遗传学精品教学（南京大学）第十一章 肿瘤遗传学 2015课件

第十一章 肿瘤遗传学 Cancer Genetics,性状遗传的基本单位是基因，其本质是DNA； 基因在细胞的染色体上，具有其固定的位置； 基因间有一定的距离和顺序； 它们可以通过交换、重组改变自己的相对位置； 可以通过突变改变自己的相对性状； 某些基因在基因组中可以转座； 性状的传递规律,野生型（Wild-type):在自然界首先出现的特定生物的基因型或表现型（性状）。 突变型（mutant）：因为突变而产生的新的可遗传的特征（变异）。,正常红细胞、白细胞,镰型细胞贫血症红细胞,单基因遗传病（single-gene disorders）： 多基因遗传病（polygenic disorders）：,疾病的遗传规律,参与疾病发生的基因数量,一、什么是癌症,肿瘤以一种独特而可怕的方式摧毁着人，作为人自身的组织细胞，不知什么原因就变得增生、蔓延、掠夺成性和不受控制。在人类疾患中，肿瘤是最具体、最恐怖的一种。,肿瘤是对机体（结构与功能）有序性的破坏,癌症,什么是肿瘤（病理学）？,自主、持续生长的异常组织细胞。 特征： 无目的性持续生长 寄生性（从机体获取养分） 浸润性生长和转移,1、不受控制的增生能力（无目的性持续生长）,对器官组织结构的破坏，可导致发病器官的功能障碍,2.寄生性（从机体获取养分）,肿瘤晚期患者的恶液质表现,3、失去细胞生长的区域限制侵袭、转移, 癌细胞失去接触抑制，可多层重叠生长, 不同正常组织细胞之间保持各自的组织学界限，癌细胞失去了正常细胞的识别能力，可侵入邻近的正常组织侵袭能力, 细胞间黏附能力发生改变转移能力,什么是肿瘤（遗传学）？,癌症是细胞的遗传性紊乱； 癌症的发生与细胞内一系列基因功能和结构改变有关。,癌细胞中染色体改变是普遍现象,晚期肿瘤细胞染色体改变多于早期肿瘤； 实体瘤细胞染色体改变多于血液病细胞。,Concepts of Cancer in Genetics,Cancer is now recognized as a genetic disorder at the cellular level that involves the mutation of a small number of genes. Many of these genes normally act to control progress through the cell cycle, and loss or inactivation of these genes causes uncontrolled cell division and tumor formation. Environmental factors and viruses also play a role in the genetic alterations that result in the conversion of normal cells into cancerous cells,对癌症病因的认识,导致细胞向恶性演化的原因？,外部因素引起（环境因素） 身体内在自发事件（遗传因素）,Juohn Hill(英国,1761)发现：吸鼻烟鼻癌。 Percivall Pott（英国,1775）报告，英国扫烟囱的工人易患阴囊癌； 18世纪末，提出吸烟斗与唇癌的关系 大气污染：PM2.5指数，指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。,物理和化学因素致癌,W.Hueper：职业接触化学物质（芳香胺）与膀胱癌。职业性肿瘤及相关疾病 吸烟与肺癌：1949发表的第一批数据，吸烟使肺癌发病风险增大40倍。（Ernst Winder),诱癌实验,G.M. Findlay（1928）首报X射线诱发小鼠皮肤癌实验工作。 日本学者Katsusaburo Yamagiwa：煤焦油涂搽兔子耳朵，引发皮肤癌（1915）； 英国学者Kenneway and Cook从煤焦油中提取二苯并蒽，并可在老鼠的实验中诱发癌症（1930）。,致癌物作用 “靶” ？,H.J.Muller（1928）：X射线 基因突变（1948年获奖）,1930s：化学致癌物甲 基胆蒽可诱发基因突变。 1940s: 致癌物 诱发突变的物质。,Perera FP. Molecular epidemiology: insights into cancer susceptibility, risk asessment,and prevention. JNCI 1996; 88:496-509.,二、对癌基因的认识（oncogenes）,肿瘤以一种独特而可怕的方式摧毁着人，作为人自身的组织细胞，不知什么原因就变得增生、蔓延、掠夺成性和不受控制。在人类疾患中，肿瘤是最具体、最恐怖的一种。