Thuật ngữ Epigenetics được Waddington C. H. định nghĩa vào năm 1940, là quá trình thay đổi cơ chế di truyền trong sự biểu hiện của gen mà không có sự thay đổi trình tự nucleotide [132]. Epigenetics gồm có sự methyl hóa DNA, sự biến đổi các histone và các microRNA [19]. Sự biến đổi Epigenetics liên quan đến sự biểu hiện gen thông qua những cơ chế riêng biệt ảnh hưởng đến sự ổn định, gấp cuộn, định vị và tổ chức của DNA [66].
SVTH: Nguyễn Tấn Liêm Trang 7
Hình I. 3. Các quá trình biến đổi Epigenetics[157]
I.3.2. Sự methyl hóa DNA
Sự methyl hóa DNA có tính chất di truyền phân tử, là quá trình gắn nhóm CH3 vào vị trí cytosine liên kết phosphodiester với guanine [92]. Sự methyl hóa DNA được xúc tác bởi nhóm enzyme DNA methyltransferase (DNMT), chuyển nhóm methyl từ S-adenyl methione (SAM) vào đầu cacbon số 5 của cytosine để hình 5mC [68, 99, 133]. Họ DNA methyltransferase (DNMT) gồm có DNMT3a, DNMT3b và DNMT1 [99, 133]. Ở các loài động vật có vú, sự methyl hóa DNA xảy ra tại các vị trí CpG [92].
Hình I. 4. Quá trình methyl hóa DNA [99]
SVTH: Nguyễn Tấn Liêm Trang 8
Hình I. 5. Quá trình methyl hóa[99]
Chú thích: DNA methyltransferase: DNMT 3a, DNMT3b và DNMT1 I.3.3. Đảo CpG
CpG là cặp dinucleotide gồm có cytosine liên kết phosphodiester với guanine (CpG, trong đó "p" chỉ ra sự liên kết posphodiester giữa nucleotide cytosine và guanine), tập trung trong các đảo CpG [92, 99].
Đảo CpG là các chuỗi DNA có chiều dài 0,5 kilobase đến một vài kilobase,
%GC chiếm hơn 50% thành phần nucleotide [15, 92]. Các đảo CpG thường được tìm thấy ở vùng 5’-promoter kéo dài đến exon đầu tiên của nhiều gen giữ nhà (house-keeping gene) và gen đặc trưng cho mô (tissue-specific genes) [92]. Có khoảng 70% các promoter thuộc gen của sinh vật Eukaryote có sự hiện diện của các đảo CpG [99, 120]. Đặc biệt là các đảo CpG liên kết với các vùng promoter của gen người và chuột có trình tự bảo tồn cao. Các đảo CpG được bảo tồn trong suốt quá trình tiến hóa nhằm giúp vùng promoter của gen biểu hiện cơ chế điều hòa cấu trúc nhiễm sắc thể và các yếu tố liên kết phiên mã [66, 99].
Sự methyl hóa của các đảo CpG giúp điều hòa sự biểu hiện gen trong suốt các quá trình phát triển và biệt hóa [49, 93, 98, 122, 134]. Ở tế bào lành, sự methyl hóa DNA bình thường diễn ra tại các đảo CpG thuộc vùng promoter của các gen đè nén khối u, gen điều hòa chu trình tế bào và chương trình chết tế bào [133]. Tuy nhiên khi có sự methyl hóa bất thường, bao gồm methyl hóa vượt mức (hypermethylation)
SVTH: Nguyễn Tấn Liêm Trang 9
xảy ra trên nhóm gen đè nén khối u, làm chức năng các gen có lợi này bị bất hoạt hay giải methyl hóa vượt mức (hypomethylation) xảy ra trên nhóm oncogene, kích hoạt chức năng các gen bất lợi, là các cơ chế chính gây ung thư đã được ghi nhận [133, 140].
Sự methyl hóa DNA vượt mức trên các đảo CpG của các vùng promoter gen ức chế khối u đều dẫn đến sự biến đổi DNA trong suốt quá trình phát triển của tế bào ung thư [68].
