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第十八章肿瘤遗传学 肿瘤 一群生长失去正常调控的细胞形成的新赘生物 neoplasm 85 为癌 carcinoma 2 为肉瘤 sarcoma 5 为淋巴瘤 lymphoma 3 为白血病 leukemia 肿瘤遗传学 CancerGenetics 应用遗传学的基本原理 方法 从遗传方式 遗传流行病学 细胞遗传和分子遗传学等不同的角度探讨肿瘤发生与遗传的关系 肿瘤防治的新途径 进而开辟一门多学科渗透的新兴学科 通常在文献中见到 Tumor 泛指肿瘤 包括良性 恶性 肿物 Cancer 恶性肿瘤的总称 癌肿 Sarcoma 源于间叶组织 肌肉 骨 软骨 纤维 的恶性肿瘤 如骨肉瘤 纤维肉瘤 Carcinoma 来源于上皮的恶性肿瘤 癌 来源于鳞状上皮 鳞癌 来源于腺上皮 腺癌 例如 胃粘膜上皮恶变 胃癌 另外 肝癌 皮肤癌 肠癌等 一 癌家族 Cancerfamily 某些癌症具有家族性聚集倾向 表现为一个家系几代人多个成员 同一 不同器官恶性肿瘤许多常见肿瘤如乳腺癌 结直肠癌 肺癌 胃癌等发生 一级亲属再发风险高于一般群体3 10倍 如 Lynch癌家族综合征Li Fraumeni综合征 第二节肿瘤发生的遗传因素 Lynch癌家族综合征 特点 1 肿瘤发生率高 2 某种肿瘤 腺癌 肉瘤 发病率高 3 肿瘤有多发性 部位 4 发病年龄早 5 符合常染色体显性遗传特点 Li Fraumeni综合征 LFS 是以乳腺癌为主的癌家族综合征 呈AD 还患有脑瘤 骨肉瘤 横纹肌肉瘤 白血病 肺癌 结肠癌 肾上腺皮质癌等 同卵双生子发病一致率研究77对白血病患者双生子调查 同卵双生者发病一致率高遗传因素20对同卵双生子发病部位调查 患者患同一部位的同样肿瘤遗传因素 肿瘤发生率的种族差异不同种族中某些肿瘤发病率有明显差异例如 鼻咽癌中国人马来人印度人13 3 3 0 4移居到美国的华人比美国人高34倍 松果体瘤日本比其他民族高十余倍 种族差异主要是遗传差异所致 在肿瘤发生中也起作用 癌家族 cancerfamily 特点 1 人体各部位均可发生 2 家族中发病率高 3 发病年龄早 4 AD遗传 第二节遗传性恶性肿瘤 一 视网膜母细胞瘤 Retinoblastoma RB 儿童期 多在4岁以前 发病的一种眼内的恶性肿瘤发生率约1 21000 1 10000临床表现 早期为眼底灰白色肿块 多无自觉症状 以后肿瘤长入玻璃体 使瞳孔呈黄色光反射时 才容易被发现 称为 猫眼 遗传型多为双侧发病 发病早 有家族史 非遗传型多为单侧发病 且在2岁以后才发病 视网膜母细胞瘤 RB 遗传性非遗传性 散发型 AD遗传散发家族史无双侧单侧 约90 早发晚发20 25 75 80 Kundson 1971 以视网膜母细胞瘤的遗传分析为基础提出了著名的 二次突变论 无论是遗传性肿瘤还是非遗传性肿瘤的发生均需要经过二次或二次以上的突变才能使细胞癌变 所不同的是遗传性肿瘤的第一次突变发生在生殖细胞 或者由亲代传来 第二次发生在体细胞中 从而使细胞癌变 而散发的肿瘤两次突变都发生在体细胞 该假说认为 一个细胞的恶性转化至少需要两次以上的遗传损伤的打击 对有的组织来说需要两次以上的遗传损伤的打击 正常的细胞以一种恰当的机制控制自身的生长 一次突变只能体引起细胞某种程度的增殖 并不足以使细胞完全脱离正常的调控机制 三 肿瘤发生中的多步骤遗传损伤假说 正常的细胞以一种恰当的机制控制自身的生长 一次突变只能体引起细胞某种程度的增殖 并不足以使细胞完全脱离正常的调控机制 所以这样说有着令人信服的理由 