生物化学与分子生物学癌基因肿瘤抑制基因与生长因子xiePPT课件.ppt

肿瘤 tumor 是指细胞在致癌因素作用下 基因发生了改变 失去对其生长的正常调控 导致单克隆性异常增生而形成的新生物 这种新生物常形成局部肿块 因而得名 根据肿瘤的生物学特性及其对机体的危害性的不同 肿瘤可分为良性肿瘤和恶性肿瘤两大类 良性肿瘤生长缓慢 与周围组织界限清楚 不发生转移 对人体健康危害不大 恶性肿瘤生长迅速 可转移到身体其他部位 还会产生有害物质 破坏正常器官结构 使机体功能失调 威胁生命 1 2 癌基因 抑癌基因与生长因子的关系 癌基因 抑癌基因 细胞 生长因子 正调控 负调控 产物 3 一 概念癌基因 细胞内控制细胞生长和分化的基因 它的结构异常或表达异常 可以引起细胞癌变 第一节癌基因 Oncogene 4 二 癌基因理论的确立PeytonRousandRoussarcomavirus 5 1966年诺贝尔奖授奖仪式上生理学或医学奖评定委员会委员G 克莱因教授致词 那是1910年 那时刚刚了解 每个个体细胞都通过分裂而来自其他细胞 癌细胞的分裂方式与正常细胞完全一样 不同之处仅在于它们往往肆无忌惮地侵入正常的组织屏障 那时也刚刚认清 某些传染病是由一些小得在光学显微镜下看不见 并能通过细菌通不过的超滤器的生物所引起 这些生物称为滤过性 毒物 或病毒 就在那时和那时前后 现代生物学尚未建立 人们还不能设想看不见的病毒与癌细胞的自行其是的生长之间会有什么关系 大约就在这个时候 洛克菲勒研究所30岁的研究人员劳斯进行了一些实验 这些实验乍看起来有点生拉硬扯 他把一只母鸡身上的恶性结缔组织 肉瘤 制成无细胞滤液 并把它接种入健康的鸡体内 结果是令人惊讶的 接受滤液的个体也患上了与上述母鸡完全一样的肿瘤 说明 6 1932年 Shope发现 野生棉尾兔的皮肤肿瘤也可借助无细胞滤液传播 把这些实验联系在一起 劳斯第一个想到正常细胞之变成癌细胞不一定是个突然的过程 那些原来作为整体一部分的细胞可能通过若干步骤 逐渐变成独立的自行其是的癌细胞 劳斯把这个过程称为 肿瘤进展 在这个过程开始时 潜在的癌细胞处于 休眠 状态 被化学因子 病毒或激素刺激唤醒之后 他们就采取一种更加无法无天的生活方式 劳斯关于肿瘤进展的发现很快在许多实验系统内得到证实 另一方面 他的病毒理论则备受怀疑 一般认为 病毒病都具有传染性 而癌症不能传染 这种说法如此根深蒂固 所以人们往往把各种病毒原性肿瘤解释为不可思议的例外 7 到1950年 情况有了迅速改变 由于微生物遗传学的发展 发现某些病毒能将自己的部分遗传物质注入细胞内而不杀死细胞或抑制其增殖 这样引入的病毒物质可以整合到受体细胞的基因中 并且其行为就如同新的遗传因素一样 引起某些细胞特性的永久性改变 重新估计了病毒概念之后 就有可能了解病毒怎么会将正常细胞循规蹈矩的行为改变为特见于癌细胞的恶性增生 Rous病毒是一种急转化逆转录病毒 acutetransformingretrovirus RNA病毒 追踪研究逆转录病毒致癌的线索 Bishop等人于1980年提出了癌基因假说 根据这一假说 引起Rous鸡肉瘤等的逆转录病毒的基因组中存在有致癌基因 即病毒癌基因 v onc 该癌基因来源于正常细胞基因组中的部分序列 即逆转录病毒中的致癌基因序列是在进化过程中从宿主细胞基因组中获得的 8 1966年 87岁的劳斯获得诺贝尔奖 9 Virus likeparticlesassembledinvitrowithpurifiedRoussarcomavirusGagprotein 反转录病毒颗粒结构 10 劳氏肉瘤病毒 RSV Roussarcomavirus 基因组结构图 LTR longterminalrepeat 序列是调节区 含有反转录病毒DNA基因组表达所需要的全部调节元件 在劳氏肉瘤病毒基因组中 src是额外的肿瘤式基因 