癌症基因组图谱计划画出了癌症的基因组地图，但知道了地图不等于找到了路。基因会突变，这事大伙都知道——一个个碱基发生替换、缺失、插入，细胞就慢慢走向失控。但很多人不知道的是，基因本身没变，表达的方式也能出问题。这就是表观遗传学干的事。
Cytosine methylation in mammalian DNA is regarded as a key epigenetic modification controlling essential processes such as imprinting, silencing of retrotransposons and cell differentiation.
甲基化是表观遗传最经典的一种修饰。DNA还是那串DNA，但上面多了一些甲基基团，原本能打开的基因就被关上了。反过来也一样。正常细胞通过甲基化来保持身份——肝细胞记得自己是肝细胞，神经元记得自己是神经元，靠的就是这套表观遗传的记忆系统。
问题是，这套系统在癌症里被打乱了。癌细胞不仅有基因突变，还有异常的甲基化模式——本该沉默的基因被打开，本该活跃的基因被关上。乳腺癌尤其典型，不同亚型的乳腺癌有不同的甲基化指纹。
SOX2就是一个典型的例子。
SOX2 is normally expressed in embryonic stem cells and neural progenitor cells, where it maintains self-renewal. DNA methylation in the SOX2 promoter and enhancer regions functions as an epigenetic switch, which forces cells to activate multiple differentiation pathways.
这个基因在胚胎干细胞里是主角，负责维持干细胞的自我更新。正常成人的组织里它基本不表达，细胞分化了，不需要它了。但研究者发现，在约43%的基底样乳腺癌里，SOX2异常激活了。肿瘤组织中的SOX2启动子甲基化水平比正常组织低，拷贝数却增加了——双重推动下，这个转录因子开始在癌细胞里疯狂表达，直接激活CYCLIN D1，驱动细胞加速增殖。
The downregulation of SOX2 by RNA interference decreased the tumorigenic phenotype in the lung, breast and ovarian cancers.
这就有意思了。SOX2不是突变后才致癌的，它是被"松开"之后才开始作恶的。既然是被甲基化状态改变而激活的，那能不能通过修改甲基化状态来把它重新关回去？
理论上是可行的。甲基化由内源蛋白写入和读取，在细胞分裂时会忠实地传给子代。如果能在SOX2的启动子里人工引入新的甲基化，理论上可以创造一种"遗传"下来的沉默状态——不仅在治疗时起作用，治疗停止后效果还能维持下去。
We reasoned that artificial incorporation of de novo DNA methylation in the SOX2 promoter would confer stable oncogenic silencing, resulting in a sustained blockade of cell growth, faithfully propagated in successive cell generations.
怎么实现？研究者用了一个很巧妙的办法：把锌指蛋白和DNA甲基转移酶3A（DNMT3A）融合在一起。
These 6ZFs were linked to the catalytic domain of DNA methyltransferase 3A (DNMT3A), an enzyme that catalyzes de novo DNA methylation, to correct the aberrant methylation state of SOX2 in cancer cells.
把它和DNMT3A的催化活性区域连起来，这个融合蛋白就像一个带着"涂改工具"的定位器——找到SOX2启动子，然后在上面"涂上"甲基。
这个融合蛋白叫ZF598-DNMT3A。
实验结果很有意思。研究者用多西环素来控制融合蛋白的表达——加药就表达，停药就消失。加药后，SOX2的mRNA水平下降了90%。这不算特别惊人，很多基因 silencing 技术都能做到。但关键的是：停药之后呢？
对照组的ZF598-SKD（一个没有催化活性的抑制蛋白）在停药后，SOX2表达很快就恢复了，像什么都没发生过一样。ZF598-DNMT3A组却不一样——停药之后，SOX2表达还在继续下降，比用药时降得更多。
这不合常理。按理说蛋白都没了，甲基化应该慢慢消退。但实验显示，新甲基化的CpG位点在停药后反而增加了，从40%到90%不等。这说明什么？说明甲基化一旦建立起来，就能自我维持——细胞分裂时，现存的甲基化会指导新合成DNA的甲基化，就像一种表观遗传的"记忆"。
Our time-course analysis suggests that the de novo DNA methylation induced by the artificial methyltransferase results in both a phase of induction of gene silencing upon Dox induction, and a phase of maintenance and reinforcement of silencing (Dox removal).
更惊人的是动物实验。把转染了ZF598-DNMT3A的MCF7细胞移植到裸鼠体内，肿瘤长起来后用多西环素诱导融合蛋白表达，然后停药观察。停药后肿瘤继续生长受抑制，甲基化状态在体内维持了50天以上。50天对老鼠来说都够活好几个月了，足够说明问题。
研究者还发现一个有趣的细节：肿瘤的表型变了。原本紧密堆积的癌细胞之间出现了间质组织，间质标志物（TWIST1、Vimentin）下调，上皮连接蛋白（Claudin 4）上调。癌细胞似乎在某种程度上"找回"了一些正常上皮的特征。
我的思考是这项研究真正的价值可能不在于沉默了一个SOX2。SOX2当然重要，但真正让人兴奋的是一个更广阔的可能性：很多癌症驱动基因是转录因子和GTP酶——KRAS、HRAS——这些蛋白本身没有"口袋"让小分子药物结合，传统药物研发拿它们没办法。
Like transcription factors, many of the cancer-promoting driver mutations in cancer are not druggable. Therefore, programming a heritable state of targeted silencing in such major oncogenic drivers would be a high-impact achievement with far-reaching clinical implications for cancer therapy.
现在有了这套方案，理论上可以用同样的策略去对付任何一个能被锌指蛋白识别的东西。锌指蛋白、TALEN、CRISPR——这些DNA结合工具都可以和酶活性区域融合，实现精确的表观遗传编辑。
当然，路还长。锌指蛋白的设计不是件容易的事，每个新的靶点都需要重新筛选。肿瘤的异质性意味着可能不是每个癌细胞都对这个治疗敏感。但方向是对的。癌症治疗最大的难题之一就是复发——切掉了、杀光了，过两年又冒出来。如果能在治疗初期就建立这种表观遗传的"记忆"，让残留的癌细胞即使分裂也保持沉默，复发的问题可能能从根子上解决。
这不是在和癌细胞较劲，而是在重新编程它们的命运。
参考文献
Stolzenburg S, Beltran AS, Swift-Scanlan T, et al. Stable oncogenic silencing in vivo by programmable and targeted de novo DNA methylation in breast cancer. Oncogene. 2015;34(44):5427-5435.