Hypermethylation: tính chất methyl hóa DNA vượt mức của các đảo CpG trong vùng promoter và hypomethylation tính chất giải methyl hóa DNA vượt mức trên cả bộ gen người thông qua quá trình giảm số lượng các cặp dinucleotide CpG bị methyl hóa trong các vùng trình tự lặp lại và các vùng trình tự chèn, được chia thành ba dạng khác nhau: dạng A, B, C (Hình I. 6) [75].
Hình I. 6. Methyl hóa DNA trong tế bào bình thường và tế bào ung thư [75]
Chú thích [75]:
- Dạng A: DNA bộ gen người có tính chất methyl hóa DNA vượt mức tại các vùng promoter và tính chất methyl hóa DNA trên cả bộ gen người.
- Dạng B: DNA bộ gen người có tính chất không bị methyl hóa tại các vùng promoter và có tính chất methyl hóa DNA trên cả bộ gen người.
SVTH: Nguyễn Tấn Liêm Trang 10
- Dạng C: DNA bộ gen người có tính chất methyl hóa DNA vượt mức tại các vùng promoter và tính chất giải methyl hóa DNA trên cả bộ gen.
Sự methyl hóa DNA của các gen gây ung thư có tiềm năng như một dấu chứng sinh học trong việc ứng dụng chẩn đoán lâm sàng như nguy cơ rủi ro, chẩn đoán, phân loại và sự tiến triển của ung thư [89, 96].
Tính chất methyl hóa vượt mức trên vùng promoter của các oncogen MGMT, RARβ2, RASSF1A, p16INK4A, CCNA, FHIT, p73, HIC-1, CADM1, Htert, DcR1, DcR2, DAPK1, APC, SYK dẫn đến ung thư cổ tử cung [68].
I.3.4. Sự biến đổi Histone
Nucleosome là đơn vị cơ sở cấu tạo nên cấu trúc nhiễm sắc thể, bao gồm các chuỗi DNA được cuộn xung quanh 8 phân tử protein lõi: histone 2H2A, 2H2B, 2H3, 2H4 và 1 phân tử histone nối (H1) [114].
Histone có vai trò đảm bảo ổn định cấu trúc nhiễm sắc thể thông qua các tương tác tĩnh điện và điều hòa sự sao chép, phiên mã. Sự biến đổi Histone dẫn đến thay đổi cấu trúc nhiễm sắc thể (giải nén), tác động đến sự biểu hiện gen [149].
Cơ chế biến đổi histone bao gồm sự methyl hóa, acetyl hóa, ubiquitin hóa và sự phosphoryl hóa histone. Các dạng biến đổi này ảnh hưởng đến sự gấp cuộn của các chuỗi DNA cũng như ảnh hưởng đến hoạt động phiên mã [99].
Những sự biến đổi này được thực hiện bởi các enzyme điều hòa histone acetyltransferase (HATs) và deacetylases (HDACs): di chuyển nhóm acetyl, histone methylstranferase (HMTs) và demethyl (HDMs): di chuyển nhóm methyl [114]
Trong suốt quá trình sinh ung, các tế bào có thể chịu sự biến đổi histone làm thay đổi khả năng nhận biết trình tự mạch khuôn của các yếu tố phiên mã, chính vì thế dẫn đến sự biểu hiện hoặc im lặng bất thường của gen [149].
I.3.5. microRNA
microRNA (miRNA) là phân tử RNA không mã hóa (noncoding), có kích thước khoảng 22-25 nucleotide. miRNA có tính chất bảo tồn và đặc trưng trong các mô, có vai trò kiểm soát sự biểu hiện của gen [66].
SVTH: Nguyễn Tấn Liêm Trang 11
microRNA tương tác với trình tự mRNA (RNA thông tin), mRNA thường ở vùng 3’ không dịch mã (Untranslation), làm ngăn cản quá trình dịch mã, có thể làm thoái hóa, dẫn đến sự im lặng bất thường của gen [29, 66].