分子病理学理论2008研究生用-中山大学附属第一医院

第十七章分子病理学理论赵国强细胞信号转导系统癌基因肿瘤抑制基因信号转导与肿瘤发生一、细胞信号转导系统细胞对环境条件变化的适应依赖于信号系统。信号通路的构成成分主要包括三类分子：受体、信号转导蛋白和第二信使。活性态的受体通过与一个或多个胞浆蛋白质相互作用，可在细胞内产生一个化学信号。这种将一种信号类型（刺激）转换为另一种信号类型（信息）的过程称之为信号转导(transduction)。信号转导通路的基本模式（一）质膜受体PlasmaMembraneReceptors

7-螺旋受体Seven-HelixReceptors

7-螺旋受体是最大的膜受体家族，其成员都由蜿蜒排列的7个跨膜α-螺旋组成。有相当广泛的刺激物可激活7-螺旋受体，包括光子、氨基酸、核苷酸、生物胺、脂质、肽类、蛋白质、无机分子以及大部分医用药物。活性态受体通过激活三聚体G蛋白的方式将信号转入细胞内。已证实有30多个7-螺旋受体的突变和人类疾病有关。已知有600多种突变可以使7螺旋受体失活，100多种突变可使受体持续激活而无须配体结合。

酪氨酸激酶受体ReceptorTyrosineKinases哺乳类拥有20个受体酪氨酸激酶家族，各具不同的结构特征。能够激活受体酪氨酸激酶的生长因子多与发育和分化的调控有关。受体酪氨酸激酶的突变可引起人类疾病。在多种恶性肿瘤已发现有EGF受体的过表达和激活突变。FGF受体的激活突变可导致先天性的骨骼异常，包括矮小症和颅骨骨缝的过早融合。

细胞因子受体CytokineReceptors细胞因子受体都是同源二聚体或异源二聚体，都具有两个细胞外可供配体结合的FNⅢ（fibronectinⅢ）结构域。一条α-螺旋样的多肽片段跨越质膜，构成受体的中间段。受体的胞内段结构域不具酶活性，但可结合一个被称之为JAKs(justanotherkinase)的蛋白质酪氨酸激酶。配体的结合可使两个JAK激酶连接到受体胞内段结构域，从而激活细胞因子受体。

丝氨酸/苏氨酸激酶受体

ReceptorSerine/Threonine

Kinases约有1/3的生长因子受体使用胞内丝氨酸/苏氨酸激酶域转导信号。丝氨酸/苏氨酸激酶受体由两种类型的受体亚单位构成，称之Ⅰ型受体和Ⅱ型受体。在配体-受体复合体中，活性态的Ⅱ型受体激酶磷酸化Ⅰ型受体胞内域的丝氨酸/苏氨酸残基。激活的Ⅰ型受体激酶又依次磷酸化胞浆内的转录因子Smads，磷酸化的Smads运动到细胞核，与其他转录因子协同作用调控基因的表达。

鸟苷酸环化酶受体

Guanylyl

CyclaseReceptors

鸟苷酸环化酶受体是同源二聚体，带有新异的供配体结合的细胞外结构域和两个胞内结构域：一个无酶活性激酶域和一个鸟苷酸环化酶结构域。在无配体结合的情况下，细胞外结构域可使胞内结构域保持分离。当有配体结合时，可关闭两个细胞外结构域之间的缝隙，并以一定方式将两个跨膜域以及两个胞内结构域拉近，这种构型的改变可以刺激鸟苷酸环化酶的活性。

肿瘤坏死因子受体家族

TumorNecrosisFactorReceptorFamily

人类细胞表达两种类型的TNF受体，两种受体与同一种配体结合却产生不同的应答反应。

TNF参与自身免疫疾病相关的炎症过程，如风湿性关节炎。阻断TNF与其受体的结合以减轻炎症反应，在此类疾病中获得了显著成功。这一成功是通过注射TNF的单克隆抗体或含有TNF受体胞外结构域的肽段完成的。

Toll-Like受体

多细胞生物都使用一个称之为Toll-Like受体（Toll-Likereceptors,TLRs）的小受体家族对各种各样的微生物感染进行感应和应答，包括病毒、细菌、真菌和原虫的感染。哺乳类有12种TLRs受体，可与微生物相关的特定大分子结合，如来自病毒的双链RNA、来自细菌的鞭毛蛋白、来自革兰氏阴性菌外膜的脂多糖、来自真菌细胞壁的酵母聚糖等。位于白细胞（包括淋巴细胞）和抗原呈递细胞（树突状细胞）质膜表面的二聚TLRs受体可以感知这些外源大分子并刺激细胞，通过分泌炎症介质（TNF,Il-1,IL-6）产生应答反应。