据估计人体细胞总量约为1014 而每个基因在复制过程中的突变率为10 6 如果一次突变足以引起细胞癌变的话 那么癌变将每天发生 因此 带有单一突变的细胞将有完全正常的表型或者稍有一些生长优势 随着进一步遗传损伤的发展 细胞获得更大的自主性 其繁殖能力增强 最后再多次遗传性损伤影响下 细胞完全癌变 并侵犯邻近的组织 扩散到身体的其他部位 二次突变假说 Two hit 1971年 Knudson在研究视网膜母细胞瘤时提出了 二次突变 假说 假说认为 在有遗传倾向的的病人体内所有体细胞都存在一种突变 在此基础上 出生后任何环境的变化使得基因的另一个等位基因发生突变而发生成肿瘤细胞 KnudsonAGJr Mutationandcancer statisticalstudyofretinoblastoma ProcNatlAcadSciUSA 1971Apr 68 4 820 3 二次突变假说1971年 Knudson在研究视网膜母细胞瘤时提出了 二次突变 假说 假说认为 在有遗传倾向的的病人体内所有干细胞和体细胞都存在一种突变 在此基础上 任一视网膜母细胞若再出现第二次突变 即可导致肿瘤发生 二次突变 假说的意义 1 为解决遗传性和体细胞突变通过何种机制在肿瘤发生过程中起作用提供了思路 2 肿瘤细胞发生过程中隐性遗传性决定因素与体细胞表型连接起来 二 肾母细胞瘤 Wilms瘤 WT 婴幼儿恶性胚胎肿瘤 患者腹部有无症状的肿块 发病率为1 10000 3 4的肿瘤发生在4岁以前 90 在20岁前发生 可分为遗传型和非遗传型 遗传性非遗传性 散发型 AD遗传散发双侧单侧早发晚发38 62 Wilms瘤如伴有无虹膜 泌尿生殖道畸形 智力低下 则称为WAGR综合征 该综合征患者有11号染色体短臂的中间缺失 del 11 p13 因此认为11p13位点载有肿瘤抑制基因 三 神经母细胞瘤 Neuroblatoma NB 一种儿童常见的恶性胚胎瘤 起源于神经嵴 发病率约1 10000 有的NB还并发神经纤维瘤 神经节瘤 嗜铬细胞瘤等 可分为遗传型和非遗传型 遗传性非遗传性 散发型 AD遗传散发早发晚发多发单发20 80 致病基因定位于1p36 该基因的第一次突变可能只干扰神经嵴的正常发育 第二次突变才导致恶性肿瘤的发生 研究表明 Wilms瘤基因 WT 是一种抑癌基因 基因产物为一种有锌指结构的蛋白质 与早期生长反应基因 EGR 1 的DNA相结合而抑制其转录激活作用 患者的肿瘤组织中有WT的纯合缺失 其正常组织中则为杂合子 Wilms瘤发生机理可能与视网膜母细胞瘤相同 第三节 遗传性癌前病变 一些单基因遗传的疾病和综合征中 有不同程度的恶性肿瘤倾向 称为癌前病变 precancerouslesion 其遗传方式大部分为常染色体显性 一 家族性结肠息肉综合征 FamilialPolyposisColi FPC 常染色体显性遗传特征 为病变局限于结肠和直肠 息肉为腺瘤性 数目可多可少 十几岁时即可能开始恶变为腺癌 40岁前多恶变为癌 致病基因 APC是一种抑癌基因 位于5q21 q22 在其有杂合性缺失的基础上 又经癌基因KRAS2 抑癌基因DCC p53等的多步变化 才形成结肠腺癌 二 神经纤维瘤 Neurofibromatosis NF 常染色体显性遗传 患者的皮肤有牛奶咖啡斑和纤维瘤样皮肤瘤 如有6个以上直径超过1 5cm的牛奶咖啡斑即可诊断为该病 在儿童期 皮肤中即可出现神经纤维瘤 主要分布于躯干 从针尖至橘子大小 3 15 可恶变为纤维肉瘤 鳞癌和神经纤维肉瘤 致病基因NF位于11q11 2 是一种抑癌基因 其产物有特异的抑制RAS癌基因的作用 三 基底细胞痣综合征 