它能诱发RSV感染的动物产生肉瘤 11 反转录病毒癌基因 v onc 的起源 12 逆转录 复制 整合 转录 感染 病毒RNA RNA DNA 前病毒DNA 细胞基因组DNA 病毒RNA 癌基因 RNA病毒颗粒 宿主细胞 再感染 宿主细胞 携带癌基因的病毒颗粒 RNA病毒与宿主细胞基因组整合过程示意图 Proto oncogenes 癌变 13 14 根据来源分为病毒癌基因与细胞癌基因两类 病毒癌基因 virusoncogene v onc 是一类存在于肿瘤病毒中 能使靶细胞发生恶性转化的基因 病毒癌基因不编码病毒的结构成分 对病毒复制也没有作用 但可以使细胞持续增殖 细胞癌基因 cellular oncogene c onc 存在于正常细胞基因组中的癌基因 又称原癌基因 proto oncogene pro onc 二 分类 15 一 原癌基因 细胞癌基因 特点广泛存在于生物界基因序列高度保守表达产物对细胞正常生长 繁殖 发育和分化起着精确的调控作用基因结构发生异常或表达失控 导致细胞生长增殖和分化异常v onc与c onc的不同 v onc不含内含子v onc与c onc的核苷酸序列不完全相同v onc丢失了原癌基因两端的某些调控序列 而在病毒高效启动子作用下有较高的转录活性 16 断裂基因 完整的没有断裂的可读框 17 功能上相关的癌基因家族分类 src家族 产物多具有酪氨酸蛋白激酶活性 能促进增殖信号的转导 ras家族 编码小G蛋白p21 参与cAMP水平的调节 myc家族 编码核内DNA结合蛋白 调节其他基因转录的作用 sis家族 编码的p28 能刺激间叶组织的细胞分裂繁殖 myb家族 核内转录因子 18 人体内细胞癌基因的分类及功能举例 19 癌基因最早发现于逆转录病毒中 1911年 F Rous医生首次提出病毒引起肿瘤 但直到上一世纪50年代才得到实验证实 命名为罗氏肉瘤病毒 RousSarcomaVirus RSV 二 病毒癌基因 20 病毒基因组结构 21 病毒癌基因v src来源于宿主细胞的C SRC基因 22 23 Oncogene Epstein Barrvirus 24 一 获得启动子与增强子 二 癌基因活化的机制 逆转录病毒感染细胞后 病毒基因组所携带的长末端重复序列 LTR内含较强的启动子和增强子 插入到细胞原癌基因附近或内部 启动下游邻近基因的转录和影响附近结构基因的转录水平 使原癌基因过度表达或由不表达变为表达 从而导致细胞发生癌变 25 鸡 禽 白细胞病毒 avianleucosisvirus ALV 逆转录病毒 正常宿主细胞 病毒DNA的LTR被整合到宿主细胞c myc癌基因附近成为其启动子和增强子 c myc癌基因表达为正常的30 100倍 exon 1 exon 2 exon 3 c myc基因 exon 1 exon 2 exon 3 LTR exon 1 exon 2 exon 3 LTR ALV ALV LTR exon 1 exon 2 exon 3 ALV LTR 缺乏癌基因的逆转录病毒致癌模式 26 二 染色体易位 在染色体易位的过程中发生了某些基因的易位和重排 使原来无活性的原癌基因移至强的启动子或增强子附近而被活化 原癌基因表达增强 导致肿瘤的发生 费城染色体 1960年 在美国费城 Nowell和Hungerford发现慢性粒细胞白血病的患者中 有一个很小的近端着丝粒染色体 称为费城染色体 Philadelphiachromosome Ph Ph染色体现已被公认为是慢性粒细胞性白血病的特异标记染色体 27 c abl原癌基因的易位激活 c abl c abl原癌基因 经重排后插入到bcr基因的启动子后 使其转录活性增加 从而引起慢性粒细胞性白血病 28 三 基因扩增 原癌基因可通过基因扩增 geneamplification 使基因拷贝数可升高几十甚至上千倍不等 