癌基因与抑癌基因

癌基因与抑癌基因癌基因与抑癌基因 癌的生成涉及多种基因和基因以外 的变化，单独一种基因的突变不足以 致癌，多种基因变化的积累才能引直 控制细胞生长和分化的机制紊乱，使 细胞的增生失控而癌变。在这些基因 的变化中最常发生的两类基因的异 常变化是：癌基因（oncogenes）及抑癌 基因（cancer suppressor genes,也称肿 瘤抑制基因，tumor supp ressor genes, 或抗癌基因，anti-oncogenes）的变化。 一、癌基因 逆转录病毒癌基因 癌基因是指其编码的产物与细胞 的肿瘤性转化有关的基因。它以显性 的方式作用，对细胞生长起阳性作用， 并促进细胞转化。它的发现可追溯到 动物致癌病毒的研究。Rous 于 1911 年首先发现鸡肉瘤病毒（RSV），它能 使鸡胚成纤维细胞在培养中转化，也 能在接种给鸡后诱发肉瘤。以后的研 究证明，它是一种 RNA 逆转录病毒 （retrovirus）。它除含有病毒复制所需 的基因（如 gag、pol 及 env）外，还含 有一种特殊的转化基因，能导致增养 的细胞转化和呈恶性表型，也能在动 物中引起恶性肿瘤，这种基因被称为 病毒癌基因（v-onc）。每一个被发出一 癌基因就是 RSV 的 v-src,它编码一种 蛋白质相对分子质量为 60000，是第 一个被鉴定的蛋白质-酷氨酸激酶， 也是刺激细胞增生的信秘途径的关 键成分，以后从许多动物中分离出 40 余种高度致癌的逆转录病毒，并从中 鉴定出 30 余种病毒癌基因（表 2-1）。 病毒性癌基因的起源前癌基因 的发现 病毒性癌基因既然不是参与病毒 复制生活周期中的组成部分，那么它 们是从哪能里来的呢？它们又是怎 样整合到病毒基因组中去的呢？此 项研究最终导致人 表 2-1 逆转录病毒癌 基因 v-onc 病毒名称 动物品种 abl Agelson 白血病 小鼠 akt AKT8 病毒 小鼠 cbl Cax NS-1 小鼠 crk CT10 肉瘤 鸡 erbA 禽类成红血细胞增生症 ES4 鸡 erbB 禽类成红血细胞增生症 ES4 鸡 ets 禽类成细血细胞增生症 E26 鸡 fes Gardner-Arnstein 猫肉瘤 猫 fgr Gardner-Rasheed 猫肉瘤 猫 fins McDonough 猫肉瘤 猫 fos FBJ 小鼠成骨肉瘤 小鼠 fps Fujinami 肉瘤 鸡 jun 禽类肉瘤 17 鸡 kit Hardy-Zuckerman 猫肉瘤 猫 maf 禽类肉瘤 AS42 鸡 mos Moloney 肉瘤 小鼠 mpl 骨髓增生性白血病 小鼠 myb 禽类髓母细胞增生症 鸡 myc 禽类髓细胞瘤病 鸡 qin 禽类肉瘤 31 鸡 raf 3611 小鼠肉瘤 小鼠 rasH Harvey 肉瘤 大鼠 rask Kirsten 肉瘤 大鼠 rel 网状内皮增生症 火鸡 ros UR2 肉瘤 鸡 sea 禽类成红血细胞增生症 S13 鸡 sis 猿猴肉瘤 猴 ski 禽类 SK 鸡 src Rous 肉瘤 鸡 yes Y73 肉瘤 鸡 类癌症中的细胞癌基因（c-onc）的发 现。最初是从分离 Abelson 小鼠白血 病病毒中发现的一种新癌基因 abl， 可能来自宿主细胞基因，它速合到病 毒基因给内，产生新的高度致癌病毒， 形成病毒一宿主重组的产物。以后， Varmus 和 Bishop 等于 1976 年证实 src 基因的 cDNA 探针能下正常鸡细 胞 DNA 密切相关的序列杂交,并且在 广泛范围脊椎动物(包括人)的正常 DNA 中亦可发现,说明它在时化中是 高度保守的.