BasalCellNervesSyndrome BCNS 是常染色体显性遗传 患者面部 手臂和躯干有多数基底细胞痣 青春期增多 青年期即可发生恶变 40岁时90 恶变为基底细胞癌 并有颌骨囊肿 致病基因BCNS位于9q22 3 q31 是一种抑癌基因 第四节恶性肿瘤的遗传易感性 一 染色体脆性部位与肿瘤 一 罕见型脆性部位 二 普通型脆性部位 三 罕见型脆性部位与恶性肿瘤发生的关系 四 普通型脆性部位与恶性肿瘤发生的关系 二 染色体不稳定综合征与肿瘤 一些疾病或综合征 由于DNA修复酶缺陷导致染色体不稳定 易发生断裂 缺失 重排 这些现象称染色体不稳定综合征 在此基础上患者易患白血病或其他恶性肿瘤 染色体不稳定综合征 Chromsomeunstablesyndrome Bloom s综合征Fanconi贫血毛细血管扩张性共济失调着色性干皮病 共同特征 AR DNA修复系统异常 所以染色体DNA不稳定 易于发生断裂或重排 易患白血病或其他恶性肿瘤 一 Bloom综合征常染色体隐性遗传病 东欧犹太人的后裔中多见 病因 患者染色体不稳定 有免疫功能缺陷 表现 身材矮小 一岁时面部暴露于日光的部位出现蝴蝶状红斑 毛细血管扩张所致 常伴发白血病和其他恶性肿瘤 可恶变为纤维肉瘤 鳞癌和神经纤维肉瘤 致病基因BLM位于15q26 1 二 Fanconi贫血 FA 常染色体隐性遗传 儿童骨髓疾病 患者全血细胞减少 又称先天性全血细胞减少症 白血病的发生率比一般人高20倍 常伴发侏儒 小眼球 心 肾畸形等 一些FA患者在粘膜与皮肤交界处 口唇 肛门和阴唇 可发生鳞状上皮癌 病因 缺少核酸外切酶 exonuclease 非同源染色体之间常交联 易位 致病基因定位于20q13 三 毛细血管扩张性共济失调症 AT 常染色体隐性遗传病 常在儿童期发病 患者1岁起进行性小脑共济失调 4 6岁时 眼 面部 颈部 尤其是眼结膜可出现瘤样毛细血管扩张 常伴发白血病 特别是T淋巴细胞白血病和乳腺癌 染色体自发断裂率增高 14q12为断裂热点 所以形成的淋巴细胞白血病常有14q 的易位 四 着色性干皮病 XP 常染色体隐性遗传病临床表现 主要是皮肤对紫外线非常敏感 日光照射后可发生色素沉着 红斑等病变 可恶变为基底细胞癌或鳞状上皮癌 常在儿童期发生恶性肿瘤 并死于癌转移 病因 缺少核酸酶 DNA的切除修复系统有缺陷 不能切除紫外线诱发的嘧啶二聚体 因而导致突变率增高 三 免疫缺陷与肿瘤 四 环境中致癌剂的代谢特征与肿瘤 肿瘤始动阶段的致癌物是一系列天然的或人工合成的化合物 分为直接作用和间接作用化合物或致癌物前体 前者自身为致癌物 后者通过体内代谢最终转变为致癌物 在致癌物前体中主要的一类酶是细胞色素P 450依赖性单氧化酶的同工酶 在群体中 酶的活性和诱导性的变异较大 当经历始动阶段的细胞暴露于促进剂时 遗传损伤的细胞数将增加 随着持续分裂 这些具有遗传突变的细胞将面临着选择 因此 促进阶段涉及癌前病变细胞的增殖 恶性转化及肿瘤的进展等 促进剂不致突变 是通过诱导细胞增殖机制而起到促进肿瘤的作用 如蛋白激酶C是磷酸肌醇信号传导通路的复合物 正常情况下受控于第二信使乙酰甘油 TPA 纤维蛋白酶原激动子 激活蛋白激酶C 活化的蛋白激酶C引起靶蛋白的磷酸化 最终刺激细胞增殖 第五节染色体异常与肿瘤 数目异常结构异常染色体异常是癌细胞遗传学的基本特征细胞内染色体的不稳定是产生肿瘤的根本原因 Boveri1914 每一个正常细胞中有一种特殊的排列可以抑制细胞分裂 假定存在一些抑制分裂确定的染色体 它的丢失将引起肿瘤细胞的无限生长 另一方面 假定还存在促进分裂的染色体 当受到某种刺激激活时 细胞就发生分裂 