Notch受体

Delta/Notch信号通路中的组成成分已在分析影响果蝇和线虫早期发育的突变时获得确认。该信号通路中的配体是跨膜蛋白，这种配体蛋白在果蝇和脊椎动物称之为Delta，在线虫称之为LAG-2。这些配体和Notch受体一道在早期胚胎发育过程中调控细胞的命运，即，细胞的分化方向。

Hedgehog受体

对果蝇的遗传学研究发现了一个被称之为Hedgehogde的新的蛋白质配体系列和两种称之为Patched和Smoothened的膜蛋白。它们与发育过程的信号转导有关。在脊椎动物，Hedgehog信号通路调控多种组织的细胞分化，包括神经管的形成。哺乳类3个Hedgehog基因中的一个（sonichedgehog）发生突变可造成广泛的发育缺陷，包括在面部中央产生单眼。编码Patched的基因突变可引起皮肤基底细胞癌。人类的Smoothened是一个原癌基因，激活突变可阻止Patched对其的抑制，产生皮肤肿瘤。

（二）信号转导蛋白SignalTransducingProteins参与细胞内信号转换的蛋白质统称之为信号转导蛋白，包括：蛋白激酶、蛋白磷酸酶、GTP酶和接头蛋白等。

激酶和GTP酶都以同样的策略开通一个“分子开关”，使信息得以穿越信号通路。这种策略就是将无机磷酸简单地添加或移去。

一个磷酸基团的存在与否即可使一个蛋白质在活性与非活性两种构型之间转换。

蛋白质磷酸化ProteinPhosphorylation磷酸化是最常见的蛋白质翻译后修饰形式，以此方式可在大多数信号通路中调控一种或多种蛋白质的活性。

磷酸化有时能开启一个生物学过程，有时则能关闭一个过程。

蛋白激酶催化一个磷酸基团向蛋白质的转移使其磷酸化，而磷酸酶则负责从蛋白质去除这些磷酸基团使其去磷酸化。

蛋白激酶和蛋白磷酸酶

ProteinkinasesandProteinPhosphatases

一个蛋白质的磷酸化状态是由特异的蛋白激酶和磷酸酶调节的。蛋白激酶将一个γ-磷酸从ATP转移到底物蛋白质的氨基酸侧链。磷酸基团的去除是由磷酸酶催化的，去磷酸化可使蛋白质恢复到其原来的机能状态。

蛋白激酶的分类根据磷酸化的氨基酸残基分类：丝/苏氨酸蛋白激酶酪氨酸蛋白激酶胞浆非受体型跨膜受体型双特异蛋白激酶根据所依赖的第二信使分类：cAMP/cGMP依赖性蛋白激酶Ca2+/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ和肌浆球蛋白轻链激酶蛋白激酶C(DAG依赖性)

GTP结合蛋白GTP-bindingProteins

细胞利用GTP结合蛋白（又称GTP酶或G蛋白）可以调控许多功能，包括蛋白质合成、转导来自质膜受体的信号、细胞骨架的调控、膜的交通与核的转运等。GTP酶可分为4类：延伸因子（elongationfactors）

Ras相关小GTP酶（smallGTPaserelatedtoRas）

三聚G蛋白（trimeric

GTPase）发动蛋白相关的GTP酶（dynamin-relatedGTPase）

（三）常见信号转导通路影响基因表达的信号通路类型通向细胞核的MAP激酶通路经RAS到MAPK的生长因子受体酪氨酸激酶通路细胞因子受体-JAK/STAT信号通路经Smads的丝氨酸/苏氨酸激酶受体通路影响基因表达的信号通路类型

许多细胞外配体都可影响基因的表达，它们的调控途径都可归纳到最基本的三种信号通路类型之中。第一种信号通路类型的配体都是些小的、疏水分子，如甾体激素、维生素A和甲状腺素等。这些配体分子可以穿越细胞膜，与胞浆内的核受体结合。另外两种通路类型的配体则包括：小的荷电分子、肽类和蛋白质。这些分子不能直接穿越细胞膜，必须与细胞表面的受体结合才能启动激活转录因子的信号通路。

