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1、第十五章 肿瘤的分子生物学,一、恶性肿瘤发生的分子机制 恶性肿瘤细胞的生物学特性 恶性肿瘤的发生分子机制,恶性肿瘤细胞的生物学特性,无限增殖能力，可在体内形成瘤块 细胞分化幼稚、原始 细胞寿命长，有的在体外可长期培养、传代建系 细胞有定居、侵袭、迁移、转移能力 细胞的染色体核型异常，为多倍体或异倍体，甚至有标记染色体（如表）,恶性肿瘤的发生分子机制,1.癌基因致癌的分子机制 2.抑癌基因及其致癌的分子机制 3.抑癌基因改变的分子基础 4.其他恶性表型相关的基因 5.研究恶性肿瘤发生的分子机制的医学意义,1.癌基因致癌的分子机制,逆转录病毒与癌基因V-onc基因 人原癌基因C-onc与V-onc
2、的关系 原癌基因异常激活机制与肿瘤发生的相关性 原癌基因的产物（癌蛋白）及其分类,逆转录病毒与癌基因V-onc基因,逆转录病毒的基因结构 RV致细胞转化的性质 V-onc基因,逆转录病毒的基因结构,逆转录病毒基因组两端为LTR，中间为gag、pol、env等基因。其中，pol基因编码逆转录酶，将病毒RNA逆转录成cDNA，并整合入宿主基因组，以原病毒形式随宿主细胞繁殖传代，称纵向传播。而LTR为启动子启动env等基因转录表达，形成包膜，并包装、出芽释放，传布附近细胞，称横向传播。,RV致细胞转化的性质,急性（快速）转化型：感染后短期内（几天/几周）体内出现实体瘤/白血病；癌基因位于病毒基因组内
3、；大多可使体外培养的细胞发生细胞转化。 非急性（慢性）转化型：感染后需较长时间才能致瘤；病毒基因组内不含基因；体外不能使培养的细胞发生转化。 现已发现，鸟类Rous肉瘤病毒导致白血病。人T细胞白血病病毒导致T细胞白血病。,V-onc基因,在病毒基因组中含有与细胞恶性转化能力密切相关的基因，称V-onc。因含在病毒基因组中的V-onc，其编码的蛋白质使细胞失去生长控制能力而发生转化，呈现恶性表型，有关RV的V-onc基因已发现有100多种。其中有10多种与人类肿瘤发生有关。不同的V-onc均呈现有组织的特异性，不同的V-onc，一旦整合到不同组织细胞的基因组中，有时会导致肿瘤的发生。（如表）,人
4、原癌基因C-onc与V-onc的关系,人原癌基因C-onc与V-onc同源 C-onc基因与特定肿瘤的关系 C-onc转化试验依据,人原癌基因C-onc与V-onc同源,V-onc探针分子杂交，发现人正常细胞和肿瘤细胞中均有V-onc基因存在。这种存在于正常组织细胞中与V-onc同源的C-onc基因称原癌基因（protooncgene） 病毒感染细胞后，整合到C-onc基因附近由病毒的LTR启动表达，使C-onc激活，导致肿瘤。从细胞内装配释放时又可俘获C-onc，传播扩散。 C-onc基因中有内含子，高度保守，表达很低，在染色体上定位，本身并不致癌，而且已成为正常细胞的生存，生长，发育，分化
5、等生命活动中不可少的基因，如：C-myc（8q24）、C-myb（6q22）、C-mys（8q22）等。,C-onc基因与特定肿瘤的关系,C-myb：白血病，淋巴瘤，卵巢癌 C-myc：Burkitt淋巴瘤，肺癌，乳腺癌等 C-ehl：慢性粒细胞白血病 C-msh：肠癌，胰癌，肺癌 C-gip：卵巢癌，肾上腺癌 C-gsp：垂体腺癌，甲状腺癌 C-ret：甲状腺癌,C-onc转化试验依据,人肿瘤细胞DNA转化鼠NIH3T3细胞，形成转化灶，可失去接触抑制，反复转化后，细胞恶性化增殖，从鼠细胞DNA找到有人的Alu重复序列，而且可分离出人的C-onc基因。,原癌基因异常激活机制与肿瘤发生的相关性