由引证实逆转录病毒癌 基因来自正常细胞中的相关基因,这 种正常、末改变的细胞基因被称为前 或原癌基因（proto-oncogenes）。它们 是生物细胞基因组的正常成分，其编 参政的蛋白质（如 src、ras 及 raf 等） 参与调节正常细胞的生长与分化，是 在控制细胞增殖的信息转导途径中 起作用。它们既可以被导入逆录病毒 而活化成病毒癌基因（v-onc），也可因 突变或异常表达而活化成细胞癌基 因（c-onc）。活化的癌基因能诱导细胞 的异常增殖和肿瘤发生。 细胞癌基因的特征与分类 癌基因在几方面不同于相应的前 癌基因：（1）首先，癌基因常常比前癌 基因呈更高水平的表达，并有时在不 适当的细胞类型中转录。这种工因表 达的异常有时就足以使正常功能的 前癌基因转变成能推动细胞转化的 癌基因。 （2）癌基因编码的蛋白质在结 构和功能上不同于由前癌基因编码 的蛋白质。如 raf 前癌基因编码的蛋 白质是由一个氨基端的调节区和一 个羧基端的蛋白质激酶区组成的；而 病毒 raf 癌基因（v-raf）蛋白质却缺少 该调节区并由病毒的 gag 基因序列所 替代，结果 Raf 蛋白质激酶区呈组成 性激活，可引起细胞转化。导致产生 这种融合性蛋白质活性的调节区缺 失，从而产生以失去调节的方式起作 用的癌基因蛋白质，推动细胞增生并 导致转化。 （3）不同于相应的前癌基因， 许多癌基因由点突变，导致癌基因产 物中单个氨基酸的替换，而丧失其调 节的活性。一个重要的例子是 ras 癌 基因：ras 癌基因之不同于其前癌基因， 是由于点突变导致单个氨基酸的替 换，使密码子 12 从 GGG（甘氨酸）改 变成 GTG（缬氨酸），致使从人膀胱癌 提取的 DNA 能诱发培养中小鼠细胞 的转化。这是第一次在人癌中发现有 生特学活性的细胞癌基因。它是由 Weinstein 和 Cooper 分别在 1981 年 年转基因的实验中发现的，他们用从 人肿瘤中提取的 DNA，转染培养小 鼠 NIH/3T3 成纤维细胞，成功地诱发 其转化，证明人肿瘤细胞中含有细胞 中含有细胞癌基因。它们中有的是以 前在逆转录病毒中鉴定的病毒癌基 因的细胞同源物，由细胞中的前癌基 因经突变而产生；有的则是在肿瘤发 生过程中由 DNA 重组而产生的新的 癌基因。此后，用基因转染试验研究 等在 10%15%的人肿瘤中检测出许 多种细胞癌基因。癌基因可以根据它 们相应的前癌基因在正常细胞中所 编码的蛋白质的功能来分类 ：包括 多肽类生长因子、生长因子受体、细 胞内信息途径的成分及转录因子；也 可根据它们被活化的机制来分类：除 了点突变外，还有其他多种机制可使 前癌基因激活成癌基因，包括碱基的 易位、扩增、重排、过度表达等；还可 以垠据前癌基因的亚细胞定位及其 体外转化的特性而分成两大类：一类 编码膜受体蛋白质，大多具有蛋白质 -酪氨酸激酶的活性；或位于胞质内的 蛋白质，属于胞质组，能经起 NIH/3T3 细胞，但能提供细胞在培养 中的无限期生长能务，主要参与控制 基因转录、调节细胞生长和分化。这 两类基因需要它们的互补联合作用， 才能使细胞充分转化成具有致瘤性。 这种基因之间的互补性合作可能与 人类肿瘤发生的多阶段发展也有一 定关 2-2 介绍几种具有代表性的人类 肿瘤癌基因及其分类。 