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第十五章 肿瘤的分子生物学 l一、恶性肿瘤发生的分子机制 l恶性肿瘤细胞的生物学特性 l恶性肿瘤的发生分子机制 恶性肿瘤细胞的生物学特性 l无限增殖能力，可在体内形成瘤块 l细胞分化幼稚、原始 l细胞寿命长，有的在体外可长期培养 、传代建系 l细胞有定居、侵袭、迁移、转移能力 l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 l1.癌基因致癌的分子机制 l2.抑癌基因及其致癌的分子机制 l3.抑癌基因改变的分子基础 l4.其他恶性表型相关的基因 l5.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 l逆转录病毒与癌基因V-onc基因 l人原癌基因C-onc与V-onc的关系 l原癌基因异常激活机制与肿瘤发生的 相关性 l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 l逆转录病毒的基因结构 lRV致细胞转化的性质 lV-onc基因 逆转录病毒的基因结构 l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 l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；大多可使体外培养的细胞发 生细胞转化。 l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。 l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 l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） 人原癌基因C-onc与V-onc的 关系 l人原癌基因C-onc与V-onc同源 lC-onc基因与特定肿瘤的关系 lC-onc转化试验依据 人原癌基因C-onc与V-onc同源 lV-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） l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。 lC-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 lC-myb：白血病，淋巴瘤，卵巢癌 lC-myc：Burkitt淋巴瘤，肺癌，乳腺癌等 lC-ehl：慢性粒细胞白血病 lC-msh：肠癌，胰癌，肺癌 lC-gip：卵巢癌，肾上腺癌 lC-gsp：垂体腺癌，甲状腺癌 lC-ret：甲状腺癌 C-onc转化试验依据 l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 lC-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。 l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 l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-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 l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 l易位是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 l指原癌基因被5-LTR插入后由LTR中的 启动子产生异常激活。 l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-myc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 lC-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 l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，大致分类如下： l生长因子类的癌蛋白 l生长因子受体类的癌蛋白 l蛋白激酶类癌蛋白 lGTP酶类的癌蛋白 l表达核内转录调控的癌蛋白 l表达调控细胞凋亡的Bcl-2癌蛋白 l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 lC-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。 l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 lC-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。 l受体基因结构包括配子结合区、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 lC-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 lH-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。 lGTP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 lC-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，呈幼稚 类型，即癌。 表达调控细胞凋亡的Bcl-2癌 蛋白 l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。 lBcl-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 l概念 lRB基因 lp53基因 lWT1基因 lDCC基因和APC基因 lNF1基因 lMTS1基因 lWAF1基因 lBRCA1和BRCA2基因 概念 l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。 l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。 l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 l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。 l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 肿瘤发生。 p53基因 l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 。 l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 l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。 lWT1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 lDCC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。 lAPC基因称腺瘤样结肠息肉基因。APC基因异 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 lNF1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 l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 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 l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 l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 l错配修复基因 l守门基因和看护基因 错配修复基因 l在DNA复制过程中可能有编码错误的核苷酸， 正常情况下，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 l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。 l看护基因是指能保持细胞基因组稳定性而与细 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 l与肿瘤细胞锚定黏附能力有关的分子 机制 l与肿瘤侵袭、转移能力有关的分子机