肿瘤生化与分子生物学.ppt

肿瘤细胞生化与分子生物学的异常变化 及中医药防治肿瘤的常见策略,我国：2007年起城市恶性肿瘤的死亡率超越了心脑 血管病。 恶性肿瘤中死亡率最高的是：男性：肺癌； 女性：乳腺癌,恶性肿瘤是危害人类健康最严重的疾病之一,最近有报道： 上海肿瘤发病中， 肺癌占据第一， 其次为肠癌。,美国：恶性肿瘤死亡率仅次于心血管疾病,有专家预测：到2033年，中国肺癌的发生可能会出现“井喷”,很早以前注意到：肿瘤是一种基因病。,究竟是何原因导致肿瘤？,当这些基因受到体内外理化因素、或生物因素（主要指肿瘤病毒）等影响时，基因结构或其表达发生改变，失去对细胞生长的正常控制，导致组织异常增生、癌变。,这些基因有何作用？,调控细胞生长、增殖！,肿瘤发生是内在基因与外部环境相互作用的结果。,一、理化因素或生物因素的致癌作用,环境因素DNA损伤而未能及时修复可致基因突变引发肿瘤。 发生率不同，有个体差异！ 表明不同的个体，易感性不一样。 肿瘤的发生与环境因素和遗传基因的易感性有关！,（一）常见化学致癌物及其致癌机制 1常见的化学致癌物,香烟、煤烟、汽车尾气： 3,4-苯并芘 化疗药、杀虫剂： 烷化剂 染料、橡胶： 苯胺、氨基联苯胺 食品添加剂、染料： 氨基偶氮苯 亚硝酸盐： 亚硝胺类 霉变花生、玉米、谷类： 黄曲霉素 熏烤、烧焦后的高蛋白食品： 亚硝胺类 装潢材料： 甲醛、苯、等-,DNA分子中的鸟嘌呤是最易遭受致癌剂攻击的部位 ：,在N1、N3、O6、N7、C8位上发生加合反应，使DNA分子发生损伤突变。,癌基因受化学致癌物异常激活： 类型：点突变： 如烷化剂引起GA，苯并芘引起GT， 结肠癌K-ras癌基因的GA。 基因扩增、DNA重排、染色体易位、插入激活（插入启动子、增强子）,（2）癌基因被异常激活和抑癌基因失活,突变及其常见肿瘤：,突变及其常见肿瘤：,（3）促癌剂的作用 化学致癌物存在条件下，可加速促癌类化合物的致癌性，促进肿瘤细胞的生长、癌变。 如给小鼠背上涂布微量二甲基苯并蒽再继续涂布佛波醇酯（TPA）可使几乎所有小鼠都发生肿瘤。,又如有些物质本身不诱发肿瘤，但有促进发生的作用：糖精促进膀胱癌的发生，苯巴比妥促进肝癌的发生等。,（二）物理因素的致癌作用,物理因素有电磁波辐射，以及电子、质子、中子等,二战中广岛，原子弹 建筑材料中的铀-238 氡-222,DNA氧化交联、损伤,c-Jun 、k-ras被异常激活、过表达,紫外线引起DNA链断裂、交联、染色体畸变，引起皮肤癌、黑色素瘤等。,1909年， Rous实验发现，含有鸡肉瘤病毒的无细胞滤液能诱发小鸡长肉瘤，这种病毒被称为Rous肉瘤病毒。 1958年阐明：Rous病毒中含有一个特殊基因“src”, 其表达产物可使细胞转化长肉瘤。 癌基因（oncogene，onc） 是指能引起细胞转化、并长出癌瘤的一类基因。 1966年： Rous荣获诺贝尔奖,（三）病毒的致癌作用,病毒癌基因（viral oncogene, V-onc） 病毒中含有的癌基因，可以引发癌症。,1976年（Bishop,J.M， Varmus,H.E ： 正常细胞中也有与v-onc同源的基因，被称为细胞癌基因（cellular oncogene, C-onc）。 C-onc广泛存在于各种动物细胞中，是正常基因组的一部分。 1989年： Bishop,J.M， Varmus,H.E荣获诺贝尔奖.,原癌基因（Proto-oncogene，Proto-onc ） 在正常细胞中以非激活状态存在的细胞癌基因，称为Proto-onc，对细胞无害。,当原癌基因在理化因素刺激下发生基因突变而被过度激活，引起细胞过度增殖、转化为癌细胞，此时称为癌基因。