表 2-2 人类肿瘤的代表 性癌基因及其分类 前癌基因作用 癌基因 活化机制 亚细胞定位 人类的肿瘤 生长因子： PDGF- 链 sis 过度表达 细胞 外 星形细胞，骨肉瘤，乳腺癌等 FGF hst-1 过度表达 细胞外 胃癌，胶质母细胞癌 int-2 膀胱癌， 乳腺癌，黑色素瘤 生长因子受体： （具蛋白质激酶活性） EGFR 家族 erb-B1 过度表达 透 膜 肺鳞癌，脑膜瘤，卵巢癌等 erb-B2 扩 增 透膜 乳腺癌，卵巢癌，肺癌，胃癌等 erbB-3 过度表达 透膜 乳腺癌 csf-1 受体 fms 点 突 变 透膜 白血病 参与信息转导蛋白质： 结合 GTP H-ras 点 突 变 胞 膜内 甲状腺癌，膀胱癌等 K-ras 点 突 变 胞膜内 结肠癌、肺癌、胰腺癌等 N-ras 点 突 变 胞膜内 白血病，甲状腺癌 非受体酪氨酸激酶 abl 易 位 胞 膜内 慢性髓性及急性淋巴细胞性 白 血病 细胞核调节性蛋白质： 转录活化物 c-myc 易 位 核 内 Burkitt 淋巴瘤 N-nyc 扩 增 核 内 神经母细胞瘤，肺小细胞癌 L-myc 扩 增 核 内 肺小细胞癌 第一个被鉴宣扬人类癌基因是 ras 基因。ras 基因家族的三个密切相关 成员：H-ras、K-ras 和 N-ras 是在人类 肿瘤中最常见的癌基因，它们在大约 15%的人类恶性肿瘤中被检出，包括 50%的结肠癌和 25%的肺癌。除了第 12 号密码子的点突变引起单个氨酸 基酸的替换上外，第 13 号和第 61 号 密码子上的替你在人类肿瘤中也较 常见。在动物模型中曾发现化学致癌 剂可引起 ras 前癌基因突变而转变成 异常表达的癌其因，证明了致癌剂的 致突变作用与细胞转化之间的直接 联系。ras 前癌基因编码鸟嘌呤核甘 酸结合蛋白，在转导来自多种生长因 子受体的致核分裂的信息中起作用。 Ras 蛋白的活性是由强合鸟苷二磷酸 （GDP）所控制，使它在有活性（与 GTP 结合）及无活性（与 GDP 结合） 状态之间转换。而突变的 ras 癌基因 则具有维持 Ras 蛋白质在组成上活 性（GTP 结合）构型的效应。此效应 使 Ras 蛋白质对 GTP 酶活化蛋白 （GAP）的反应无效，而 GAP 的作用 是刺激由正常 Ras 结合的 GTP 水解， 结果是降低了细胞内 GTP 酶的活性， 使 Ras 蛋白质保持了呈活性的 GTP 结合状态，可能促进细胞增生的失调 而致癌。 由染色体易位活癌基因的例子很 多，如人 Brikitt 淋巴瘤中 8 号染色体 的一个片段易位至 14 号染色体免疫 球蛋白重链的基因麻上，这种易位使 前癌基因 c-myc 插入到免疫球蛋白 的基因痤，以失调节的方式表达而成 为癌基因，编码转录因子，对生长因 子的刺激起反应，推动细胞增生而致 癌。易位也可引起前癌基因编码的序 列重排而形成异常的基因产物，如在 慢性髓性白血病中，9 号染色体的一 个片段易位至 22 号染色体，使 abl 前 癌基因与 bcr 融合，产生 Bcr/Abl 融 合蛋白质，见图 2-1，基中 Abl 蛋白质 的氨基端被 Bcr 氨基酸序列替换，导 致 Abl 蛋白质酪氨酸激酶异常活和 改变其亚细胞定位，导致细腻包转化 而致癌。 在肿瘤细胞中基因扩增，比在正常 细胞中多 1000 倍，使肿瘤细胞生长 更快和增加恶生表型。如在神经母细 胞瘤中，N-myc 的扩增与快速生长及 增加侵袭性有关；另一种癌基因 erb- B2 的扩增则与乳腺癌及卵巢癌的进 展有关。 二、抑癌基因 细甩癌基因的活化仅代表参与肿 瘤发生的基因变化之一，另一种变化 是抑癌基因的失活。抑癌基因正常时 起抑制细胞增殖和肿瘤发生的作用。 许多肿瘤均发现抑癌基因的两个等 位基因缺失或失活，失去细胞增生的 阴性调节因素，从而对肿瘤细胞的转 化和异常增生起作用。由于其这种隐 性的性质，它们也被称为隐性癌基因， 而胚像显性癌基因那样容易被检出。 抑癌基因的发现和鉴定 在 70 年代广泛研究癌基因之前， 通过体细胞杂交、流行病统计学及细 胞遗传学分析已指出，存在能抑制细 胞转化的基因表型。关于肿瘤细胞的 增生能被某种基因产物抑制的概念， 首先来自体细胞杂效试验。