại, trimethyl hóa H3K9 (H3K9me3) và H3K27 (H3K27me3) làm ức chế phiên mã gen.

Một số biến đổi histone làm gián đoạn quá trình bất hoạt gen. Trường hợp nghiêm trọng có thể dẫn đến cái chết tế bào hoặc tiến triển ung thư.

Định vị nucleosome và biến thể histone

Ngoài ra, cơ chế không cộng hóa trị bao gồm tái cấu trúc nucleosome và thay thế các protein histone điển hình. Từ đó, cấu trúc sợi nhiễm sắc thay đổi làm điều chỉnh hoạt động gen.

Sợi nhiễm sắc giữ vai trò đóng gói ADN trong nhân tế bào. Ngoài ra, nucleosome kiểm soát quá trình biểu hiện gen bằng các điều chỉnh khả năng tiếp cận của các yếu tố phiên mã, đặc biệt tại các vùng khởi động (promotor). Thông thường, các vùng mã hóa gen có mật độ liên kết histone cao (hình thành cấu trúc nucleosome dày đặc). Ngược lại, các vùng điều hòa phiên mã bao gồm cả promotor thường nằm trong vùng không nucleosome (Nucleosome-Free Region – NFR). Người ta nhận thấy một nucleosome mất đi tại trình tự cuối của vùng promotor dẫn đến kích hoạt gen biểu hiển. Tuy nhiên, một nucleosome hình thành tại promotor trong NFR gây ra ức gen.

Ngoài những thay đổi vật lý về vị trí nucleosome thông qua tái cấu trúc nucleosome, thay đổi thành phần histone bằng các histone biến thể như H3.3 và H2A.Z cũng ảnh hưởng đến vị trí hình thành nucleosome. Do đó, hoạt động biểu hiện gen được tái thiết lập.

Kết hợp 2 biến đổi, bổ sung histone biến thể vào trong nucleosome trở thành một cơ chế ngoại di truyền làm thay đổi cấu trúc nhiễm sắc thể. Điều này khác nhau tùy thuộc vào từng loại tế bào.

miRNA

miRNA là các RNA nhỏ có kích thước khoảng 22 nucleotide. Chúng không tham gia quá trình dịch mã để tạo protein. Tuy nhiên, miRNA có khả năng điều chỉnh biểu hiện thông qua quá trình làm im lặng (imprinting) sau phiên mã của gen mục tiêu. miRNA được tạo ra tùy thuộc vào tính đặc hiệu của mô và kiểm soát một loạt các quá trình sinh học bao gồm tăng sinh tế bào, apoptosis và biệt hóa. Những loại miRNA được xác định trong bộ gen người và các gen mục tủa chúng đang tăng lên nhanh chóng, chứng tỏ vai trò quan trọng trong duy trì các kiểu biểu hiện gen toàn phần.

Giống như các gen bình thường, quá trình biểu hiện của miRNA có thể được điều hòa bằng epigenetics. Ngoài ra, miRNA cũng có thể điều chỉnh các cơ chế điều hòa biểu sinh bên trong tế bào bằng cách nhắm mục tiêu các enzyme methyl hóa ADN (DNMT3A và DNMT3B) và sửa đổi histone (EZH2). Tương tác giữa các thành phần khác nhau của hệ thống ngoại di truyền duy trì các kiểu biểu hiện gen.

Theo thống kê, người ta ghi nhận nhiều đột biến miRNA trong quá trình hình thành khối u. miRNA có thể hoạt động như chất ức chế hoặc kích hoạt khối u tùy thuộc vào gen mục tiêu. Cụ thể, miRNA ức chế các gen thúc đẩy tăng sinh tế bào dẫn đến kiểm soát phát triển ung thư. Ví dụ miR–15 và 16 nhắm vào BCL2—một gen chống lại quá trình apoptosis. Đối với người mắc bệnh bệnh bạch cầu lymphocytic mãn tính, gen BCL2 bị giảm kiểm soát. Ngoài ra, người ta ghi nhận nhiều bất thường biểu hiện gen liên quan miRNA trong các loại ung thư khác nhau.

Nguyên nhân

Nguyên nhân chính gây bất thường epigenetic trong ung thư là môi trường và lối sống của con người. Chế độ ăn uống thiếu lành mạnh, tập thể dục ít, dùng một số loại thuốc, tiếp xúc với hóa chất hoặc phóng xạ trong môi trường—tất cả đều có khả năng gây ra các đột biến có thể dẫn đến ung thư. Ví dụ, hút thuốc lá đã được chứng minh là có ảnh hưởng đến kiểu methyl hóa ADN trên nhiều hệ thống cơ quan. Các gen bị ảnh hưởng có liên quan đến một số bệnh chính bao gồm ung thư, loãng xương, bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính (COPD), bệnh tim mạch và viêm khớp dạng thấp. Ngoài lối sống và môi trường, đặc tính của bộ gen người cũng là yếu tố quan trọng.

Mặt khác, người ta nhận thấy những thay đổi về gen có thể được truyền từ cha mẹ sang con cái. Hiện tượng này diễn ra trong quá trình tái thiết lập ngoại di truyền tế bào dòng mầm, khi ADN trong tế bào sinh sản (tinh trùng và trứng) tái lập các dấu ấn epigenetic.