,Francis Peyton Rous(1879-1970),癌基因的发现 肿瘤病毒和病毒癌基因,Rous（1911）发现了第一个肿瘤病毒：将鸡肉瘤无细胞滤液注入正常小鸡体内，产生了肉瘤。进一步观察到这种滤液也能使其他宿主如大鼠、小鼠等产生肉瘤。,丹麦学者（1908），鸡白血病细胞移植实验,电镜：鸡肉瘤滤液中含有一种RNA病毒颗粒，含有能使正常细胞恶性转化的基因，因而将这种病毒称为肿瘤病毒（Rous sarcoma virus,RSV）。 之后,在多种动物(包括哺乳动物)发现致癌病毒。,R. Huebner和G. Todaro（1969年）提出 “癌基因假说” (oncogene hypothesis),认为癌基因是细胞固有的； 它们是亿万年前由病毒感染植入脊椎动物细胞； 正常时处于沉寂状态，受致癌因素激发后，形成癌症。,揭示逆转录酶的 生命周期,Howard Temin, David Baltimore等RNA致癌病毒中分离到一类特殊的DNA聚合酶。 逆转录酶（reverse transcriptase）揭示了RNA病毒的循环过程。,Temin等（1970）在致癌RNA病毒中发现逆转录酶，提出病毒癌基因在宿主细胞可通过逆转录、重组； 在宿主细胞基因组形成癌基因。,Martin用温度敏感突变体鉴定 RSV的病毒的癌基因,RSV突变体在较低温度（35C）下能使体外 培养的细胞转化为癌细胞，但在较高温 度（42C）下细胞可恢复正常状态。 当温度再降低时，细胞再次转化。,说明：,RSV基因组内存在能使细胞转化的致癌基因，在限制温度时，该基因不表达，或失活。 导致转化的基因必须不断表达才能保持其致癌特性的基因。 RSV中的致癌基因（oncogene）后来被命名为“src” (sarcomas)基因.,LTR,gag pol env,LTR,v-onc,LTR,gag pol env,LTR,慢转化病毒,Gag: 病毒核心蛋白；Pol: 反转录酶 Env: 被膜蛋白,急性转化病毒,LTR: 长末端重复序列，启动子/增强子，与整合有关,P.H. Duesberg用缺失突变体鉴定src基因（位于RSV基因组的3端）（1971年）,J.M.Bishop 和 H.E. Varmus：如果Huebner和Todaro提出的癌基因假说成立， 则正常细胞DNA存在癌基因。,1974年， Bishop等用v-src作为探针，先后在鸡、鸟类、哺乳类、鱼类细胞中都发现了与v-src非常相似的基因 c-scr.（1989年获奖）,在逆转录病毒中，与慢性转化病毒比较，急性转化病毒存在致癌相关序列v-onc。 正常宿主细胞也存在其同源序列c-onc。 病毒中癌基因来自其感染的宿主细胞的基因组，是病毒基因组与其感染细胞基因组交换的结果。,癌基因的起源,病毒中癌基因来自其感染的宿主细胞的基因组，是病毒基因组与其感染细胞基因组交换的结果。,逆转录病毒癌基因及引发的癌症类型,C-onc如何进入RSV基因组,三、对抑癌基因的认识 （tumor suppressor gene）,抑癌基因存在的线索,Harris（1969），用体细胞杂交的方法研究癌症。发 现，小鼠恶性肿瘤细胞与正常小鼠细胞杂交后： 杂种细胞失去恶性表型，接种到适当宿主体内不再生 长肿瘤。（提示正常细胞存在抑制肿瘤的基因） 杂种细胞传代中，多数细胞趋于分化、衰老和凋亡； 但有的杂种细胞传代过程中又恢复了恶性表型。 恢复恶性表型的细胞传代过程中往往存在来源于正常 细胞的某些染色体丢失。,染色体转移技术将正常细胞的单条染色体移入癌细胞，出现相似的结果。 表明：正常细胞基因组内存在抑制肿瘤形成的基因，表现为隐性遗传性质。,“二次突变”理论的提出 Rb基因的分离,A.Knudson（1971，美国儿科医生）为解释遗传性视网膜母细胞瘤（retinoblastoma，Rb）首次提出肿瘤抑制基因模型“二次打击”学说（two hits hypothesis, “二次突变”理论）. Rb是一种多在婴幼儿发病的来源于视网膜细胞的恶性肿瘤，根据临床发病特征可分为两型：遗传型和散发型,Knusdon(1971)根据RB的流行病学资料和疾病的临床特征，提出了RB 发生的二次突变理论：,可以传递RB基因的个体有三种表型： 双眼RB，占6070； 单眼RB， 2535； 表型正常的突变基因携带者，110。,双眼局限于视网膜的RB,单眼进展期视网膜的RB,提示：,遗传背景下，肿瘤出现的个数符合Poisson分布，均数约等于3。 提出：RB的发生是由于细胞内一对等位基因（RB基因）的相继突变，等位基因自然突变频率约210-7。,Poisson分布：某罕见事件发生次数的分布。,RB的分型及其临床特征,单眼RB患儿,双眼RB患儿,Knudson用两次突变理论解释RB发病,RB的发生需要两次突变。 遗传性RB：第一次突变存在于双亲之一的配子中，婴儿所有体细胞均带有这一突变；体细胞发生第二次突变形成肿瘤发病早。 