Harris 于 1969 年发现，正常细胞与肿瘤细胞融 合所产生的杂交细胞不再具有致瘤 性，提示从正常细胞来的某种基因起 抑制肿瘤发生的作用。而当融合细胞 丧失了含有这种特殊基因痤的染色 体时，则可以重现其致瘤性，从而证 明该染色体携带抑癌基因。 位于染色体 13p14 的 Rb 基因是第 一个被发现和鉴定的抑癌基因，它是 在研究少见的儿童视网膜母细胞瘤 中发现的。Kundsom 通过流行病调查 发现，这类肿瘤中的 40%具家族性， 有遗传倾向，多发生在婴儿，肿瘤常 呈双侧性多个发生，如早期检出并作 外科手术切除，患者长大后仍有发生 骨肉瘤等危险。其余 60%为散发性， 无家族史，发生于幼儿，常为一侧单 个肿瘤，比较少见。Kundsom 根据统 计分析，提出“两次打击”假说来解释 这两种类型的肿瘤的发生。在家族性 病例中，首次“打击”（突变）姓在种系 细胞中，从亲代遗传一份有缺陷 Rb 基因拷贝，而另一份是正常的拷贝。 单位 Rb 等位基因，而在散发性病例 中，两次“打击”均发生在同一体细胞 （视网膜母细胞）内，使两份正常的 Rb 等位基因均突变而失活。这种机 会一般较少（1/30000）。细胞遗传学研 究发现，在某些视网膜母细胞瘤患者 的细胞中有染我体 13p14 的缺失，提 示缺失 Rb 基因可能导致肿瘤的发生。 利用 Southern 印迹技术检测限制性 片断长度多态性（RELP）可以检测等 位基因正常杂合性丧失（loss of heterozygosity,LOH）基因转移实验也 证明引入正常的 Rb 基因到培养的视 网膜母细胞瘤或骨肉瘤基因。虽然 Rb 基因是在少见的儿童视网膜母细 胞瘤中被发现和鉴定的，但后来也在 成人的某些常邮肿瘤，如膀胱癌、乳 腺癌及肺癌中发现它丧失或失活。 此后相继发现和鉴定了许多其他 抑癌基因，它们对许多不同的人类癌 症的发生起作用（见表 2-3）。其中有 些被确定为少见的遗传达室性癌症 的原因，有些则在常见的非遗传性成 人癌症中呈缺失或突变。大多数抑癌 基因既参与遗传性癌，也参与非遗传 性癌的发生。有些抑癌基因的突变是 导致人类肿瘤发生的最常见的分子 改变。如第二个被鉴定的抑癌基因 p53 在大多数的人类癌症如白血病、 淋巴瘤、肉瘤、脑瘤、乳腺癌、胃肠道 癌及肺癌等癌症中常呈失活现象。 p53 的突变可见于高达 50%以上的人 癌中，它是人类恶生肿瘤中最常见的 基因改变。遗传性 Li-fraumeni 癌症 综合征的家族成员中见有种系细胞 中的 p53 突变。患者年轻时就可发生 骨肉瘤，其亲属可发生肾上腺皮质癌、 乳腺及脑肿瘤等许多类型的恶生肿 瘤。p53 基因的产物调节细胞周期和 细胞凋亡。致突变因子引起的 DNA 破坏，迅速诱导 p53，它的激活依赖 周期素激酶(cdk)的抑制物 p21 的转 录。p53 产物能阻继细胞周期于 G1 期，并结合增殖细胞核抗株（PCNA） 而抑制 DNA 复制，使破坏的 DNA 在复制之前有修复的时间。如果不能， 它还可以引起细胞凋亡，清除携带有 突变的细胞。而有突变的 p53 产物则 丧失了 DNA 破坏后细胞周期停顿的 能力，导致突变频率的增加，及细胞 基因组的不稳定性。这种基因的组的 不稳定性是癌细胞的一种常见物特 征，它在肿瘤进展中可对癌基因和抑 癌基因进一步改变的积累起作用。缺 乏 p53 的肿瘤细胞不能凋亡，维持了 肿瘤细胞的生存，也能增加了对化疗 药物和放射治疗的耐药性和抵抗性。 p53 失活对肿瘤细胞生存的这些作用， 解释了人类恶性肿瘤中高频率的 p53 突变。 表 2-3 列出在人类肿瘤中已发现和 鉴定的抑癌基因。