Tái thiết lập epigenetic trong tế bào sinh sản có thể xảy ra sai sót do yếu tố ngoại cảnh. Do đó, các cặp vợ chồng có thói quen không lành mạnh như hút thuốc, rượu bia và chất kích thích cần phải lưu ý.

Di truyền là yếu tố chính quyết định nguy cơ mắc bệnh ung thư của một người. Những người mang một số đột biến gen có nguy cơ mắc bệnh ung thư tương đối cao. Những đột biến này thường có thể truyền sang con cái. Người ta cho rằng khoảng 1/20 đến 1/10 (5%–10%) số ca ung thư do đột biến di truyền.

Phát hiện ung thư dựa vào thay đổi epigenetic

Các phương pháp hiện tại để phát hiện ung thư sử dụng kĩ thuật hình ảnh (chụp X-quang, chụp PET, siêu âm) hoặc lấy mẫu trực tiếp các vùng nghi ngờ để phát hiện khối u. Các phương pháp này tỏ ra hữu ích trong sàng lọc hoặc chẩn đoán, tuy nhiên, chúng dựa vào tín hiệu của khối u đã hình thành sẵn. Ngoại di truyền cung cấp dấu hiệu để phát hiện sớm khối u với độ nhạy và độ đặc hiệu vượt trội.

PCR đặc hiệu methyl hóa (MSP) là một xét nghiệm ngoại di truyền được dùng để xác định các kiểu methyl hóa bất thường trong ADN bởi vì tế bào ung thư có methyl hóa ADN khác biệt. Phương pháp này dựa trên giải trình tự bisulfit—một kĩ thuật có thể phân biệt giữa các cytosine đã được methyl hóa với các cytosine chưa bị biến đổi. MSP có thể phát hiện một tế bào khối u duy nhất trong số hàng chục nghìn tế bào.

Sinh thiết lỏng phát hiện ung thư dựa trên mẫu máu bằng cách khảo sát sự hiện diện của tế bào khối u hoặc ADN khối u (ctDNA) trong máu. Phương pháp này có thể khảo sát cả đột biến ADN và biến đổi ngoại di truyền nên nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều bệnh lí bao gồm cả ung thư.

Điều trị ung thư nhắm mục tiêu ngoại di truyền

Thuốc ức chế histone deacetylase (HDAC)

Quá trình acetyl hóa histone là quá trình enzyme thêm các nhóm acetyl vào histone. Acetyl thường là sự gia tăng hoạt động của gen. Nghịch đảo quá trình này gọi là khử acetyl hóa histone do enzym histone deacetylase (HDAC) thực hiện dẫn đến làm gen bất hoạt. Trong nhiều loại tế bào ung thư, histone deacetylase hoạt động nhiều hơn bình thường. Điều này liên quan đến quá trình im lặng các gen ức chế khối u và sửa chữa ADN. Mục đích của thuốc ức chế HDAC là làm giảm hoạt động histone deacetylase. Từ đó, thuốc gián tiếp tăng hoạt động ức chế khối u.

Nhiều chất ức chế HDAC hiện đang được nghiên cứu và một số trong số này đã được chấp thuận sử dụng lâm sàng bao gồm vorinostat (Zolinza®), romidepsin (Istodax®), bellinostat (Beleodaq®) và panobinostat (Farydak®).

Các chất ức chế HDAC được thiết kế nhắm mục tiêu cụ thể vào các HDAC đã được nghiên cứu kỹ lưỡng có thể có kết quả tốt hơn và ít tác dụng phụ hơn.

Thuốc ức chế ADN Methyltransferase (DNMT)

Quá trình methyl hóa ADN là quá trình trong đó các enzyme gọi là ADN methyltransferase thêm các nhóm methyl vào các base trong ADN. Những thay đổi này ảnh hưởng đến hoạt động của gen, do đó, quá trình methyl hóa ADN giữ vai trò quan trọng trong sự phát triển ung thư. Các gen ức chế khối u thường bị methyl hóa mạnh và bị im lặng. Do đó, các chất ức chế DNMT đã được nghiên cứu để sử dụng làm thuốc điều trị epi.

Hai chất ức chế DNMT đã được chứng minh là có hiệu quả như thuốc chống ung thư và hiện được chấp thuận sử dụng trong điều trị bệnh bạch cầu tủy cấp tính và hội chứng loạn sản tủy: azacytidine (Vidaza®) và decitabine (Dacogen®). Khi những loại thuốc này xâm nhập vào tế bào, chúng tương tác với ADN và ức chế bất kỳ DNMT nào đi kèm. DNMT liên kết không thể methyl hóa thêm các vùng ADN khác và cuối cùng bị phá hủy.

Lời kết

Bất thường epigenetics là một trong những nguyên nhân chính gây ra ung thư. Thay đổi ngoại di truyền chủ yếu bắt nguồn từ yếu tố môi trường và lối sống. Tuy nhiên, quá trình tái thiết lập ngoại di truyền tế bào mầm dẫn đến thay đổi epigenetics di truyền. Nghiên cứu rõ cơ chế hỗ trợ nhà khoa học xác định phương pháp điều trị đặc hiệu.