Transcript 第10章癌基因抑癌基因
第十章 癌基因、抑癌基因、生长因子 及肿瘤发生的分子基础 概 述 肿瘤的发生是由于细胞的增殖与分化失常所导致的细胞 或组织恶性生长的现象。 癌基因的概念最初来自RNA病毒中能使正常细胞发生恶 性转化的基因。 以后研究发现癌基因是正常细胞编码关键性调控蛋白的 基因，是细胞内正常基因。因此习惯上将RNA肿瘤病毒 中所含的致癌基因称为病毒癌基因（V-onc）。而将生 物正常细胞基因中的癌基因称为细胞癌基因（C-onc） 或称为原癌基因。 通常细胞的正常生长与增殖是由两大类基因来调控的, 一类是由癌基因所产生正调节信号:促进细胞生长和增 殖,并阻止其发生终末分化.当该信号发生失常时,表现 为肿瘤细胞的恶性生长; 另一类为抑癌基因产生的负调节信号:它能抑制增殖, 促进分化,成熟和衰老,最终凋亡.在正常生理情况下, 癌基因产生的正调节信号与抑癌基因产生的负调节信 号在细胞内产生相互拮抗效应,维持平衡,对细胞的生 长,增殖和分化进行精确调控. 如果上述两类信号出现异常,就可能导致机体的肿瘤发 生. 癌基因可编码类生长因子多肽及受体,其结构与功能多 和机体内生长因子结构与功能相似.可见肿瘤发生与癌 基因,抑癌基因及生长因子三者的功能密切相关的. 第一节 癌基因 癌基因的概念: 凡能编码生长因子、生长因子受体、 细胞内生长信息传递分子，以及生长有关 的转录调节因子的基因均归属于癌基因范 畴。 癌基因分类: 细胞癌基因(原癌基因) 病毒癌基因 *病毒基因组结构 长末端 重复序列 LTR 正常的病毒基因 gag 含有病毒 产生病毒 的启动子 核心蛋白 和增强子 pol 癌基因 env src LTR 产生逆转录 产生病毒 产生酪氨酸 酶和整合酶 外膜蛋白 激酶 病毒癌基因的来源: 病毒癌基因并非逆转录病毒固有的基因.根据逆转录病 毒生活史中有病毒DNA整合在宿主细胞基因组中的这一 环节,推测病毒癌基因起源于宿主细胞. 此推测于1976年由Bishop等以v-src作探针,用分子杂 交方法证实在正常鸡和其它脊椎动物的基因组中存在. 因此将正常细胞中存在的与病毒癌基因同源的基因称 为原癌基因或细胞癌基因,并在基因前冠以前缀c,如csrc 逆转录病毒从细胞中获得癌基因过程如 下: 细胞癌基因 细胞癌基因广泛分布在生物界,同时结构上具有 很大的同源性. 细胞癌基因的表达产物对细胞正常生长,繁殖, 发育和分化起着精密的调控作用.若细胞癌基因 结构发生异常或表达失控,必然导致细胞生长增 殖和分化异常,可能会形成肿瘤. 细胞癌基因特点: 1.分布广泛; 2.基因序列具有高度保守性; 3.其作用是通过表达产物蛋白体现的; 4.在一些因素作用下,基因一旦激活,会形成癌性细 胞转化基因. 按表达蛋白的功能和定位分类 癌基因按家族分类 （一）src家族 它们都含有相似的基因编码结构，产物具有使酪氨酸磷酸化 的蛋白激酶活性，定位于胞膜内面或跨膜分布。 （二）ras家族 家族成员基因序列差异大，但所编码的蛋白质是P21，位于 细胞质膜内面，P21可与GTP结合，有GTP酶活性，并参与cAMP 水平的调节。 (三）myc家族 编码核内DNA结合蛋白，有直接调节其他基因转录的作用。 （四）sis家族 只有sis基因一个成员，编码P28，与人血小板源生长因子结 构类似，刺激间叶组织细胞分裂增殖。 （五）myb家族 编码核蛋白，能与DNA结合，为核内的一种转录因子。 原癌基因激活的机制 1.获得启动子与增强子 2.基因易位:人Burkit淋巴瘤,位于8号染色体的c-myc移 至14号染色体免疫球蛋白重链基因的调节区附近. 