癌基因-抑癌基因与信号网络

1、癌基因oncogene : 其编码的产物能导致正常细胞转化为癌细胞，其效应是显性的 病毒癌基因v-onc: 病毒(大多数为逆转录病毒)基因组中能诱发肿瘤的核酸片段，如v-Src。它不编码病毒的结构成分，对病毒复制也没有作用 原癌基因（细胞癌基因）c-onc： 与癌基因同源、正常细胞内调控生长和分化的基因，变异后成为癌基因,第一节 癌基因与信号通路,一、病毒癌基因和原癌基因 1910年Rous发现鸡肉瘤病毒RSV的致癌作用 1975年从RSV中分离到src癌基因（编码的蛋白质具有酪氨酸激酶活性） 1976年发现正常鸡细胞DNA中纯在和src基因高度相似的序列,原癌基因 特点：广泛存在于正常真核细

2、胞基因组中的正常基因， 高度保守，看家基因，在生长分化发育中起重要作用， 表达受严格调控和时空限制 未激活时无致癌活性，对正常细胞无害，在某些因素作用下，发生数量上或结构上的变化时，才引起细胞癌性转化 生理功能 调节细胞生长增殖，常为生长因子或其受体基因 调节细胞发育分化，调节胚胎器官发育，调节细胞凋亡,病毒癌基因与细胞癌基因比较,1. v-onc通常丢失c-onc两端的某些序列 2. v-onc没有内含子 3. v-onc外显子与同源的c-onc也有微小差别 4. v-onc出现碱基取代或缺失较c-onc常见,常见细胞癌基因表达产物功能分类,1、蛋白酪氨酸激酶受体信号 第一个发现的人类癌基因

3、Ras（小GTP酶） 以Ras为代表的小GTP结合蛋白是很多受体酪氨酸激酶信号传递的汇聚点，也是传递胞外信号的重要途径。 Ras家族有多个高度保守的蛋白，包括H-Ras，N-Ras，K-Ras，R-Ras，Rap1，R-Ras3等,Ras蛋白定位于细胞质膜内表面 Ras蛋白像分子开关一样，在无活性的GDP结合状态和有活性的GTP结合状态间转换。 GEF：鸟苷酸交换因子； GAP：GTP酶 活化蛋白,Ras的功能 Ras依细胞种类和胞外环境不同而有不同的功能。 成纤维细胞：促进细胞进入细胞周期和DNA合成； PC12细胞：导致细胞的终末分化； 成肌细胞：活化的Ras妨碍细胞从细胞周期的退出，并负

4、调节肌肉组织特定的mRNA的转录； Ras能调节细胞的增殖、存活和分化等重要过程； H-Ras和N-Ras基因敲除的小鼠没有任何明显的异常表型，而K-Ras基因敲除的小鼠是胚胎致死的，且还有肝脏和造血系统的异常,Ras和癌症 Ras引发癌症的证据来自于人们发现了具有转化能力的反转录病毒，Harvey和Hirsten肉瘤病毒。这两个病毒里分别含有细胞中H-Ras和K-Ras衍生而来的癌基因。 实验证实：将人肿瘤细胞的基因组DNA转染到NIH3T3小鼠成纤维细胞中，可引起后者转化，然后从转化的癌细胞中分离DNA，得到病毒Ras基因的人类同源基因。 临床数据：Ras在人类15%的肿瘤中因突变而被致癌

5、性地激活，其中在胰腺癌中突变率高达90,Ras的调节蛋白失活 例子： NF1（神经纤维瘤蛋白，neurofibromin） 是Ras的一个GAP。 遗传继承一个NF1的缺陷等位基因，易患I型多发性神经纤维瘤。 如果两个等位基因都失活，则会引发癌变,Ras下游的信号 1. RasRafMAP激酶级联反应（ERK通路） Raf可与Ras结合并被激活。 一旦Raf被激活，它能进一步激活MEK（促分裂素/胞外信号调节激酶激酶, mitogen/ extracelluar signal regulated kinase kinase）。激活的MEK能激活MAP激酶 （胞外信号调节激酶，extracell