散发性RB：没有遗传获得RB基因的突变，同一个视网膜细胞中需先后发生两次突变才能形成肿瘤发病晚。,散发性RB,遗传性RB,RB发病机制示意图,1973年，Knudson又用这一理论解释肾母细胞瘤（Wilms tumor，一种发生于儿童的肾癌）的发病。 1980s中期，这一理论发展为解释遗传性肿瘤发病的一般性理论,遗传学分析,Lele（1963），发现一例遗传性RB患者血淋巴细胞染色体伴有一条D组长臂部分缺失（Dq-)。,Francke（1976）确定为13q14缺失。 1982年，散发性肿瘤细胞内发现13q14缺失。,遗传学分析,1987年RB1基因被克隆、鉴定，这是人类分离的第一个肿瘤抑制基因。,RB1基因位于13q14.2，基因约200kb大小，含27个外显子，mRNA长4.7kb, 编码蛋白P105,含928个氨基酸，是一种磷酸化蛋白。 RB1基因在细胞周期、细胞凋亡调控中发挥十分重要作用。,家族性癌综合征及相关的肿瘤抑制基因,四、癌症发生机制 1 癌基因的激活（散发性肿瘤的发生）,细胞增值失调与肿瘤发生,细胞生长是指细胞通过分裂产生性状相同的细胞群体 增殖。 肿瘤借癌细胞的分裂而不断生长发展。 细胞的增殖在正常情况下受到许多信息的调控，即受控于机体的调控系统。 在肿瘤细胞，这种调控系统遭到破坏，生长失去控制。,Cell Cycle Regulated at Two Main Points （Checkpoints ）,A decision made to proceed or halt the cell cycle is controlled through the interaction of two types of proteins:,Kinases: a group of enzymes those regulate the action of other proteins by adding phosphate groups to them. Cyclins: a group of proteins synthesized and degraded in a synchronous pattern throughout the cell cycle. Cyclins bind to kinases, producing a regulatory molecular. Cyclins are produced intermittently and degraded rapidly, resulting in a pulse of regulatory activity at each point in the cell cycle.,正常时癌基因、抑癌基因处于平衡状态。 癌基因的突变激活、过度表达 抑癌基因失去活性,肿瘤发生,主要涉及两类基因,2. 抑癌基因（tumor suppressor genes）,1. 细胞癌基因（c-oncogenes）,癌基因癌症发生（问题)?,v-onc 和 c-onc 序列有无差异？ “oncogenes” 激活导致癌症发生的机制？,四、癌症发生机制 1 癌基因的激活,癌基因的生理功能,生长因子： 如， sis基因与血小板生长因子（platelet derived growth factor, PDGF）基因；int2与成纤维生长因子（fibroblast growth factor, FGF）基因。 生长因子受体：如， erb-B基因与上皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor, EGFR）基因； met与肝细胞生长因子受体等。,信号传导因子（蛋白激酶）：如， Src, K-ras, H-ras, Raf等，参与细胞分裂相关信号传导。 核蛋白(转录因子）：如，myc、jun、fos基因等，其产物直接影响与细胞增殖和分化，涉及基因的表达调控。 程序性细胞死亡调节蛋白：如，BCL2，MDM2 (mouse double minute 2 homolog)。,原癌基因的激活机制,突变：c-ras 基因的点突变活化。 基因扩增：肿瘤细胞内原癌基因拷贝数的增加是其基因产物大量增加的原因之一。 基因位置改变：癌基因易位到活跃表达的基因附近，导致其自身激活。 获得较强的启动子：慢病毒插入到 c-onc附近。,RAS基因点突变激活,1982年多个实验室几乎同时报告从膀胱癌细胞中分离到H-ras基因单碱基突变 Codon12, GGCGTC, Gly12Val。 点突变(point mutation)是ras家族常见激活方式。 ras家族：H-ras. K-ras, N-ras三个成员，基因结构非常相近，基因产物189AA，约21kDp21。,p21蛋白质含三个结构域：N端的80个氨基酸为第一结构域，高度保守。Codon 12, 13, 61均位于这一结构域，提示具有重要的催化和调节功能。 