,已发现有多种病毒与人类肿瘤有关，例如：,C型KNA病毒：与白血病有关 人类疤疹病毒型（HSV-2）：与子宫颈癌有关 EB病毒：是一种人群感染率较高的致癌性疱疹病毒, 与儿童的Burkitt淋巴瘤、成人的鼻咽癌有关， 乙型肝炎病毒（HBV）与原发性肝癌有关， 艾滋病病毒的感染：与淋巴瘤、卡波奇肉瘤的发生也有关.,（1）通过癌基因表达产物促进恶性转化 致癌病毒主要通过病毒癌基因编码产物蛋白质对细胞各环节发生作用。 癌基因表达的产物（蛋白质）: 大多是生长因子及其受体类、蛋白激酶类、小G蛋白、核转录因子及核受体等，参与细胞信号转导各个环节，促进细胞过度增殖，引起癌瘤的生长。,2. 致癌机制,（2） 通过插入激活而致癌 小鼠乳腺肿瘤病毒（MMTV）原本不含癌基因。 MMTV的癌基因（V-src）序列的两端含有重复调控序列（LTR）,具有增强子样功能。 当其插入宿主细胞DNA分子中后，可促进宿主细胞基因（ int ）过表达。 MMTV的插入生长因子int基因过表达 促进细胞过度增殖。,（3） 病毒癌基因与细胞癌基因的同源性 在进化过程中，病毒感染宿主细胞后，可从宿主细胞获得一部分细胞癌基因序列，即称为病毒癌基因（V-onc）。 然后病毒癌基因再去感染宿主细胞，容易促进宿主细胞增殖、转化、癌变。,（四）遗传特性决定肿瘤的易感性,癌瘤的发生受体内、外因素的影响： 体内因素（遗传性/先天性）： 是指遗传性缺陷DNA修复机制或细胞周期调控缺陷。 体外因素（后天性）： 是指外界的一些理化因素和生物致癌因素。 在肿瘤发生过程中，体外的环境因素往往是启动因素，而个人的遗传特性决定肿瘤的易感性。,肿瘤易感个体： 1）可能通过遗传，获得了突变的、易致癌的关键基因 2）这种突变基因对环境变化很敏感 3）这种突变基因易发生癌变生长 由于上述原因，使这类个体发生癌变的机率增高。 因而同样暴露于相同的致癌物环境下，有的易生癌、有的不生癌。表明环境与遗传基因相互作用在致癌过程中非常重要。,（五）DNA修复缺陷导致基因组的不稳定性,DNA修复缺陷导致基因组不稳定基因断裂、基因重排肿瘤发生风险 2007年来自华中科大同济医学院一篇论文，报道了 7个遗传性非息肉结肠癌（HNPCC）家系的病例资料： 缺陷DNA错配修复系统基因组不稳定性肿瘤发生风险家属聚集性： 7个HNPCC家系：共有癌症患者23例，肿瘤灶27处 其中1个家系连续三代人生癌， 4个家系连续两代人生癌。,二、肿瘤生化与细胞学特点 （一）癌组织中多种酶活性与物质代谢发生改变,1）糖酵解抑制有氧氧化 2）糖异生作用减弱，出现低血糖 3）核苷酸乃至核酸合成能力大大增强 4）肿瘤组织蛋白质合成，肌肉组织蛋白分解 5）表达胎型同工酶,原因：与多种相关酶活性异常有关！,物质代 谢变化,1. 糖酵解速率增大,正常时：糖的有氧氧化抑制糖酵解,称Pasteur效应 恶性肿瘤组织： 糖酵解抑制糖的有氧氧化Crabtree效应 肿瘤组织LDH活性，糖酵解很活跃，依赖糖酵解产能提供合成代谢的能量所需。 肝癌细胞糖酵解速率是正常组织的25倍。 肝癌组织中糖酵解供能可达50%。,2. 糖异生及糖原合成能力均下降,肝细胞癌变过程中： 糖异生的4个关键酶 难以维持正常血糖浓度 糖原合酶活性 肝内糖原含量低下 更难以维持正常血糖浓度 这可能是晚期肝癌患者出现低血糖的重要原因。,3氨基酸分解下降而蛋白质合成增强,肿瘤组织： 1）谷氨酸脱氢酶、ALT、AST等酶活性、联合脱氨基作用氨基酸分解 2）氨基酸活化酶、蛋白质合成酶系使氨基酸参与蛋白质合成肿瘤组织疯长 3）肿瘤组织进一步从血液中获取氨基酸用于合成蛋白质引起肌肉组织蛋白质分解，以补充血液氨基酸机体消瘦 这可能是肿瘤患者消瘦的原因之一,1）核苷酸合成过程中的酶活性变化 核酸从头合成酶，dTMP合酶，NDP还原酶,2） DNA复制过程中的酶活性变化 DNA 聚合酶活性，拓扑异构酶活性促进细胞增殖,3） 端粒酶的活性变化 恶性肿瘤细胞中端粒酶活性，阳性率80%90%,能否通过抑制端粒酶活性，抗肿瘤细胞增殖？,4. 