6、,C-onc基因本身不致癌，不含有V-onc的病毒也可使细胞发生转化。这可能与C-onc基因被异常激活有关。C-onc等位基因中只要有一个发生改变，甚至因一个密码子发生突变就能致癌。这种现象在胚系不发生，在成体中常见。因此，这与遗传性关系不大，尽管原癌基因可通过遗传而稳定传代，但异常激活与遗传无关。与肿瘤发生相关可能的机制为基因突变、基因扩增、染色体易位和基因重排、病毒的启动因子插入、病毒之间的相互作用。 这些机制是以实验为依据结合临床例证提出的假说，有局限性。肿瘤发生机制复杂，除C-onc外可能还有其他机制。,基因突变,一个密码子突变就会导致表达的蛋白异常。人膀胱癌细胞（EJ/T24）的C-
7、rasH基因序列中的GGC（甘）变为GTC（缬）而使p21蛋白发生改变而致癌。结肠癌、肺癌细胞株中也存在类似现象。所以，C-rasH点突变是异常激活导致恶性转化的关键。通常，ras基因的第12、16位突变是突变热点，可导致p21蛋白序列、空间构型改变而使功能改变。,基因扩增,指某些染色体局部区域基因拷贝数增加，产生微小染色体（DM）或均匀强染色区（HSR）。结肠癌、小细胞肺癌和神经母细胞瘤的HSR区中myc可扩增100多倍。RNA比正常高10倍。此外，鳞状细胞癌中C-erbB、胃癌、乳腺癌和卵巢癌中的C-neu、肺癌中的L-myc都有基因扩增，过度表达。（下一表）,染色体易位和基因重排,易位是
8、指某一段基因从染色体正常位置转移到另一染色体上，形成异常的标记染色体，移位后在新染色体上发生基因重排/重组，从而被异常激活，表达具蛋白激酶活性的蛋白，使原癌基因异常激活：如Burkitt淋巴瘤是t（8：14）（8：2）t（8：22）易位，使C-myc处于2q区而被激活。慢粒白血病是C-abl t（9：22）（9q34：22q11），重排后形成bcr-abl融合基因，使P145变为P210，表达酪氨酸激酶，从而异常激活。（如表）,病毒的启动因子插入,指原癌基因被5-LTR插入后由LTR中的启动子产生异常激活。 不含V-onc的鸟类白血病病毒（ALV）感染鸡后，可整合到鸡细胞8号染色体上的C-my
9、c上游。其原病毒5-LTR启动子异常激活C-myc，使表达增加30-100倍，细胞增生，形成鸡淋巴瘤。,病毒之间的相互作用,C-myc基因需几种基因异常激活的协同作用，或由某一种基因先异常激活而促发一系列其他C-onc活化而致癌。如在NIH3T3细胞中，单加C-myc或C-ras，无恶性转化；若先加C-myc，则细胞仍处于静止的G1期，C-myc表达水平低，后加C-sis蛋白同源物PDGF，此时，C-myc表达增加，发生恶性转化，其中，C-sis的活性蛋白PDGF对C-myc表达起协同作用。,原癌基因的产物（癌蛋白）及其分类,原癌基因异常激活后的致癌作用是通过其表达的蛋白质产物来实现的，大致分
10、类如下： 生长因子类的癌蛋白 生长因子受体类的癌蛋白 蛋白激酶类癌蛋白 GTP酶类的癌蛋白 表达核内转录调控的癌蛋白 表达调控细胞凋亡的Bcl-2癌蛋白 上述各类癌基因的蛋白质作用综合如图,生长因子类的癌蛋白,C-sis蛋白是血小板衍生物的生长因子（PDGF）Kst-1/K-fgf的蛋白产物称为血管生长因子。 这些细胞因子可分泌到胞外刺激细胞增生和肿瘤组织间的血管形成，利于肿瘤细胞生长。,生长因子受体类的癌蛋白,C-erbB表达生长因子受体（EGFR）；C-fms表达干细胞生长因子受体（CSF-MR）；C-kit表达C-ret，C-sea等均表达相应的生长因子受体。 受体基因结构包括配子结合区
11、、跨膜区、催化结构区。催化作用为酪氨酸（tyrosine）激酶，异常活化，细胞表面受体增多，不仅利于配体结合，促生长，而且也可通过自身二聚化作用来激活胞内激酶而致癌。,蛋白激酶类癌蛋白,C-src、C-raf、C-abl、C-mos、C-fes等表面产物多为磷蛋白，位于包膜上，具有蛋白激酶活性，酶的磷酸化位点在蛋白质酪氨酸残基上，为酪氨酸激酶。若在丝氨酸或苏氨酸残基上则称丝氨酸蛋白激酶或苏氨酸蛋白激酶。酶的活性可使底物磷酸化，将刺激信号传递到细胞中枢而致癌。,GTP酶类的癌蛋白,H-rab、K-rab、N-ras、C-gip2、C-gsp的表达产物为GTP酶、信号传递蛋白。通过GTP到GDP的