由此可推断恶性肿瘤细胞的快速无限增殖的趋势 是由于促进分裂的染色体的持久优势所致 TheodorBoveri 1911 今天 大量的科学证据表明 抑制细胞生长的染色体抑癌基因促进细胞生长的染色体癌基因 同一肿瘤的每个细胞具有共同的染色体特点经分裂 增殖而成的克隆同一突变细胞但由于各种因素影响 克隆癌细胞核型有不同变化 克隆演化 cloneevolution 主导克隆 干系 stemline 众数 modalnumber 非主导克隆 旁系 sideline 一 数目异常 多为非整倍体或异倍体 超二倍体 染色体 46条 非整倍体亚二倍体 染色体 46条 三倍体多倍体四倍体数目变化并不反映恶性程度 染色体断裂 重排形成的结构异常的染色体经常出现于某一种肿瘤细胞中 则称之为标记染色体 染色体结构异常 易位 缺失 引起癌基因的激活和抑癌基因的失活 这是癌症发生的重要分子基础 二 结构异常 1 Ph1染色体1960年首先在美国费城的CML患者骨髓和外周血淋巴细胞中 发现一个很小的近端着丝粒染色体 小于G组染色体 被称为Ph1染色体 原因 t 9 22 q34 q11 易位结果导致9q 和22q Ph1 临床意义 1 作为CML诊断依据 约95 的CML病例中存在Ph1染色体 2 用于预后判断 Ph1阴性CML对治疗反应差 预后不佳 3 用于早期诊断 Ph1染色体先于临床症状出现 t 9 22 q34 q11 9q 和22q Ph1 95 2 14q 染色体 Burkitt淋巴瘤 BL 患者的特异性标记染色体 在75 的BL患者中存在 t 8 14 q24 q32 8q 和14q 结果8q24转移至14q32myc与IgH结合BCR1 22q11 ABL 9q34 易位癌基因激活融合基因 第六节癌基因 癌基因 oncogene 使细胞发生癌变 引起细胞无限增殖和恶性转化的基因 癌基因的发现 1910年Rous发现鸡肉瘤病毒 RSV RNA反转录病毒 1963年Dulbeco发现正常细胞感染病毒可恶变为癌细胞 1970年Baltimore发现病毒感染宿主时 RNA经逆转录酶合成DNA并整合到宿主DNA 从而导致宿主细胞的恶性转化 1970年Marein证明细胞恶性转化与RSV基因组中一个特定的基因src相关 该基因被命名为病毒癌基因 viraloncogene v onc 即v src 1976年Bishop证明正常细胞中存在与v oncogene同源序列 细胞癌基因 cellularoncogene c onc 与v src对应者名为c src 80年代初Weinberg等几个实验室通过转染实验证明人体细胞中的癌基因H ras 现已发现100多种的oncs 在致瘤病毒 人体和动物肿瘤中发现的可以导致细胞恶性转化的核酸片断 称为癌基因 根据其来源可以分为两类 病毒癌基因 原癌基因 或者细胞癌基因 无论病毒癌基因还是细胞癌基因被激活后均有诱导肿瘤发生的作用 所以有时候我们又将肿瘤细胞中的癌基因称为肿瘤癌基因 病毒癌基因 virus oncogene v onco 指病毒核酸能够使细胞恶性转化的片断 原癌基因 proto oncogene pro onco 在人类 哺乳动物如大鼠 小鼠 乃至酵母 果蝇中发现的与肿瘤病毒癌基因的同源顺序 这种基因是正常的细胞基因 其表达产物的功能在于维持细胞的正常生长发育 但是 这种基因一旦被某些因素激活酒会转变成有转化能力的癌基因 一 细胞癌基因的功能 依其编码产物 分布于细胞的不同部位 功能分类 1生长因子 sis PDGF2生长因子受体 erbB1 EGFR3细胞周期素 CDK网络成分和激酶抑制子4信号传递因子 src Ras5核转录因子 Raf 细胞质 myc