这些位点可能是p21与 GTPase 激活蛋白结合的部位。突变将阻碍p21结合的GTPGDP，使p21蛋白始终保持活性.,失活的ras,有活性ras,因密码子12或61突变而阻断,GTP,GDP,原癌基因ras家族的点突变,基因扩增（gene amplication）,基因扩增：是指个别基因的额外复制。 染色体表现：,双微体 （double-minute,DM）,均染区 （homogeneously staining region, HSR）,人肿瘤细胞中原癌基因的扩增,基因位置改变（染色体重排）,癌细胞中染色体重排是普遍现象。 原癌基因由于染色体重排而激活的方式有两种： 染色体重排后形成新的融合基因，编码融合 蛋白； 染色体重排后改变原癌基因的调控,费城染色体（Ph1）与慢性粒细胞白血病（chronic myelogenous leukemia, CML）,Nowell，Hungerford（1960）在人CML中发现一个微小染色体Ph1，后确认：t(9; 22)(q34; q11)。,9q34定位原癌基因ABL1，编码P145，属SRC基因家族，是一种酪氨酸蛋白激酶。 22q11存在一段断裂簇集区（breaking cluster region, BCR），也是一个基因。,易位后9q34 的ABL1基因至22q11的BCR基因3端， 融合基因BCR-ABL1，融合蛋白P210。 P145酪氨酸激酶活性较低，且受生长因子受体系统 调控； BCR-ABL1融合蛋白P210，激酶活性高，不受调控。 针对 P210 抗CML的药物（商品名：Gleevec）， 治疗CML的重大突破,Ph1染色体，BCR基因的5端和ABL基因3端融合 嵌合基因指导融合蛋白的表达。ABL基因蛋白激酶活性增强。,染色体重排改变基因表达,Burkitt淋巴瘤是一种在非洲中、东部流行的儿童B细胞淋巴瘤，多数患者瘤细胞内存在染色体易位t(8;14)(q24;q32)。 8q24 myc基因 14q24 免疫球蛋白重链基因C,myc基因受免疫球蛋白基因增强子影响、表达失调控，异常过表达使细胞分化紊乱肿瘤发生。,myc基因移至C基因的下游。,Burkitt 淋巴瘤中的特异易位染色体 t(8;14)(q24;q32)。 C：免疫球蛋白重链基因； C的增强子可能在激活MYC 的 过表达中起作用,五、癌症发生机制 2 癌抑制基因的失活（遗传性肿瘤的发病）,遗传性肿瘤？遗传性肿瘤的特征？,是指由（亲本）遗传获得的基因缺陷（突变）而导致个体在其生命过程中发生的肿瘤。 特征： 发病呈家庭聚集，一般表现为常染色 体显性遗传规律； 肿瘤可以多发； 发病年龄较低。,抑癌基因举例（1）：TP53基因,Lane（1979）在细胞核内分离到一种分子量53KDTP53蛋白，可与病毒抗原SV40结合。 Finley（1989）：野生型TP53抑制细胞转化；使细胞“永生化”的是突变型TP53。 确定TP53是一种重要的肿瘤抑制基因。,TP53定位于17p13.1，是至今发现的与人类肿瘤相关性最高的基因，几乎在所有种类的肿瘤中均可见TP53的体细胞突变。 TP53的胚系突变是Li-Fraumeni syndrome的病因，肿瘤谱广泛。 TP53扮演“基因组卫士”的角色：控制细胞从G1进入S期、诱导细胞凋亡。,抑癌基因举例（2）：错配修复基因（mismatch repair gene）遗传性非息肉性大肠癌（HNPCC）,HNPCC：常染色体显性遗传，占CRC 610。 人类错配修复基因系统至少由7个基因组成。 在 HNPCC 家族突变基因分析中，突变主要集中在 MSH2 和 MLH1基因（90%）. 肿瘤多见于右半结肠，可多发。,MSH2定位于染色体2q21,由16个外显子组成； MLH1定位于染色体3q23,由19个外显子组成； 其功能: 修复DNA复制时发生的错配 不属于严格意义上的抑癌基因；广义范畴可归属。,抑癌基因举例（3）：遗传性乳腺癌/卵巢癌易感基因 BRCA1, BRCA2,BRCA1：Miki等（1994）克隆鉴定。定位于17q21，含22个外显子，mRNA长7.8kb，编码含1863个氨基酸P220。 BRCA2：Wooster等（1994）鉴定。定位于染色体13q12-q13，编码蛋白质含3418个氨基酸。 参与DNA修复、细胞凋亡调控过程。,BRCA1基因突变女性携带者，约55%60%将罹患乳腺癌，25%50%罹患卵巢癌。 BRCA2 突变女性携带者，约45%罹患乳腺癌，约15%30%罹患卵巢癌。 BRCA1 突变男性携带者,乳腺癌的发病风险为1%2%，前列腺癌的发病风险约20%。 BRCA1、BRCA2女性和男性携带者胰腺癌的发病风险均增高。,六、肿瘤发生的遗传学说,1.癌症克隆特征单克隆起源假说,癌症的克隆起源是细胞水平癌症遗传基础的最强有力证据之一：患者的癌细胞起源于单一的原始前体细胞。 