6、uar signal regulated kinase, ERK）。活化的MAP能被转运到细胞核内，激活一系列转录因子，启动效应基因的表达，包括c-fos，c-myc。 ERK通路能导致细胞DNA合成增加，促进细胞增殖等,2、癌基因与细胞存活信号通路 细胞存活还是死亡？这是个问题！ 细胞存活或死亡的调节在器官发育和成体正常的生理功能中都极为重要。 多器官生物的发育过程中，一些细胞会凋亡，而另一些细胞会存活。 在成体时期，调节细胞存活才能维持自我平衡。损伤的细胞必须要清除，而终极分化的细胞要维系,Bcl-2蛋白家族 Bcl家族有多于15个家族成员，可以根据功能和Bcl-2同源结构域（Bcl-2

7、homology domain，BH）的数目分为三类。 抑凋亡因子，包括Bcl-2和Bcl-XL，含4个BH结构域（BH1BH4）。 促凋亡因子，包括Bax和Bak，含3个BH结构域（BH1BH3） 含单个BH3结构域的促凋亡因子，如Bid和Bim。 三类蛋白可以相互形成同二聚体和异二聚体,Bcl-2基因位点在多种肿瘤中都有基因异位，如滤泡性淋巴瘤和慢性淋巴细胞白血病。 其它如Ras和Myb等癌基因也能诱导Bcl-2的表达。 在多种癌症中，可以观察到抑凋亡因子的过表达和促凋亡因子的负调控或失活,PI3K依赖的通路 PI3K是一种胞内磷脂酰肌醇激酶（脂质激酶），催化ATP上的-磷酸基团转移到肌醇

8、磷脂上。 PI3K含两个亚基：p85调节亚基+p110催化亚基。 PI3K及其下游的效应因子Akt具有显著的抑制凋亡和促进细胞存活的作用。 抑癌基因PTEN负调节PI3K/Akt通路。PTEN能将磷脂酰肌醇的3位去磷酸化，直接拮抗PI3K的作用,在很多卵巢癌细胞中，编码PI3K的p100催化亚基的基因位点发生了扩增；此外激活性的突变也高频地发生在很多肿瘤中。 Akt是病毒癌基因v-Akt的细胞同源基因。Akt1在原发性胃癌中扩增了20倍。Akt2在胰腺癌，卵巢癌和乳腺癌中发生了基因扩增和过表达。 Akt2的过表达更频繁地发生在低分化的、恶性更高的癌细胞里。 PTEN在很多神经胶质瘤、子宫内膜癌

9、、黑色素瘤、前列腺癌、肾癌和小细胞肺癌中都发生了突变。PTEN位点的生殖性突变可导致遗传性的肿瘤综合征,3、细胞因子受体信号 很多细胞因子、激素和生长因子都能激活一类与RTK不具有序列相似性的受体，这些受体被定义为细胞因子受体。 发现于干扰素的信号传导研究中，现在已知在几乎所有细胞因子信号的传递中，该途径都发挥着重要的作用。 促红细胞生成素受体的突变可导致致癌性激活，使得它的活性得到组成性增强，并能使造血系统的靶细胞癌变,4、神经递质 来自生物体内外部环境的化学及物理刺激被人体感受后悔产生信号，这些信号的传递是有很多被称为神经递质的小分子介导的。 比如：乙酰胆碱、肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴胺

10、、血管紧张素、脑啡肽等等。 配体引发两种受体：一种是离子通道偶联受体，另一种是有7个跨膜结构域的受体，后者能与G蛋白异三聚体结合,当与特异的配体结合后，G蛋白偶联受体（GPCR）发生构象变化，造成它从失活的GDP结合状态转换到GTP结合的活化状态，激活下游信号。 主要的下游效应因子为蛋白激酶A（PKA），蛋白激酶C（PKC）和钙离子信号。 GPCR能激活不同的调节细胞分化和增殖的传导通路。 促甲状腺激素受体的突变激活在甲状腺瘤和甲状腺癌中经常发生，生殖系突变能导致家族性的甲状腺功能亢进。 GPCR和G蛋白在癌细胞里最通常的活化机制是受体过表达和自分泌刺激,5、Wnt信号通路 Wnt是一个高度保