3.原癌基因扩增：人的急性粒性白血病细胞株HL-60细胞 中C-myc大量扩增。 4.点突变:人正常膀胱上皮细胞中的H-ras与人膀胱癌细 胞中的H-ras 序列差别只是第一外显子的第12位密码 子GGC突变成GTC。从而使编码p21蛋白第12位氨基酸由 正常细胞的甘氨酸变成缬氨酸. 原癌基因激活的结果: 1.出现新的表达产物 2.出现过量表达正常蛋白产物 3.出现异常或截短的表达产物 细胞癌基因的产物与功能 1.细胞外的生长因子: 细胞外信号包括：生长因子、激素、神经递 质、药物等，它们作用于细胞膜上的受体系统或 直接被传递至细胞内，再通过多种蛋白激酶活 化，对转录因子进行磷酸化修饰，引发一系列基 因的转录激活。例如，sis基因编码产物 与血小板 源性生长因子的β链同源。通过激活蛋白激酶C途 径能产生血管生长作用。 2.跨膜生长因子受体 另一类原癌基因的产物为跨膜受体，它能 接受细胞外的生长信号并将其传入胞内。跨膜生 长因子受体有胞质结构区域，并具有酪氨酸特异 的蛋白激酶活性，例如C-Src、C-abl。另外一些 癌基因c-mos，raf，所编码的激酶不是在酪氨酸 上磷酸化，而是使丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化。 通过这种磷酸化作用，使其结构发生改变，增加 激酶对底物的活性，加速生长信号在胞内的传递。 3.细胞内信号传导体:ras 生长信号到达细胞后，借助一系列胞内信息传递体 系，将接受的生长信号由胞内传至核内，促进细胞 生长。胞内信号传递体系成员多是原癌基因的成员， 或通过这些基因产物的作用影响第二信使。例如， 非受体酪氨酸激酶(c-crl、c-bal等)，丝/苏氨酸 激酶(c-ras，c-mas)，ras蛋白(H-ras、K-ras和Nras等)及磷脂酶(crk产物)。 4.核内转录因子: 已知某些癌基因表达蛋白(如myc、fas等)定位于 细胞核内，它们能与靶基因的调控元件结合直接调节 转录活性起转录因子作用。这些蛋白通常在细胞受到 生长因子刺激时迅速表达，促进细胞的生长与分裂过 程。c-fos是一种即刻早期反应（立早）基因。在生长 因子、佛波酯、神经递质等作用下，c-fos能即刻、短 暂表达，作为传递信息的第三信使。 原癌基因具有广泛的生物学功能，不仅仅与 癌瘤有关，实际上原癌基因是以细胞生长、 分化为主要功能的正常基因组成分。 抑癌基因 抑癌基因是一类抑制细胞过 度生长、增殖从而遏制肿瘤形成 的基因。抑癌基因的丢失或失活 可能导致肿瘤发生。 常见的抑癌基因 (一）视网膜母细瘤基因(Rb基因) Rb 基因是最早发现的肿瘤抑制基因，最早发现 于儿童的视网膜母细胞瘤(retinoblastoma)，因此称为 Rb基因。当Rb基因一旦丧失功能或先天性缺乏，视网 膜母细胞则出现异常增殖，形成视网膜母细胞瘤。Rb 基因失活还见于多种肿瘤，具有一定的广泛性。如骨 肉瘤，小细胞肺癌，乳腺癌等． Rb基因位于人13号染色体q14，含有27个外显子，转 录4.7Kb的mRNA。 Rb基因编码蛋白质为P105，定位于核内，有磷酸化和 非磷酸化两种形式，非磷酸化形式称活性型，能促进细胞 分化，抑制细胞增殖。 Rb基因对肿瘤的抑制作用与转录因子（E－2F）有关。E2F是一类激活转录作用的活性蛋白，在G0、G1期，低磷酸 化型的Rb蛋白与E－2F结合成复合物，使E－2F处于非活化 状态；在S期，Rb蛋白被磷酸化而与E－2F解离，结合状态 的E-2F变成游离状态，细胞立即进入增殖阶段。