（1）核受体通路 甾体激素之类的配体分子直接可以穿越细胞膜进入细胞浆，在胞浆内与潜在的被称之为核受体的转录因子结合。结合有配体的受体从胞浆移动进入胞核，与其它蛋白质一起激活特定基因的转录。

（2）胞内移动激酶激活通路一些质膜受体可以开通激活胞内蛋白激酶的通路，被激活的蛋白激酶进入细胞核，使潜在的转录因子磷酸化。这些移动的激酶包括PKA和几种MAP激酶。

（3）胞内潜在转录因子激活通路另一些质膜受体可以通过磷酸化或蛋白质水解的方式激活胞浆内潜在的转录因子。这些激活的转录因子然后再进入细胞核。已知有7种信号通路使用这些移动的转录因子，包括：NF-AT,STATs,Smads,NF-κB,Notch,Hedgehog和β-catenin等。

三种基本的信号通路类型

通向细胞核的MAP激酶通路

经RAS到MAPK的

生长因子受体酪氨酸激酶通路

细胞因子受体-JAK/STAT信号通路

经Smads的丝氨酸/苏氨酸激酶受体通路

二、癌基因Oncogenes

“癌基因”这一概念的第一次出现是用于解释使用逆转录病毒(retrovirues)在鸟类和啮齿类快速诱导产生肿瘤的现象。 1911年，PeytonRous首次发现了一种能够诱发肿瘤的病毒——Rous肉瘤病毒（一种鸡逆转录病毒）。PeytonRous(1879-1970)

Laureateof

TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1966

forhisdiscoveryoftumour-inducingviruses

癌基因的早期定义Oncogenes,bydefinition,aregenescapableofachievingtheconversionofanormalcelltoamalignantcell,suchasthatresultingfrominfectionofnormalcellsbyoncogenicviruses.PeterJ.Russell,iGenetics:Copyright©PearsonEducation,Inc.,publishingasBenjaminCummings.Stylizeddrawingofaretrovirus

PeterJ.Russell,iGenetics:Copyright©PearsonEducation,Inc.,publishingasBenjaminCummings.Lifecycleofanononcogenicretrovirus从RSV分离的v-src

是被发现的第一个癌基因，与其同源的正常的细胞基因则称之为原癌基因，以c-src示之。现在已从不同的逆转录病毒中发现多种起源于细胞原癌基因的病毒癌基因。提示，在正常的脊椎动物基因组内含有许多具有致癌潜能的基因。癌基因的扩展定义Theterm“oncogenes”nowisappliedtoanygenecontributingtocelltransformation,regardlessofthepresenceorabsenceofacomparablesequenceinanoncogenicretrovirus.几个基本概念proto-oncogenesoncogenesv-oncc-onc原癌基因

原癌基因是正常的细胞基因，其表达产物与细胞的正常生长、增殖和分化过程有关。但若被某种因素激活，就会转变成具有转化细胞活力的癌基因。因其具有向癌基因转变的潜能，故称之为原癌基因。癌基因癌基因是指在自然或实验条件下，具有潜在的诱导细胞恶性转化能力的基因。癌基因是由原癌基因异常激活转变而成，具有显性基因的特征。病毒癌基因

v-onc是指存在于逆转录病毒基因组的癌基因。现在认为，病毒癌基因起源于真核细胞内的原癌基因。所有的病毒癌基因都能在真核细胞内找到与其同源的基因。细胞癌基因

c-onc最初是指v-onc在真核细胞内的同源基因。现在通指存在于细胞内的癌基因。原癌基因向癌基因转变的机制点突变pointmutation易位translocation截短trunction扩增amplification逆病毒的插入retroviralinsertion点突变pointmutation

1982年从人膀胱癌细胞中发现c-H-ras第12位密码子发生点突变，曾轰动一时，被认为是细胞癌变假说的第一个分子水平的证据。c-H-ras第12位密码子正常细胞

GGC

甘氨酸膀胱癌细胞

GTC

颉氨酸易位translocationbcrgene断裂点簇区基因 指breakpointclusterregiongene,与慢性髓细胞白血病有关的基因。编码一种多功能蛋白，包括dbl同源结构域及P21ras的GTP酶激活蛋白(GAP)结构域。ablgene