发生扩增的机制目前尚不清楚 基因扩增可致编码产物过量表达 细胞发生转化 蛋白质结构未变化 但总量大大提高 29 c myc基因 c myc基因是禽类白血病增生病毒 ALV 癌基因的同系物 在细胞静止期 c myc几乎不表达 但在有丝分裂原刺激下迅速表达促使细胞由G0期进入G1期 增加细胞数量 因此 c myc原癌基因与细胞周期调控有关 c myc原癌基因激活的主要机制 扩增 重排和异常高表达 另外 c myc基因低甲基化可能为其激活的另一重要机制 1985年 Shibuya首次在部分胃癌细胞中发现c myc基因扩增和高表达 30 31 四 点突变 原癌基因在射线或化学致癌剂作用下 发生单个碱基的替换 点突变 pointmutation 从而改变了表达蛋白的氨基酸组成 造成蛋白质结构的变异 基因点突变是癌基因活化的主要方式 1982年 美国3家研究机构 麻省理工大学 国立癌症研究所和哥伦比亚大学 几乎同时发表这样的实验结果 人膀胱癌细胞EJ株的恶性转化是由于其原癌基因c H ras 356个碱基 的点突变所致 1234567891011121314正常细胞H ras碱基序列ATGACGGAATATAAGCTGGTGGTGGTGGGCGCCGGCGGTGTG肿瘤细胞H ras碱基序列ATGACGGAATATAAGCTGGTGGTGGTGGGCGCCGTCGGTGTG正常p21蛋白氨基酸序列MetThrGluTyrLysLeuValValValGlyAlaGlyAlaVal肿瘤p21蛋白氨基酸序列MetThrGluTyrLysLeuValValValGlyAlaValAlaVal 32 突变的Ras癌基因蛋白质被锁定在激活状态 GDP GDP GTP GTP Pi 无活性的Ras蛋白 有活性的Ras蛋白 输入的信号刺激GDP GTP交换 内源性GTP酶活性 输出信号 突变的Ras癌基因蛋白质被锁定在激活状态 33 Harrey和Kirfen鼠肉瘤病毒上发现 称H ras K ras 人神经母细胞瘤上发现N ras 基因突变往往发生在12 13和61密码子 以12密码子最常见 34 癌基因活化的4种机制示意图 35 出现新的表达产物出现过量的正常表达产物出现异常 截短的表达产物 癌基因激活的结果 36 作用于细胞膜上的受体系统或直接被传递至细胞内 通过蛋白激酶活化转录因子 引发一系列基因的转录激活 三 原癌基因的产物与功能 C SIS表达蛋白P28和PDGF一样能促进血管的生长 一 细胞外生长因子 例如 37 4 NuclearProteins TranscriptionFactors 5 CellGrowthGenes 3 CytoplasmicSignalTransductionProteins 1 SecretedGrowthFactors 2 GrowthFactorReceptors 38 二 跨膜的生长因子受体 接受细胞外的生长信号并将其传入胞内 受体的胞质结构区具有特异的蛋白激酶活性 通过磷酸化作用使其结构发生改变 增加激酶对底物的活性 促进生长信号在胞内的传递 例如 c src c abl有酪氨酸特异的蛋白激酶活性 c mos和raf所编码的激酶使丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化 40 非受体酪氨酸激酶 src abl 丝氨酸 苏氨酸激酶 raf ras蛋白 H ras K ras和N ras 及磷脂酶 crk产物 三 细胞内信号传导分子 原癌基因的产物作为胞内信息传递体系成员 或者通过影响第二信使作用 将接受到的信号由胞内传至核内 促进细胞生长 例如 41 四 核内转录因子 某些癌基因表达蛋白定位于细胞核内 与靶基因的顺式调控元件相结合直接调节靶基因的转录活性 例如 c fos是一种即刻早期反应基因 immediateearlygene IEG 作为传递信息的第三信使 