12、转换释放磷酸和能量，可将细胞表面的刺激信号（生长因子、激酶或神经递质）传到细胞内效应器上。 GTP转换成GDP需与GAP结合，上述原癌基因点突变后的产物p21含改变GAP与GTP结合，影响GTP向GDP转换，使细胞刺激信号传递到效应器的时间大为延长而致癌。,表达核内转录调控的癌蛋白,C-enbA、C-ets-1、C-ets-2、C-fos、C-jun、C-mgc等这些基因有一些区域具有与蛋白质结合的功能结构域，其基因产物可与DNA结合，也可先与蛋白质结合形成二聚体后，再与DNA结合，然后调控下游靶基因转录。如C-myc产物在核内与DNA结合后，可调控DNA复制，使细胞持续增生，不能进入终末分化
13、，呈幼稚类型，即癌。,表达调控细胞凋亡的Bcl-2癌蛋白,该蛋白位于线粒体膜内，可阻止细胞凋亡/死亡，延长细胞生存期，呈无限增殖而致癌。 Bcl-2基因发生重排，重排后使癌基因被异常激活而致癌。,2.抑癌基因及其致癌的分子机制,概念 RB基因 p53基因 WT1基因 DCC基因和APC基因 NF1基因 MTS1基因 WAF1基因 BRCA1和BRCA2基因,概念,抑癌基因是指在细胞恶性转化过程中调控癌基因表达，抑制细胞恶性表型的一类基因。 抑癌基因的缺失或突变与肿瘤发生有关，经PCR分析，几乎所有肿瘤细胞都伴有一种或多种抑癌基因丢失或突变失活，常呈现遗传性肿瘤高发家族。只是在抑癌基因的两个等为
14、基因均丢失或突变后方可致癌，抑癌基因现已发现多种，如表。 抑癌基因的作用：在染色体中起稳定性作用；参与细胞分化成熟；参与衰老过程，诱导细胞凋亡；通过控制细胞周期，调节细胞增殖。,RB基因,称视网膜母细胞瘤易感基因，可表达928个的p105-Rb蛋白，非磷酸化的p105-Rb具抑制细胞（G0/G1）进入S期的增殖活性，一旦有生长因子刺激，使p105-Rb蛋白激酶激活而使p105-Rb磷酸化，细胞自由进入S期，发生恶性增生。 如SV40的RT、AdV的E1A和HPV的E7可充当刺激因子，而导致肿瘤，有高发性家族遗传，也有散发。该基因一旦发生缺失或突变，不能抑制细胞进入S期的恶性增生，也可导致其他肿
15、瘤发生。,p53基因,该基因为细胞周期依赖性基因。可促使细胞分裂周期的正常进行，同时它又是细胞基因组稳定性的卫士，可表达p21蛋白，能修复受损的DNA，推迟细胞周期确保基因组的修复和完整性，一旦不能得到修复，p53基因可启动凋亡程序，下调Bcl-2，上调Bax诱导细胞凋亡，成为细胞正常分裂时维护基因组稳定性的保护神。 一旦发生突变、缺失或被肿瘤病毒相关抗原结合而使p53基因失活，丧失调控细胞周期的负调节功能，进而发生肿瘤。它与多种肿瘤发生有关，是目前发现的作用最大最显著的抑癌基因之一。,WT1基因,又称Wi/mis瘤基因，可编码WT1蛋白，该蛋白含有4个锌指蛋白，起转录因子作用，有4中同源异构
16、体。它能与DNA结合调控下游靶基因的转录，固能抑制PDGF A链。IGF-、EGFR表达和WT1自身转录，起抑癌作用。但若有其他生长因子参与，WT1又可促使肿瘤发生。 WT1本身突变高不一定引起肿瘤，但在许多肿瘤细胞中呈现WT1突变型的高表达，如肾母细胞瘤、白血病等，主要累及儿童的泌尿、生殖道而引起儿童肾母细胞实体瘤，有遗传家族史。,DCC基因和APC基因,DCC基因在正常结肠粘膜表达，在脑组织中高度表达，又称神经细胞粘着分子。在大多数结肠癌中有DCC基因突变，突变后的神经细胞粘着分子（N-CAM）失去粘着力，使相关信号发生改变而致癌，并易发生转移。 APC基因称腺瘤样结肠息肉基因。APC基因