一个关键的突变事件（或系列事件）导致单个细胞转化为癌细胞，随后的失控增殖形成肿瘤： 致癌因子 体细胞基因突变 失控增殖形成单克隆肿瘤细胞群。,一个典型的慢性粒细胞性白细胞核型，箭头示费城（Ph1）染色体t（9; 22）。见于约90的CML（chronic myelogenous leukemia）,肿瘤的单克隆起源证据,遗传性肿瘤的发生由细胞内肿瘤发病相关“癌抑制基因”出现纯合型突变所致。,2. Knudson的二次突变理论 与遗传性肿瘤的发生,癌抑制基因（广义）的分类,“gatekeepers” ：the genes that directly regulate the growth of tumors by inhibiting their growth or by promoting their death. “caretakers” ：the genes that do not directly regulate the growth of cells. Rather, inactivation of caretakers leads to a genetic instability that only indirectly promotes growth by causing an increased mutation rate.,Sporadic tumour,cancer,“Gatekeepers” have a key role in growth control,Genetic instability,Sporadic tumour,(e.g. HNPCC),Tumour suppressor gene,cancer,“Caretakers” : control / repair of errors in DNA synthesis or DNA damage .,In some cases, the mechanism underlying the susceptibility is not completely characterized. For example, the BRCA1 and BRCA2 genes have been hypothesized to function as caretakers in some studies and as gatekeepers in others.,3. 散发性肿瘤的发生机制 癌症发生“多步多击”理论,大多数癌症呈散在性，发病风险随年龄增长而加大,与遗传物质损伤的积累有关。 “多步多击”理论：一个正常细胞转化为癌细胞涉及多个基因突变（含癌基因，抑癌基因），及其它表型相关基因等。 基因突变分步发生，细胞分步获得新的性状，逐步积累，完成肿瘤的发生和演进。,Normal colon,Carcinoma,Adenoma,Hyperproliferative epithelium,APC MSH2 MLH1 Germline mutation Hereditary syndromes,Methylation,APC MSH2 MLH1 Inactivation,K-ras,p53,DCC,Further mutations,Adenoma Carcinoma Sequence,Multistep CRC model (Vogelstein， 1988),正常细胞,增生细胞,良性肿瘤细胞,完全恶性的细胞,第一次打击,第二次打击,更多打击,癌症多阶段发生,Cancer Incidence versus Age,Whole-genome sequencing from the individuals with colorectal cancer. An average of 75 somatic rearrangements were identified per tumor. Eleven rearrangements encode predicted in-frame fusion proteins.,Nature Genetics, 2011, 43:9648.,How many mutations are required for cancer formation,4.癌症发生的“反（逆）分化”理论,从正常的分化细胞 低分化 未分化,Epithelialmesenchymal transition in cance,癌症发生的“返祖现象”模式,宇宙学家Paul Davies、天体生物学家Charley Lineweaver和肿瘤学家Mark Vincent合作提出。 癌症发生为古老“预编”特性的重新表达 。 生物拥有共同的单细胞祖先。 细胞受益于永生，无限增殖能力，正如癌症那样。