新的抑癌基因在不 断涌现，如与乳腺癌发生有密切关系 BRCA1 和 BRCA2，与胰腺癌有关的 DPC4，与肾细胞癌有关的 VHL 等抑 癌基因已被发现；还有与肝癌有关的 M6P/IGF2r 基因，位于染色体 3p14。2 上的 FHIT 基因等也是抑癌 基因的候选者。 表 2-3 人类肿瘤中已发 现和鉴定的抑癌基因 染色体 与基因突变有关的肿瘤 基因 基因产物的功能 定 位 体细胞突变 种系突变 Rb 13p14 核磷酸蛋白 视网膜母细胞瘤 视网膜 母细胞瘤 调节转录因子 骨肉瘤，乳腺癌，前 骨肉瘤 介导细胞生长、 列腺癌膀胱癌，小细 分化、发育的控制 胞肺癌等 p53 17p13.1 转录因子、控制 脑、乳腺、结直肠、胃 Li- Fraumeni 综合征 细胞周期和凋亡 食管，肝与肺癌，肉瘤菌 （肉瘤、 乳腺癌、脑 白血病等 瘤等） APC 5q21 结合 连环蛋白 结肠、胃及胰腺癌等 家 族性腺瘤性息肉病 调节细胞粘附和 细胞骨架的关系 DCC 18q21 透膜细胞粘附分子 结肠、胃癌 ？ WT1 11p13 转录调节蛋白 肾母细胞瘤（Wilms 瘤） Wilms 瘤 抑制基因转录 NF1 17q11 起 GAP 样作用 神经鞘瘤 型神 经纤维瘤病 下调 Rsa 蛋白 NF2 22q12 ? 神经鞘瘤，脑膜瘤 型神经经 纤维瘤病 听神经瘤、脑膜瘤 三、癌基因与抑癌基因的特性比较和 相互作用 癌基因与抑癌基因这两类似乎是 作用于矛盾的基因之间的精细平衡 控制着细胞的生长，它们在癌生成中 的相互作用充分说明了自然界中阴 阳两个对立面之间 相生相克、相辅 相成的辩证统一法则。表 2-4 列出癌 基因与抑癌基因特性的比较。 表 2-4 癌基因与抑癌基因 特性的比较 特 征 癌 基 因 抑 癌 基 因 突变等位基因的功能 获得功能，以 显性方式起 丧失功能，以隐性方式 起 作用 作用 致癌所需突变等位基 因的数目 1 2 可通过种系遗传 现尚无例子 常有遗传的形式 体细胞突变的致癌作用 有 有 突变有组织的特异性 有一些，但能 在许多组织中 遗传型常显示组织优 先选择性 起作用 始自 20 世纪 80 年代后期，癌症 的研究开始注意癌基因各抑癌基因 产物的相互作用，并提出每种生长调 节基因通过反馈机制调节其他基因 的概念。 DNA 肿瘤病毒的癌基因蛋白质灭活 Rb 和 p53 抑癌基因蛋白质 多种 DNA 肿瘤病毒基因编码的 蛋白质可结合和（或）灭活宿主的抑 癌基因蛋白质 Rb 和 p53，导致细胞 分裂和增殖失控：如猿猴 40（SV40） 病毒的大 T 抗原、腺病 E1A 和 E1B 及乳头状瘤病毒的 E6 和 E7 等基因 蛋白质，它们的转化作用都是通过干 扰 Rb 和 p53 的活性而使细胞周期的 调节改主所致。 mdm2 及 p53 自家调节反馈途径 mdm2 癌基因编码的一种相对分 子质量为 9000095000 蛋白质，能与 p53 形成复合物，抑制其反式激活功 能，故 mdm2 能抑制野生型 p53 的抑 制转化能务，导致细胞转化。 p53 蛋折质在转录水平上正调节 mdm2 基因，促进其转录，而 mdm2 蛋白质相反能结合和灭活 p53 蛋白 质，形成自我调节反馈途径。反馈途 径的异常改变，如 mdm2 的扩增或 mdm2 的活性改变，都会引起细胞生 长的失控。在人的软组织肉瘤、乳腺 癌及胶质瘤中曾发现 mdm2 的过度 表达，支持 mdm2 的扩增，灭活 p53 而导致细胞转化。 c-myc 和 Rb 的复合作用 c-myc 癌基因蛋白质可结合 Rb 蛋 白质 C-端的 35 个氨基酸，并与 SV40 大 T 抗原、腺病毒 E1A 及乳头状瘤 病毒 E7 等蛋白质相竞争，表明它们 结合 Rb 的重叠区域，且在病毒进化 中是保守的。在 Rb 磷酸化时，E2F 转 录因子被释放，可