一种原癌基因，最初是从白血病病毒Abelson

murineleukemiavirus(Abl-MuLV)中分离得到的，所编码的蛋白质属酪氨酸激酶类。

b

易位translocationAbl-bcr

融合基因

P210bcr-abl融合蛋白 发现于慢性粒细胞白血病患者。

P190bcr-abl融合蛋白 发现于急性淋巴细胞白血病患者。

截短trunction

扩增amplification

某些白血病细胞系中c-myc扩增８～２２倍； 人原发性乳腺癌 鳞状上皮癌 神经胶质瘤 c-erbB扩增几倍～几十倍； 胃癌 食管癌 人神经母细胞瘤 小细胞肺癌 c-myc,N-myc,L-myc,c-myb扩增

结肠癌PeterJ.Russell,iGenetics:Copyright©PearsonEducation,Inc.,publishingasBenjaminCummings.逆病毒的插入retroviralinsertion

癌基因的分类生长因子类 sis跨膜受体类 酪氨酸激酶受体 erbB非酪氨酸激酶受体

mas转导因子类膜连接型 ras胞浆型

mos核转录因子类 myc癌基因产物的功能

生长因子某些癌基因的蛋白产物与一些生长因子的功能相似。V-sis基因和人的c-sis基因编码的P28蛋白和血小板生长因子(PDGF)的β链同源。单独的v-sis不能起转化细胞的作用，只有当它的产物蛋白与PDGF一样形成二聚体时才有活性，而且仅能使含有PDGF受体的细胞转化。癌基因产物的功能

生长因子受体有一类癌基因蛋白跨膜分布，与生长因子的受体相关。v-erbB的编码蛋白和EGFR相似，而v-fms的产物则和M-CSFR相似。EGF和M-CSF的受体正常存在于细胞中，并不引起癌变，而v-erbB和v-fms则具有转化细胞的能力。癌基因产物的功能

信号转导因子

癌基因产物的功能

癌基因核蛋白Myc基因是这一类型癌基因的典型代表，其产物是一种DNA结合蛋白。MYC蛋白先和MAX蛋白形成二聚体，然后结合于DNA，起着转录激活因子的作用。但这一通路中的直接下游事件还不明了。类似的癌基因还有Jun和Fos，它们的产物也都是核蛋白，为重要的转录因子。癌基因产物的功能

其它至少还有两类癌基因无法划分到经典的信号转导模式中去。其中一类癌基因蛋白的产物能调控细胞的凋亡，即细胞的程序性死亡。如Bcl-2蛋白的过表达能抑制生理性细胞死亡的正常过程，其激活机制还不清楚。另外一类癌基因蛋白能结合抑癌基因蛋白并抑制其活性，如MDM2癌基因和一些由DNA肿瘤病毒产生的蛋白即属此类。在一些肉瘤中，MDM2扩增并通过与P53转录激活区的结合抑制其活性。ExamplesofOncogenesFGF4AlsocalledHST(heparinsecretorytransformingprotein1)orKFGF(Kaposisarcomafibroblastgrowthfactor)CodesforafibroblastgrowthfactorAssociatedwithglioblastomaandgastriccancerLocatedonchromosome11q13.3

ExamplesofOncogenesRETRET(rearrangedduringtransfection)proto-oncogeneCodesforatruncated,receptor-like,cellsurfaceproteinintheprotein-tyrosinekinasefamilyAssociatedwithmedullarythyroidcarcinomaandmultipleendocrineneoplasiatypeII(MEN2),andpheochromocytoma

Locatedonchromosome10q11.2ExamplesofOncogenesABL1FormerlyknownasABL(v-abl

Abelson

murinestrainofleukemiaviralhomolog1)Codesforanon-receptortyrosine-specificproteinkinaseinthecellmembrane,cytoplasm,andnucleusAssociatedwith90%ofcasesofchronicmyeloidleukemia,25%to30%ofadultcasesofacutelymphoblasticleukemia,andrarecasesofacutemyelogenousleukemiaLocatedonchromosome9q34.1

ExamplesofOncogenesSRCv-srcAviansarcoma(Schmidt-RuppinA-2)viraloncogenehomologorASV(aviansarcomavirus)Codesforanon-receptorprotein-tyrosinekinaseAssociatedwithcoloncarcinomaLocatedonchromosome20q12-q13ExamplesofOncogenesBRAFHomologofv-raf

murinesarcomaviraloncogeneB1Codesfora"signaltransducer"thatresidesinthecellmembrane

AssociatedwithgastriccarcinomaLocatedonchromosome7q34ExamplesofOncogenesMYCHomologofv-mycavianmyelocytomatosisviraloncogene