当Rb基因 发生缺失或突变，丧失结合、抑制E-2F的能力，于是细胞 增殖活跃，导致肿瘤发生。 （二）P53 基因： 人P53基因定位于17P13，转录2.8Kb的mRNA，编码 蛋白为P53。 野生型P53蛋白在维持细胞正常生长、抑制恶性增殖 中起着重要作用，P53基因时刻监控着基因的完整性，一 旦细胞DNA遭到损害，P53蛋白与相应基因的DNA部位结 合，起特殊转录因子作用，活化P21基因转录，使细胞停 滞于G1期；抑制解链酶活性；并与复制因子A相互作用参 与DNA的复制与修复；如果修复失败，P53蛋白即启动 程序性死亡过程诱导细胞自杀，阻止有癌变倾向突变细胞 的生成，从而防止细胞恶变。 当P53发生突变后，不单失去野生型P53抑制肿瘤增 殖的作用，而且突变本身又使该基因具备癌基因功能。 P53蛋白——基因卫士 P53蛋白 DNA损伤 酸性区 核心区 碱性区 复制因子A P53蛋白 细胞自杀 P21基因 P53蛋白 P53蛋白 P21蛋白 细胞停滞于G1期 抑 制 解链酶 值得提出的，所谓"癌基因"、"抑癌基因" 是在癌瘤研究过程中命名的。事实上， 细胞的原癌基因和抑癌基因均是细胞的 正常基因成分，具有重要的生理功能， 除了癌瘤以外，它们在多种疾病过程中 也发挥重要作用。 第三节 生长因子 调节细胞生长与增殖的多肽类物质称为生长因子。 根据生长因子产生细胞与接受生长因子作用的细胞相 互之间的关系，可概括为以下三种模式： ①内分泌: 生长因子从细胞分泌出来后，通过血液运输作用于远隔 靶细胞。如：血小板源生长因子源于血小板作用于结缔 组织。 ②旁分泌：细胞分泌的生长因子作用于邻近的其他类型细胞，对合 成、分泌该生长因子的自身细胞不发生作用，因为它缺 乏相应受体。 ③自分泌：生长因子作用于合成及分泌该生长因子的细胞本身。生 长因子以后两种作用方式为主。 生 长 因 子 的 作 用 机 制 目录 第四节 肿瘤的分子基础 1911年，Rous首先发现鸡肉瘤病毒可以致癌。 1947年，证明化学物质可以引起DNA损伤，破坏基因组 稳定性，诱发肿瘤。 1970年，基因克隆、基因转移等技术发明，并与肿瘤学 研究结合，并在1979年发现了第一个细胞癌基因，此后 很多癌基因、抑癌基因相继发现，并确认“肿瘤是一种 基因病”。 目录 一、肿瘤发生的因素 目前对肿瘤的成因研究越来越多的表明，大多数 环境因素可引起DNA损伤，如果机体DNA损伤修复缺 陷，或基因组不稳定增加，则易感肿瘤。共时个人 的遗传特性也决定了肿瘤的易感性。因此肿瘤发生 与环境因素、内在因素有关。 1、化学因素 1.脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速C脱氨基生成U， A脱氨基生成H。 2.烷基化剂：这是一类带有活性烷基的化合物，可提供甲 基或其他烷基，引起碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起 邻近碱基的交联。 3.DNA加合剂：如苯并芘，在体内代谢后生成四羟苯并芘， 与嘌呤共价结合引起损伤。 4.碱基类似物：如5-FU，6-MP等，可掺入到DNA分子中引 起损伤或突变。 5.断链剂：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起DNA链 的断裂。 化学致癌物引起DNA的损伤，可诱发癌 基因的激活和抑癌基因的失活。 如：ras、myc、erb等原癌基因。化学 致癌物引起改变的抑癌基因以p53、Rb基因 改变为常见。 