17、异常不仅与结肠腺瘤息肉有关，而且与结肠癌、肺癌发生有关。若等为基因中一个基因突变与腺瘤形成有关，另一个也突变，则发生结肠癌。70%结肠癌患者有DCC和APC两种抑癌基因突变，因二者在基因组中只相距150 kb，易于同时发生突变，有家族史，若息肉不及时切除，极易转化和恶性变。,NF1基因,NF1基因为多发性神经纤维瘤易感基因。正常情况下，表达产物可刺激胞内GTP酶活化，对p21-ras蛋白表达起负调节和阻止ras介导的有丝分裂信号，生成抗增殖蛋白，若异常失活常产生良性肿瘤,MTS1基因,称为多肿瘤抑制基因。表达p16蛋白，一旦发生缺失或突变可引起各种肿瘤，是比p53更为常见的一种抑癌基因。主要通
18、过阻止细胞生长繁殖，抑制瘤细胞进入S期，是细胞周期固有的抑制成分，一旦异常，引发多种肿瘤。,WAF1基因,又称CIP1（CDK-interacted protein）基因，可表达21kD蛋白质，故亦称p21蛋白。主要是通过抑制细胞周期，使G1期停滞，有充分时间供DNA损伤修复，也可抑制细胞S期的DNA复制或导致细胞凋亡，一旦发生突变或缺失则致癌。,BRCA1和BRCA2基因,是与遗传性高发乳腺癌相关的基因（往往必须两个等为基因均为异常才会发生肿瘤），它与卵巢癌发生也相关。,3.抑癌基因改变的分子基础,错配修复基因 守门基因和看护基因,错配修复基因,在DNA复制过程中可能有编码错误的核苷酸，正常
19、情况下，可被立即选择性的从新生DNA链中切除并修复，防止基因突变，这种机制称错配修复。在识别切除和修补过程中由蛋白酶参加，这些蛋白酶均由错配修复基因hMSH2、hMLH1、hPMS1和hPMS2正常表达，一旦基因发生突变或缺失就会失去对错配序列识别、切除和修补功能，不能对抑癌基因突变序列加以修复，使抑癌基因不能发挥抑癌作用，因此，错配修复基因的缺陷也与恶性肿瘤发生有关。,守门基因和看护基因,守门基因是指在细胞恶性转化过程中与基因启动相关的基因，如APC、Rb、NF1等抑癌基因。一旦突变失活就失去了对癌基因活化的负调控作用，以利癌基因启动活化而引起肿瘤。 看护基因是指能保持细胞基因组稳定性而与细
20、胞恶性转化过程中的癌基因启动不直接相关的基因，如错配修复基因（Hmsh2、hMLH1），乳腺细胞的BRCA1和BRCA2基因，尚需3个以上突变才发生恶性变。而守门基因只需一个体细胞突变就会恶性化。,4.其他恶性表型相关的基因,与肿瘤细胞锚定黏附能力有关的分子机制 与肿瘤侵袭、转移能力有关的分子机制 与耐药、耐温有关的分子机制 与细胞凋亡有关的分子机制,与肿瘤细胞锚定黏附能力有关的分子机制,细胞膜表面有丰富的绒毛突起，可自分泌黏附分子，产生胶原等基质均利于肿瘤细胞黏着和定居。,与肿瘤侵袭、转移能力有关的分子机制,血管生长因子可促使在肿瘤团块内形成毛细血管网，利于肿瘤增生和提供肿瘤细胞转移通道：分
21、泌的胶原酶、溶基质酶、明胶酶、尿激酶型纤溶酶原激活物（UPA），利于肿瘤细胞转移、扩散和侵袭。,与耐药、耐温有关的分子机制,肿瘤细胞常会产生对化疗药物的耐药性。现已发现有多药耐药基因（MDR-1）和多药耐药相关蛋白（MRP），其编码蛋白为膜上ATP能量依赖的泵分子，可将化疗药物泵出细胞外，致使化疗药物不敏感。 在高热诱导小，机体细胞分泌热休克蛋白（HSP）可使肿瘤细胞耐受高温，往往又会交叉耐药。,与细胞凋亡有关的分子机制,在C-myc、p53、Bap、Bcl-Xs、ICE、Fas/Apo-1正调控基因下可促使化疗药物诱导细胞凋亡，但肿瘤细胞恶性增生时，可大量分泌Bcl-2、Bcl-XL，行使负调控凋亡作用，可大大降低化疗药物的敏感性。,5.研究恶性肿瘤发生的分子机制的医学意义,理论意义： 肿瘤发生有多种机制，并非单一因素；肿瘤发生与原癌基因异常激活有关；与细胞表达相关蛋白、调控细胞周期、创造利于生长繁殖、转移扩散的外基质有关。 实际应用 分子流行病学调查分析利于发现高发人群；分子生物诊断技术利于癌早期诊断、分型/亚型；利于监测转归、预测预后和复发；利于基因治疗策略的选择。,