核苷酸乃至核酸代谢异常旺盛,5表达胎型同工酶 恶性肿瘤组织往往表达胎儿期存在的同工酶，称为胎儿型同工酶(异常高表达HK、PyrK、醛缩酶A)； 或表达胎盘中存在的同工酶，称胎盘型同工酶； 还可以表达其他成年组织中存在的同工酶，称异位型表达。,肝细胞癌变后表达胎型同工酶 高表达异位型肌型同工酶（CK） 胃肠道恶性肿瘤高表达胎肝GSH-,（二）肿瘤细胞生物学特点,1）肿瘤细胞膜性质改变 2）肿瘤细胞增殖能力强 3）肿瘤细胞分化障碍 4）肿瘤细胞周期失控 5） “肿瘤干细胞”假说,1. 肿瘤细胞膜性质改变 肿瘤细胞膜的通透性明显比正常细胞大营养物通透 组织癌变时: 细胞基质（ECM） , 细胞黏附分子（CAM）异常 细胞之间的黏附异常细胞间失去接触抑制易从原发部位脱落迁移、侵袭其他组织。 肿瘤细胞膜: 糖链改变，酸性粘多糖， 转移癌的细胞表面唾液酸负电性 膜上含肿瘤纤溶酶使血液纤溶酶原转变为纤溶酶使纤维蛋白分解，降解细胞间基质促进肿瘤向周围侵袭、转移。,肿瘤细胞增殖能力强 1）与细胞增殖相关的酶活性增高： 核苷酸合成酶、DNA聚合酶、拓扑异构酶、氨基酸活化酶、蛋白质合成酶系均增高细胞增殖 2）细胞信号转导通路中的蛋白激酶活性改变： PKA活性 细胞分化，良性生长 PKC、RTPK使信号转导蛋白发生磷酸化修饰 细胞增殖 RTPK属于生长因子受体型酪氨酸激酶，接受生长因子信号 细胞增殖,3. 肿瘤细胞分化障碍 肿瘤细胞增殖程度高、分化程度低，或发生趋异性分化，出现多向分化： 如髓母细胞瘤可见有神经元分化成分、各种胶质细胞分化成分、甚至出现肌细胞成分，称此为趋异性分化 。这种在一种类型肿瘤组织中出现另一种肿瘤成分的现象，被称为肿瘤的化生。,肿瘤细胞的趋异性分化，使核型不规则、出现巨核、双核、多核,肿瘤的趋异性可能是肿瘤细胞具有侵袭性、转移性的又一原因。,4. “肿瘤干细胞”假说 肿瘤干细胞：是指具有恶性增殖能力的、能促进肿瘤生长的细胞群，若要彻底治愈肿瘤，必须清除这类细胞。 肿瘤干细胞假说：认为在肿瘤中存在着一小部分具有干细胞功能的细胞，这类细胞具有形成并维持肿瘤生长和异质性的能力，与肿瘤转移与肿瘤复发关系极为密切。,提出“肿瘤干细胞”的研究与治疗策略！,高表达ABC转运蛋白，具有严格的细胞周期及停留于G0期，有较高的抗氧化、抗凋亡、抗修复能力，较高的自我更新能力。,2019/6/24,36,4. 细胞周期失控是肿瘤形成的重要原因,受Cyclin/cdk调控,细胞周期的不同阶段受 Cyclin/Cdk的调控。Cyclin作为调节亚基，Cdk作为催化亚基，通过两者形成Cyclin-Cdk复合物而激活Cdk活性，调节细胞周期进程。 与Cyclin相反，Cdk抑制蛋白（CKI）抑制Cdk活性。,(P21、p16),Rb不被磷酸化,Rb-P,cyclin/CDK,2) p21和p16都是CKI 家族成员： p21和P16蛋白通过抑制Cyclin-Cdk活性 Rb不被磷酸化修饰而活化 活性Rb蛋白与E2F结合 细胞周期停在G1 细胞增殖,1) Cyclin促进CDK活性Rb-P而失活E2F活化细胞进程,3) P21又受P53的促进,正常时：p53蛋白 促进p21蛋白表达 抑制Cyclin/CDK活性,P16蛋白, Rb非磷酸化 （有抑制E2F的活性）,正常时：非磷酸化-Rb与E2F结合（形成Rb-E2F）使E2F失活细胞停留在G1,细胞癌变时： Rb-p E2F活性细胞周期越过G1/S期关卡细胞增殖,由上所知，肿瘤的发生是多因素事件，往往累及到肿瘤细胞内有多种物质代谢发生改变，细胞多种性质发生变化。 能否寻找一些特异性的肿瘤标志物，用于肿瘤的诊断、分类、预后判断及治疗？,如： AFP（甲胎蛋白）、 CEA（癌胚抗原）、 PAP（前列腺酸性磷酸酶）、 NSE（烯醇化酶）、-GT（ - 转肽酶）等,肿瘤组织疯长： 是与癌基因与抑癌基因的调控作用发生异常有关！,癌基因与抑癌基因如何实现对细胞生长的调控？,通过其表达产物来实现！