2、电离辐射等物理因素可以致癌 由电离辐射、紫外线、X射线等引起的DNA损伤。其 中，电离辐射对机体损伤主要是产生电离，形成自由 基，自由基可诱导30多种DNA加合物、DNA蛋白质的 交联发生，可诱导一些癌基因的表达。X射线常常引起 DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成， 如TT，TC，CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成 了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。 3、肿瘤病毒也可以致癌 肿瘤病毒包括DNA肿瘤病毒和RNA肿瘤病毒。 肿瘤病毒应具有以下特点：这些病毒对人、动物 有感染性，进而引发疾病甚至肿瘤。 如：乳头瘤空泡病毒、疱疹病毒、肝DNA病 毒 4、个体遗传特性决定肿瘤的易感性 癌变过程受细胞内、外因素的影响。细胞内因 素指获得性或遗传性DNA修复或细胞周期调控缺陷。 细胞外因素指各种外界物理、化学及生物学致癌因 素。目前认为，在肿瘤发生过程中的环境因素是起 动因素，而个人遗传性决定肿瘤的易感性。 如不同个体的同一基因在序列上存在微小差 异，即单核苷酸多态性，这种差异可导致个体间一 些代谢相关的酶、DNA修复酶等活性差异，从而引起 不同个体对环境的敏感性不同。 二、肿瘤的生化与细胞学特点 1、生化特点： 与增殖相关的酶类活性增强； 酵解速率增大； 糖异生明显下降； 合成糖原能力下降； 氨基酸分解代谢减弱； 核苷酸合成相关酶活性增强； 蛋白激酶与磷酸酶活性均增强； 出现胎儿型同工酶。 2、肿瘤发生时细胞学特点： •细胞膜通透性增强，以适应癌细胞对原料增加； •肿瘤细胞与凝集素作用，表现出接触抑制； •细胞膜粘附性降低； •膜表面负电荷增加，这是膜表面的酸性粘多糖、唾液 酸量增加； •膜蛋白的丢失及糖蛋白糖链的改变：如糖链上唾液酸、 岩藻糖及N-糖基化糖链分枝明显增加。 •恶性转化细胞膜上存在肿瘤纤溶酶，激活血纤溶酶， 降解细胞间基质，促使肿瘤转移。 •细胞分化障碍：肿瘤细胞表现为生长失控和去分 化。肿瘤细胞不良分化的特征为异形性、失极性和幼 稚性。 分化障碍可能与下列因素有关 1、细胞癌基因的激活抑制细胞分化 2、部分抑癌基因失活抑制细胞分化 •细胞周期调控失衡导致肿瘤细胞失控性增殖 1、细胞周期蛋白表达过量 2、Cdk表达过量抑制细胞分化 3、CKI缺失或突变可导致细胞周期失调 •癌细胞中端粒酶处于活性状态：这可能与维持肿 瘤细胞的永生性及无限增殖有关； 细胞癌变是多基因、多步骤、多因素的复杂过程。在肿 瘤发生发展的各阶段，至少需要两个或更多个不同的癌相关 基因的异常激活或失活，才能可能引发细胞癌变。 如：结、直肠癌发生发展的6个阶段相关基因与因素为： 1、从正常上皮细胞到上皮细胞过度增生可能涉及FAP、MCC 基因的突变或缺失；2、从上皮细胞过度增生到早期腺瘤可 能与DNA低甲基化相关；3、从早期腺瘤至中期腺瘤涉及Kras基因突变；4、从中期至晚期涉及DCC基因缺失；5、从晚 期至结、直肠癌涉及p53基因缺失；6、转移癌还涉及nm基 因突变、血管生长因子基因的表达增加。 肿瘤转移的分子生物学基础 一、肿瘤转移的基本过程 肿瘤转移是多步骤、多因素的复杂 过程，是多阶梯瀑布过程。 （一）原发瘤增殖和扩展 增殖导致肿瘤内部压力增加 接触抑制丧失 增殖只是肿瘤细胞转移的基础 （二）肿瘤血管的形成 肿瘤超过1～2mm时，新生血管形成是维持 其生长所必需。 宿主毛细血管网进入肿瘤组织。 