fos jun等 二 癌基因的激活机制 细胞中原癌基因可以通过一些机制被激活 导致基因表达或过表达 从而使细胞癌变 不同的癌基因激活的机制与途径不同 一般分为4类 癌基因的激活机制 点突变 pointmutation 病毒诱导与启动子插入激活基因扩增 geneamplification 染色体易位或重排 chromosometranslocationorrecombination 癌基因的激活机制 1点突变 pointmutation 单个碱基突变而改变了编码蛋白质的功能使癌基因激活 K ras N ras H ras 12 13 61codon突变 2启动子插入 promoterinsertion 接种4 12个月ALV鸡 1日龄 B C淋巴瘤 ALV 鸟类白细胞组织增生病毒 含有LTR 具有启动子 一旦整合到细胞癌基因c MYC旁可使之激活 突变原理 在一些化学诱变剂 如亚硝胺甲脲 NMU 诱发乳腺癌细胞基因组 活化Ha ras基因 推测NMU能够引起鸟嘌呤O6为甲基化 如不能被修复 则在复制时 鸟嘌呤被腺嘌呤取代 则其p21蛋白的序列发生点突变 导致甘氨酸 天冬氨酸 12位甘氨酸 天门冬氨酸 GCGCGCGCACATCGCGCG O6甲基化复制 3基因扩增 geneamplification 细胞学 均质染色区 HSR 染色体某个节段 相对解旋 浅染区 染色体增长 双微体 DM 扩增的DNA脱离染色体 分散 成双的染色质小体分子水平 基因拷贝倍增 神经母细胞瘤N myc DNA扩增与癌基因细胞内一些基因通过不明原因的复制成多拷贝 这些DNA以游离的形式存在称双微体 DMS 或再次整合入染色体形成均染区 HSR 它一般表示染色体结构破坏和不稳定性 基因拷贝数增多往往导致基因表达增多 因此 可以认为基因扩增和过量表达均可影响细胞正常生理功能 均质染色区 HSR 和双微 DM 染色体的易位类似于启动子的插入 染色体的易位导致癌基因的重排 从而激活癌基因 最为典型的是t 9q34 22q11 t 8q24 9q32 4 易位激活 染色体重排与癌基因 最初研究发现在淋巴瘤和淋巴细胞白血病中存在免疫球蛋白或T细胞受体基因与未知染色体基因易位 导致一些未知基因易位到免疫球蛋白或T细胞受体 这种排列方式可以导致只在神经组织或胚胎细胞中表达的基因在有可能在B细胞或T细胞中表达 这种表达可导致细胞的增殖和分化异常 每一个正常细胞中有一种特殊的排列可以抑制细胞分裂 假定存在一些抑制分裂确定的染色体 它的丢失将引起肿瘤细胞的无限生长 另一方面 假定还存在促进分裂的染色体 当受到某种刺激激活时 细胞就发生分裂 由此可推断恶性肿瘤细胞的快速无限增殖的趋势 是由于促进分裂的染色体的持久优势所致 TheodorBoveri 1911今天 大量的科学证据表明 抑制细胞生长的染色体抑癌基因促进细胞生长的染色体癌基因 肿瘤抑制基因 抑癌基因 TumorSuppressorGene TSG 正常细胞中存在的一类调节细胞生长增殖分化的基因 具有抑制肿瘤细胞增殖作用 当其一对基因拷贝失活 丧失功能后 形成隐性状态才失去抑制肿瘤发生的作用 故亦称隐性癌基因 肿瘤抑制基因 tumorsuppressorgene 一类与细胞周期调控有关的基因 当这些基因正常表达时 具有抑制细胞分裂的功能 这些基因的失活或缺失 会导致细胞非正常的分裂 正常细胞有可能转化为肿瘤细胞 1968年Harris实验 癌细胞系X正常细胞无恶性表型细胞正常癌细胞 染色体部分丢失 肿瘤抑制基因 TumorSuppressorGene 又称为抗癌基因 anti oncogene 抗癌基因的功能是抑制细胞的生长和促进细胞的分化的基因 具