,三、癌基因表达产物及其作用,癌基因表达产物： 生长因子类，生长因子受体，信号转到导蛋白类，细胞周期蛋白类，细胞凋亡调节蛋白类，转录因子类等，,从上图看出，癌基因表达产物与细胞信号转导通路关系密切，参与了许多重要的细胞活动 ，包括细胞生长、分化、基因表达调控、细胞周期调控等，并在细胞凋亡、衰老过程中也起着重要作用。 如果没有癌基因及其表达产物，细胞的生长、增殖就会受到影响，受精卵就不能分裂，胚胎不能发育，组织受损后不能再生和修复，细胞不能正常生长，生物也就不能生存。 但是，当癌基因被过度激活异常表达时，细胞生长失控，易导致肿瘤的发生。,四、细胞信号转导通路与肿瘤细胞的异常增殖,许多癌基因表达产物作为细胞信号转导蛋白，参与细胞生长、增殖、分化的调控。 因此，近年来从细胞信号转导角度，研究肿瘤发生与发展的机制，以及药物的作用及其靶点成为近年来肿瘤防治研究的热点。 （1）Ras-MAPK(ERK)途径； （2）TGF-Smad途径； （3）JAK-STAT途径等。,（1）Ras-MAPK(ERK)途径,GFRTPKRasMAPK系统转录因子基因表达细胞生长、增殖,TGF-Smad信号转导途径 -转化生长因子（TGF） TGF受体（型、型） Smad家族（8个成员/三类） 受体调节SmadR-Smad 共配体SmadCo-Smad 抑制性SmadI-Smad,R-Smad: (Smad1、2、3、5、8) Co-Smad: （Smad4） I-Smad: (Smad6、7),TGF-Smad传递途径,TGF 是一种多功能细胞因子，参与免疫调节、肿瘤发生、造血调控、炎症反应、组织纤维化等多个方面调节作用。,癌症早期： TGF抑制肿瘤细胞增殖、诱导其凋亡 肿瘤进展期： TGF对肿瘤细胞抑制作用逐渐消失，反而促进 肿瘤发展晚期：抑制免疫、促进血管新生、细胞外基质分泌 利于肿瘤细胞生长、转移、浸润。 调节组织纤维化： Smad3/Smad7异常表达胶原蛋白基因异常表达纤维化,TGF信号途径调节肿瘤的发生 ：,最近几年还发现细胞凋亡与增殖的不平衡，新生血管的生成等都可能引起细胞过度增殖，导致肿瘤的形成。 最近提出“多基因协同假说”，认为细胞癌变是由多个基因的异常激活或失活引起，而非单一基因。 对此，国内多个单位联合起来开展肿瘤基因组学研究，期待探明肿瘤的发生究竟与那些基因突变或异常表达有关，为临床的基因靶向治疗提供线索。,五、肿瘤的预防,国际抗癌联盟发布数据表明，2008年全球有1270万人患癌，死亡人数760万，死亡率60%。 我国每年癌症发病人数约260万，死亡180万，死亡率69%，目前还处于快速上升期。预计到2020年，癌症死亡人数将达300万/年。 其中约4成癌症是由不良生活方式、感染、饮食问题、职业或环境因素等引起。 全球肺癌死亡人数中，80%-90%由吸烟导致； 过度肥胖也是导致肿瘤的原因之一。这些因素是可控、可防的。,预防癌症可分三个层次： （1）病因学预防：主要是针对各种理化因素、生物因素、以及来自体内外的各种致病因素，采取预防措施，加强环境保护、降低肿瘤的发生率。 WHO建议：避免动物脂肪、增加粗纤维饮食、减少肉食，增加水果和蔬菜、避免肥胖。 对于每一个人来说，每天养成良好的饮食习惯、均衡营养，远离烟草，加强锻炼，合理控制体重，增进身心健康，肿瘤的发生几率会大大减少。 对于政府需加强环保措施：解决农业滥用农药、工业排污问题、城市汽车排放废气、家庭有害垃圾分类回收等。,（2）早发现、早诊断、早治疗： 将肿瘤扼杀在摇篮之中。 大量动物实验和临床事实证明，恶性肿瘤的发生与发展均具有一定规律和过程，从刚接触致癌因子到病死，期间有一段相当长的反复演变过程，如果能够早发现、早诊断、早治疗，大约有80%-90%的患者是可以治愈的。,（3）康复性预防： 对已经确诊为肿瘤的患者，医生应选择合理的或最佳的诊疗方案，尽早给予治疗，防治病情继续恶化，防止致残，提高患者的生活质量，延长患者生命。,六、中医药治