,癌症或为细胞进入“安全模式”,Zeeya Merali. Physicists model proposes evolutionary role for cance. Nature doi:10.1038/nature.2014.16068 Nature | Scientific American,复杂多细胞生物出现后，“永生”被转给了卵子和精子。 不涉及繁衍的体细胞不再需要这种机能。,Davies 提出：健康细胞面临环境威胁时，细胞能够回复到“预编的安全模式”。 “最新”进化功能会被关闭，恢复成更原始功能模式，以便存活下来。 “癌症是细胞一种自动防故障功能装置”。 该理论的关键是考虑癌症基因的“年龄” 。,什么是古老基因,每个细胞里都含有最初生命体的信息。 最古老的基因是什么？, 生命个体有没有最重要的“核心”基因？,七、关于癌症提出的新问题,正常组织细胞? 该组织的干细胞？ 癌细胞群体中癌干细胞的作用？ 从癌变到癌的形成，机体的整体调控是否发挥作用？,癌细胞来源？,The Cancer Stem Cell Hypothesis,John Dicks team (1997) provided evidence that leukemia growth and propagation are driven by a small population of leukemia cells that have the ability to perpetually selfrenew. They called this cell population cancer stem cells (CSC). The putative CSC have been isolated from many other tumors.,Houghtton JM, et al. Gastric cancer originating from bone marrow-derived cells. Science, 2004, 236:1568-1571.,The results in this paper suggested that epithelial cancer can originate from marrow-derived sources and thus have broad implications for the multistep model of cancer progression.,Normal colon,Carcinoma,Adenoma,Hyperproliferative epithelium,APC MSH2 MLH1 Germline mutation Hereditary syndromes,Methylation,APC MSH2 MLH1 Inactivation,K-ras,p53,DCC,Further mutations,Adenoma Carcinoma Sequence,Multistep CRC model (Vogelstein， 1988),Cancer stem cells and tumour progression,Clinical implications of cancer stem cell model Wicha MS, et al. Cancer Stem Cells: An Old Idea A Paradigm Shift. Cancer Res 2006; 66:1883-1890.,The cancer stem cells (CSCs) are displayed as the green, larger cells. Targeted therapy against CSCs.,癌细胞表型是否可传染给其他细胞,一般认为不会传染。 Sonia A, et al. Cancer exosomes perform cell-Independent miRNA biogenesis and promote tumorigenesis. Cancer Cell 2014, 26, 115. 外泌体介导。,外泌体（ Exosomes）,细胞，包括癌细胞，都可产生外泌体：是一种小的有膜结构，携带有蛋白质、DNA 和RNA。 外泌体，被认为是细胞之间信息交换的载体，一些外泌体可以和周围细胞融合，并将其携带的信息转移给该细胞。,Cancer exosomes mediate an efficient and rapid silencing of mRNAs to reprogram the target cell transcriptome. Exosomes derived from cells and sera of patients with breast cancer instigate nontumorigenic epithelial cells to form tumors,癌症的转移模式： Waldeyer描述了癌症的发生和扩散的全过程(1867)