是血管生成刺激因子和抑制因子共同调控 的结果。 （三）肿瘤细胞脱落并进入基质 1、肿瘤细胞分离倾向与细胞膜结构的变 化和粘附力的下降有密切关系。 2、恶性肿瘤细胞E-钙粘连素表达降低。 3、癌细胞表面负电荷高、与钙离子结合 能力差以及桥粒发育不全也与之有关。 4、癌细胞可以产生多种水解ECM的酶类。 5、定向移动（migration）在癌细胞侵 袭过程中起重要作用。 细胞运动参与许多正常生命活动 肿瘤细胞具有类似白细胞的运动方式 （四）进入脉管系统 肿瘤血管为侵入基质的游离肿瘤细胞 进入循环系统提供条件。 （六）肿瘤细胞锚定黏附 肿瘤细胞表面的粘附因子与靶器官内皮细 胞的粘附并锚定在内皮细胞表面。 微小脉管对癌栓的截获也是锚定粘附的方 式。 （七）逸出循环系统 肿瘤细胞诱导脉管基底膜的降解和穿透。 肿瘤细胞穿透脉管后在细胞外基质中的移 行。 （八）转移后结局 侵入靶器官的肿瘤细胞形成转移瘤并进行性长大才 真正完成了转移。 1、转移后生长 2、转移之转移 3、转移的休眠（黑色素瘤、乳腺癌切除后多年后 的复发） 二、肿瘤转移的分子生物学基础 （一）基因调控下的肿瘤转移 肿瘤转移与促进基因和抑制基因之间表达 失衡相关。 不是所有的肿瘤都有转移表型，同种肿瘤 细胞不同个体转移能力也不一样。 促进肿瘤转移的基因 与肿瘤转移相关的基因有很多种，如ras myc mos raf fes erb-2. ras基因 • 基本生物学特性 • 效应蛋白：IV型胶原酶、组织蛋白酶和与细胞 运动相关的细胞因子 CD44v：肿瘤转移促进基因 • CD44是广泛分布的细胞表面跨膜糖蛋白分子 ，能与 细胞外基质中透明质酸、胶原蛋白Ⅰ、Ⅳ、血管内皮 细胞的粘附。 • 其正常功能是作为受体识别透明质酸（HA）和胶原 蛋白Ⅰ、Ⅳ等，主要参与细胞-细胞，细胞-基质之间 的特异性粘连过程。 • CD44V6高表达的癌细胞可能获得淋巴细胞“伪 装”，逃避人体免疫系统的识别和杀伤，更易进入淋 巴结，形成转移。 抑制肿瘤转移基因 抑制肿瘤转移基因是近年来倍受关注的研究领域。 nm23基因：肿瘤转移抑制基因 • 表达产物为NDPK（核苷二磷酸激酶），生成ATP以 外的核苷三磷酸。 • 影响细胞内微管系统的状态而抑制癌的转移：提供 GTP而调节微管的聚合与解聚 。 • 能与G蛋白结合，本身也具有G蛋白的某些特性，可 能通过细胞跨膜信号传递调节肿瘤细胞转移。 Kiss-1基因：编码产物为G蛋白偶联受体的内源性 配体，能使胞内Ca2＋浓度增加，同时能明显抑制肿瘤 细胞的迁移和侵袭。 （二）粘附分子与肿瘤转移 粘附因子是一类介导细胞与细胞、细胞与 细胞外基质间粘附作用的膜表面糖蛋白。 在肿瘤转移的每个环节均包含粘附与分离 （粘附、解聚）两个方面。 细胞与细胞\细胞与间质间的粘附 • 同源细胞间的粘附：E-钙粘连素；在肿瘤转 移的某些环节上发挥重要作用。 • 异源细胞间的粘附：选择素；肿瘤细胞与血 小板、内皮细胞和基质细胞的结合。 • 肿瘤细胞主要通过整合素（integrin）与细胞 外基质结合 钙依赖性粘附素（cadherin） • 是跨膜糖蛋白家族，主要介导同源细胞间的连接。 • 根据存在的组织细胞不同分为三类： E型：分布于上皮细胞，负性调控肿瘤侵袭。 P型：分布于胎盘的基底层。 N型: 分布于神经组织。 选择素（selectin） • P型：肿瘤细胞与血小板的粘附结合 E型：肿瘤细胞与内皮细胞的结合 L型：存在于白细胞表面，白细胞与其他细胞结合 肿瘤转移的一些关键步骤如循环肿瘤细胞的聚集 和癌栓的形成，以及肿瘤细胞与特定脏器脉管内皮的 粘附结合都有选择素的参与。 