11、守的多成员配体家族，在躯体模板形成和细胞命运决定的很多发育过程中起重要作用。在成体中，Wnt在干/祖细胞的增殖和分化中很重要。 在一些乳腺癌和卵巢癌里，Wnt信号通路因为自分泌机制而处于组成性激活状态。 更常见的是Wnt通路的下游分子参与癌症的发生。 -catenin的磷酸化位点突变，抑制了其降解，使其累积在胞质和核内，持续发挥作用,1. 基因突变 2. 基因扩增 3. 基因重排 4. 病毒的插入,三、原癌基因的激活机理,C-onc只有在出现某些异常时才有致癌作用。原癌基因变为癌基因，癌基因为显性正调控基因,癌基因不表达表达 受控制不受控制 称癌基因激活（恶性激活） 不致癌致癌,基因突变 例如

12、，Ras蛋白第12，13，59，61位密码子中任何1个发生突变时，GTP酶活性低1000 倍左右。突变后Ras不能迅速水解GTP-GDP，结果使Ras持续处于GTP结合的激活状态，能够在没有生长因子刺激的情况下激活下游生理事件，使细胞持续增殖，导致肿瘤发生。 癌性的Ras能够使永生化的啮齿类成纤维细胞核表皮细胞发生癌变，但是Ras单独不能使原代小鼠和人得成纤维细胞发生癌变，而是会使这些细胞永久性的生长停滞，被称为“复制休止”，类似于原代细胞在体外培养多次传代以后的现象。这种休止反应取决于p16INK4A和p53这些抑癌基因的功能,基因突变,染色体易位与基因重排 染色体易位：染色体一部分跑到（易

13、位）另一染色体上去了 基因重排：DNA分子一部分断链，新的部位重接，然后基因发生重新排列组合的过程。 染色体易位往往导致基因重排，对原癌基因产生两种后果： 表达融合蛋白易位使原癌基因与其它基因重排在一起，产生一个融合基因，表达一个融合蛋白，这个蛋白具有转化活性 原癌基因异常的异位表达将原癌基因置于另一个旺盛表达基因的控制之下，就会使之异常的异位表达,易位基因融合导致原癌基因产物功能激活 如慢性粒细胞性白血病（Chronic Myelognous Leukemia, CML）存在染色体易位和基因融合 易位： t（9；22），9号染色体和22号染色体 融合：产生“ bcr-ab1”融合基因， 激活

14、：融合基因产物具有增强酪氨酸激酶的活性 致癌：改变了细胞多种蛋白质酪氨酸磷酸化水平和细胞微丝机动蛋白的功能，从而扰乱了细胞内正常的信号传导途径，使细胞失去了对周围环境的反应性，并抑制了凋亡的发生 。 Ph（Philadelphia）染色体，1960年在费城首次发现的,染色体易位导致原癌基因的转录激活 滤泡性淋巴瘤中，凋亡抑制蛋白BCL2基因与免疫球蛋白重链启动子融合，受其调控，结果使BCL2蛋白过量表达，抑制细胞正常凋亡,基因扩增 一般癌基因多为单拷贝（copy，单拷贝，即1份）基因。原癌基因扩增是基因数量的增加或转录活性的增加，产生过量的表达蛋白也会导致肿瘤的发生。 拷贝数（copy num

15、ber ） 细胞所含的按每一基因组计算的某种质粒或基因的数目 在基因扩增过程中，正常DNA复制（replication）过程出现严重“漏洞”。结果是，从染色体（chromosome）某一区域复制出的不是一个复制本而是许多个复制本,癌基因扩增的染色体结构有： 双微体 ：扩增区域的复制本产量如此多，实际上形成了它们自己的小的假染色体。扩增片段游离于染色体外，可见为双球形小体，也叫点状假染色体。 均染区：是染色局部扩增形成的 。扩增的DNA片段位于染色体内，形成大段的扩增区域，在染色体显带染色时，可见正常条带之外的匀质染色体区域。 姊妹染色单体非均等交换：姊妹染色单体之间发生了非均等交换，结果一个子