FormerlyknownasC-MYC

Codesforafactorinvolvedinactivatingtranscriptionofgrowth-promotinggenesinthenucleusMemberofafamilyofproteinsthathaveacharacteristic"helix-loop-helix"structureAssociatedwithBurkittlymphomaandlung,breast,ovarian,andcoloncancersLocatedonchromosome8q24.12-q24.13三、肿瘤抑制基因

TumorSuppressorGenes

除癌基因外，与肿瘤的发生有关的还有另一类基因，这就是肿瘤抑制基因，或称抑癌基因。肿瘤抑制基因展现出了细胞生长控制的另外一个侧面。癌基因刺激细胞的分裂和肿瘤的发展，而肿瘤抑制基因则抑制这一过程。癌基因的激活和抑癌基因的失活是肿瘤发生过程中一个事物的两个方面，都有助于增强细胞分裂和正常生长的失控。肿瘤抑制基因的早期证据

体细胞杂交实验

这一研究导致一个新的概念的产生，即，许多肿瘤的发生可以通过遗传物质的丢失造成。并由此提供了肿瘤抑制基因存在的第一条线索：肿瘤细胞在其向着完全恶变的过程中常常丢失关键的生长控制信息。AlfredG.Knudson

视网膜母细胞瘤Knudson假说

TheTwo-HitHypothesisKnudson假说的基本内涵肿瘤抑制基因具有隐性基因的特征，当一对等位基因中的一个发生突变时，不足以引发肿瘤；当突变也偶尔发生在另一个等位基因时，肿瘤抑制基因的功能彻底丧失，肿瘤随之发生。连续两次突变的事件也可能发生在无家族遗传背景的个体，但几率很小。故不易发生肿瘤。在有家族遗传背景的个体，第一次突变已经存在，两次突变较易完成，故肿瘤发生的几率较高。10年以后，通过对视网膜母细胞瘤病人正常组织和肿瘤细胞染色体的分析，发现许多这类病人都存在染色体13q14片段的缺失，证实了Knudson的假说。这种突变的基因可被遗传到患病的下一代，且被定位在同一染色体，这种基因被称作Rb基因。视网膜母细胞瘤的发生似乎需要Rb两个等位基因的双双突变，因此，Rb被确定是一个肿瘤抑制基因。Rb基因的正常功能是阻止视网膜前体细胞的生长，即便只有一个拷贝的存在也足以维持对生长的控制。但若Rb的两个拷贝完全丢失，就会丧失对生长的抑制作用，肿瘤于是就会发生。PeterJ.Russell,iGenetics:Copyright©PearsonEducation,Inc.,publishingasBenjaminCummings.Comparisonoftheeffectsoftumorsuppressorgene

andproto-oncogenemutationsRb基因

Theretinoblastomagene(1)Rb基因

Theretinoblastomagene(2)Rb基因

Theretinoblastomagene(3)P53基因作用机制

PeterJ.Russell,iGenetics:Copyright©PearsonEducation,Inc.,publishingasBenjaminCummings.CascadeofeventsbywhichDNAlesionscauseanarrestinG1ExamplesofTumorsuppressorgenesRB1RetinoblastomageneFamilialretinoblastoma

Involvedinbone,bladder,smallcelllung,andbreastcancersaswellasretinoblastomaCodesforthenuclearproteinpRB(p105-Rb),amajorinhibitorofthecellcycleLocatedonchromosome13q14.1-q14.2ExamplesofTumorsuppressorgenesTP53Tumorsuppressorp53geneInheritanceofp53mutationsthroughthegermlineisassociatedwithLi-Fraumenisyndrome

InvolvedinawidevarietyoftumorsInactiveorlostinmorethan50%ofcancerouscellsCodesforthecytoplasmicp53proteinthatregulatescelldivisionandcaninducecellstokillthemselves(apoptosis)Locatedonchromosome17p13.1ExamplesofTumorsuppressorgenesAPCAdenomatous

polyposisofthecolongeneInvolvedwithfamilialadenomatous

polyposisofthecolon(FPC)

Locatedonchromosome5q21-q22

ExamplesofTumorsuppressorgenesBRCA1Familialbreast/ovariancancergene1Involvedinhereditarybreastcancer,aswellasovariancancerCodesforaproteinthatbindsstronglytoDNA,inhibitinganenzymeinvolvedinDNAbreakageLocatedonchromosome17q21

ExamplesofTumorsuppressorgenesEP300E1A-bindingprotein(p30