整合素（integrin） • 一组细胞表面跨膜蛋白受体，其配体为细胞外基 质（ECM）成分，整合素由 α和β两个亚基组成。 • 主要功能是参与不同细胞间的粘附、介导细胞与 ECM的结合等。 • 直接介导肿瘤细胞与基质的粘附；通过信号转导 调控细胞骨架变形和能量代谢；诱导蛋白溶解酶 活化；启动细胞逃逸机制抑制细胞凋亡。 免疫球蛋白类粘附分子： 结构上具有同源性，主要参与细胞之间的粘附。 • ICAM-1（内皮细胞粘附分子-1 ）：ICAM-1从肿瘤 细胞表面脱落进入循环系统成为可溶性分子后，可 协助肿瘤细胞逃逸细胞毒T细胞和NK细胞的免疫监视 杀伤效应，促使肿瘤发生转移。 • VCAM-1（血管细胞粘附分子-1 ）：参与协助肿瘤 逸出循环系统，进入继发脏器。 • NCAM（神经细胞粘附分子）：它的功能为信息传 导和调控细胞生长，其缺失可能导致细胞生长失 控和高度转移倾向。 （三）血管生成与肿瘤转移 肿瘤的生长和转移与血管形成密切相关 。 肿瘤新生毛细血管是在周边组织原有的血管基 础上延伸扩展形成的。 肿瘤本身能诱导血管的形成。 血管新生包括以下步骤： 1、血管内皮基质膜溶解 2、内皮细胞向肿瘤组织迁移 3、内皮细胞在迁移前沿增殖 4、内皮细胞管道化、分支形成血管环 5、形成新的基底膜 血管新生是血管生长因子和血管生 长抑制因子均衡作用的结果 血管生成刺激因子 ：VEGF、 FGF、 EGF 、 angiogenin 、TNFα等 血管生成抑制因子： angiostatin、 endostatin、 （四）纤溶酶及其调节因子与肿瘤转移 纤维蛋白溶解酶能水解大多数细胞外基质物 质，在血管形成、肿瘤细胞脱落、基质浸润、 侵入和逸出循环系统、继发脏器移行和微环境 改造等发挥重要作用。 由纤溶酶原（plasminogen）在PA和PAI调 节生成。 PA包括组织型（tPA）和尿激酶型（uPA）两 类，二者均激活纤维蛋白溶解酶原的作用 tPA 可促使肿瘤细胞降解细胞外基质， uPA 促进肿瘤侵袭和转移的效应主要表现在参与血管生成、 细胞迁移、细胞外基质降解和组织结构重建等过程，在 肿瘤转移中发挥更重要作用。 PAI的分类和功能 PAI可抑制PA的活性，从而起到控制和阻断肿瘤侵 袭转移的作用。 PAI1 存在于血小板、血浆，为uPA的主要抑制剂 。PAI1 也广泛存在于肿瘤细胞周围组织中以及肿瘤实质内，阻 断肿瘤转移 。 PAI2（46.6KD） 主要表达于单核巨噬细胞系统，在部分肿瘤中高表 达，但对不同肿瘤其意义有所不同。 PAI3 属蛋白酶连接素，功能不清。 （五）基质金属蛋白酶及其抑制剂与肿瘤 转移 细胞外基质的溶解酶系统由一个庞大的蛋白 溶解酶家族组成，称为基质金属蛋白酶（MMPs）。 MMPs及其抑制剂（TIMP）在肿瘤侵袭和转移 过程中担任重要角色。 MMPs可分为：胶原酶、明胶酶、间质溶解蛋 白等19种之多。 MMP的功能及其调节 1、降解细胞外基质，促进肿瘤细胞进入脉管系 统。 2、促进原发瘤和继发瘤的生长，创造肿瘤生长和 扩散的微环境。 3、促进血管生长的作用，MMP2在毛细血管末梢形 成及内皮细胞基底膜形成中发挥重要作用。 4、MMPs在细胞外以非活性的酶原存在，需要活化后才 能发挥生物学功能。 5、 抑制调节包括特异性组织抑制剂如TIMP1～4和大 量非特异性蛋白酶抑制剂，是目前发展最快的抗 癌药物。 TIMP: 金属蛋白酶组织抑制剂 • 参与基质胶原酶的代谢，使其失活。 • 对肿瘤转移的抑制作用主要在侵袭阶段。 • 还具有抑制血管增生的作用。