16、细胞中该染色体较长，具有同源重复（基因扩增），另一个细胞中对应的染色体较短（基因删除）。 结果：癌基因表达异常增多,基因扩增,多药耐药基因( Multiple Drug Resistance， MDR)扩增 肿瘤细胞对一种化疗药物产生耐药性后，对其它的多种化疗 药物也产生不同程度的药耐性，致使药物的疗效不断的下降。 是化疗失败的重要原因。 MDR1基因编码一个跨膜蛋白，起到阻止某些药物进入细胞内，将进入细胞的药物排出的作用。正常情况下，该蛋白的的这两种作用对于大剂量的化疗药物而言是微不足道的。 MDR1基因常会发生扩增，使产物量非正常地增多,病毒基因组插入 前病毒 整合到宿主染色体中去的病毒D

17、NA（不管是源于DNA还是RNA病毒）称之为前病毒。这段DNA可随宿主DNA一起复制传给子细胞。 1、转录激活 获得启动子与增强子。当逆转录病毒的长末端重复序列（含强启动子和增强子）插入原癌基因附近或内部时，启动下游基因的转录，导致癌变,1987年Hayward和Astrin等同时发现禽蛋白血病毒（avian cell kemia virus ALV）感染细胞后，可以激活细胞c-myc原癌基因，诱发 鸡B细胞淋巴瘤。 ALV本身没有转化基因，即v-onc，但其病毒两端LTR的启动子启动c-myc的转录，该启动子不受细胞的调控，持续转录c-myc，导致细胞癌变。 LTR的增强子可以强化启动子的这

18、一作用。 还可促进c-myc本身的启动子发挥作用。 带有v-onc的病毒插入基因组后，也可归于这一类,2、翻译激活 实验证明，翻译效率与起始密码前的5非编码区的AUG有关，该AUG称5-AUG，去掉5-AUG，翻译效率就提高。 例如，1988Marth JD发现病毒引起的LCK原癌基因的激活就属此例。在LAStRA淋巴瘤细胞中，由于lck编码的酪氨酸蛋白激酶的激活而导致白血病的发生。 激活的原因是： 前病毒Mo-MLV（moloney 小鼠白血病病毒）插入使宿主基因发生了重排，重排后LCK基因的转录（transcript）起始于前病毒LTR，使LCKmRNA转录提高了7倍，翻译产物提高了50多

19、倍,宿主细胞因此失去了（正常LCKmRNA5非编码区的）177bp，取而代之的是病毒LTR240bp 正常的LCK mRNA 的起始密码（AUG）前有3个5AUG 5 LCK AUGAUGAUG AUG 3 点突变使第2个AUG变为CUG，翻译效率增加3-4倍 使5端138bp核苷酸颠倒而 清除3个AUG翻译效率增加7倍 缺失138bp核苷酸序列，翻译效率增加9-10倍。 正常情况下，含5-AUG的基因在哺乳类基因中仅占10%，而在原癌基因中表达65%，可见原癌基因受到严密的调控，这是一种调控机制,五、几种主要的原癌基因,ras基因:信号转导蛋白中的小G蛋白 H-ras,K-ras,N-ras

20、 ？ ras癌基因：点突变为主要激活方式 肿瘤检出率为10%-15% Ras水解GTP下降，处于激活状态， 不与信号物质结合也传递生长信号 myc基因：核转录因子，与DNA结合 NF bcl-2基因：膜蛋白，抑凋亡，与myc协同抑制p53,正常细胞内，抑制细胞生长、增殖，具有潜在抑癌作用的基因。 此类基因突变、缺失或失活，引起细胞恶性转化，导致肿瘤,抑癌基因（anti-oncogene,肿瘤抑制基因（tumor suppressor gene,第二节 抑癌基因,一、抑癌基因的发现 细胞融合技术，肿瘤细胞 与正常细胞融合，成瘤能力受抑制 视网膜母细胞瘤 家族缺乏Rb基因 二次打击学说：等位基因之

21、一突变来自 亲体，第二次突变是体细胞突变，纯合缺陷导致肿瘤,Knudson的二次突变学说,20世纪70年代，Alfred Knudson 提出了肿瘤抑制基因模式，以解释遗传性视网膜母细胞瘤（retinoblastoma，RB）的发病机制,遗传性肿瘤病例中，第一次突变发生于生殖细胞，并且传递给胚胎发育的每一个体细胞，第二次突变随机发生在体细胞中。在这种情况下，双侧视网膜的细胞都有可能发生第二次突变并形成肿瘤。（生殖细胞突变+体细胞突变 遗传性肿瘤） 非遗传性肿瘤是同一个体细胞发生两次独立的突变，而在双侧视网膜同一细胞都发生二次突变的可能性较小。（正常体细胞两次突变 散发性肿瘤,主要论点,正常细胞

22、转化为恶性细胞需要一次以上的突变事件的发生,正常人约有1014个细胞，在人的整个一生中约进行1016次细胞分裂，人体的自发突变频率约为1.410-10，实际上加上辐射和自然界普遍存在的致突变剂的影响，突变频率要远高于这个数值。如果单个突变可以致癌，仅据自发突变率计算，人一生中大约有28细胞将癌变，那么癌症将是日常事件,二、抑癌基因的定义,是一类存在与正常细胞内、调控细胞生长，具有潜在抑癌作用的基因,抑癌基因的特点,抑制细胞增殖、诱导分化凋亡，对生长负调 抑制原癌基因的过度激活、表达， 突变、缺失可引起细胞恶性转化而导致肿瘤发生，突变后成为癌基因,二、抑癌基因的分类和功能,Rb, p53, p1

23、6, APC, DCC, MCC, BRCA, DPC4 转录因子，细胞周期调控: Rb，p53 细胞周期蛋白依赖性激酶抑制蛋白：p15，p16 细胞黏连：DCC DNA修复：BRCA,幼年发病，约85%的病例为15岁儿童。肿瘤长入玻璃体内，致瞳孔内出现黄白色光反射（“猫眼”）。眼底镜下可见玻璃体内有白色瘤块和大量白色浑浊点。有的肿物上有许多新鲜血管,RB基因视网膜母细胞瘤基因,作用是抑制增殖，诱导分化凋亡 编码P105蛋白，非磷酸化为活化型,p53基因,与人类肿瘤相关性研究得最多的一个基因，约50-60%以上的肿瘤p53均突变。 p53是G1/S检查站的分子警察（正常p53，称野生型p53）

24、，活性形式为同源四聚体 显性负调控,P53基因基因组的保护神,与肿瘤相关性最高的基因 野生型为抑癌基因，突变型为癌基因 11个外显子，5、8外显子发生点突变 野生型半衰期很短，免疫化学测出来的都是突变型 作用是抑制增殖，诱导分化凋亡 P53突变的肿瘤预后差,N端可以与转录辅助活化因子p300/CBP结合，促进靶基因转录 p21蛋白基因 GADD45 (growth arrest-and DNA damage-inducible gene 45)基因，产物为DNA修复蛋白,p53是G1期能否进入 S期的分子警察,复制,DNA损伤,p53,p21,P21-cyclin-CDK复合物,Rb-E2F,Rb-P+ E2F,阻滞G1期,修复,无法修复,凋亡,诱导,P21 WAF1/CIP1,Cyclin-CDK活性抑制,P16（衰老基因,黑色素瘤细胞中首先发现 CDK4的抑制蛋白，CDK4使Rb磷酸化失活，从而抑制细胞增殖 Cyclin-D与之竞争结合CDK4，促细胞增殖,细胞衰老主导基因P16的作用机理,细胞衰老是生物衰老的基本单位，老年病的发病基础童坦君等在国际上初步阐明了细胞衰老主导基因p16影响衰老进程的机制，以及它在衰老过程中高表达的原因 细胞衰老过程中p16基因表达比年轻时高1020倍，在国际上纷纷认为它是细胞衰老主导基因。抑制p16并未激活端粒酶，但可促进抑癌基因Rb蛋白的