42 43 原癌基因BRAF所编码的蛋白质属于丝 苏氨酸激酶 是MAPK信号通路的重要组成分子 在调控细胞增殖 分化等方面发挥重要作用 四 癌基因及其靶向治疗 约60 的黑素瘤中BRAF发生突变 其第600位氨基酸从缬氨酸突变为谷氨酸 V600E 最为常见 导致B Raf的持续激活 一 BRAF 例如 44 维罗非尼 45 HER2是表皮生长因子受体家族成员 具有蛋白酪氨酸激酶活性 能激活下游信号通路 从而促进细胞增殖和抑制细胞凋亡 在30 的乳腺癌中HER2基因发生扩增或者过度表达 其表达水平与治疗后复发率和不良预后显著相关 二 HER2 例如 46 赫赛汀 47 慢性粒细胞白血病患者的9号染色体与22号染色体之间发生易位 从而融合产生了癌基因BCR ABL 编码的蛋白质Bcr Abl具有持续活化的蛋白酪氨酸激酶活性 能促进细胞增殖 并增加基因组的不稳定性 在95 的慢性粒细胞白血病患者中都伴随有BCR ABL融合基因的产生 在一些急性淋巴白血病患者中也有发现 三 BCR ABL 例如 48 伊马替尼 49 肿瘤抑制基因tumorsuppressorgene 第二节 50 肿瘤抑制基因 tumorsuppressorgenes 肿瘤抑制基因的概念 也称抗癌基因 anticancergenes 或抑癌基因 是调节细胞正常生长和增殖的基因 当这些基因不能表达 或者当它们的产物失去活性时 细胞就会异常生长和增殖 最终导致细胞癌变 反之 若导入或激活它则可抑制细胞的恶性表型 51 早在20世纪20年代 T Boveri就提出正常细胞中存在特异的抑制细胞增殖的因素 并假定与染色体有关 20世纪60年代 H Harris开创了杂合细胞的致癌性研究A Knudson在研究视网膜母细胞瘤 retinoblastoma Rb 时发现 这种肿瘤的发生与RB基因的失活有关 一 肿瘤抑制基因的发现 52 细胞杂交试验 53 二 肿瘤抑制基因的功能 常见的某些肿瘤抑制基因及其功能 54 一 视网膜母细胞瘤基因 Rb基因 G0G1期 S期 E 2F DNA mRNA DNA 三 肿瘤抑制基因失活促进肿瘤发生发展 55 Rb磷酸化与细胞周期控制 56 视网膜母细胞瘤 retinoblastoma Rb 儿童期就发病的眼科恶性肿瘤 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 57 二 TP53 P53蛋白 解链酶 复制因子A P21蛋白 细胞停滞于G1期 细胞调亡 DNA损伤 P53蛋白 P53蛋白 58 p53的结构及其在清除DNA损伤细胞中的作用 59 P53基因突变不仅失去野生型p53抑制肿瘤增殖的作用 而且突变本身又使该基因具备癌基因功能 突变的P53蛋白与野生型P53蛋白相结合 形成的这种寡聚蛋白不能结合DNA 使得一些癌变基因转录失控导致肿瘤发生 60 三 PTEN PTEN基因 phosphataseandtensinhomologdeletedonchromosometen 第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因 是继TP53基因后发现的另一个与肿瘤发生关系密切的肿瘤抑制基因 61 PTEN通过阻断PI3K AKT信号通路抑制细胞的生长 62 四 癌基因与肿瘤抑制基因在肿瘤发生中的作用特点 在基因水平上 或通过外界致癌因素 或由于细胞内环境的恶化 突变基因数目增多 基因组变异逐步扩大 在细胞水平上则要经过永生化 分化逆转 转化等多个阶段 细胞周期失控细胞的生长特性逐步得到强化 结果组织从增生 异型变 良性肿瘤 原位癌发展到浸润癌和转移癌 一 细胞癌变的多基因协同 63 64 Hanahan Weinberg2000 Summaryof30yearsofresearch 1971 2001 65 从基因角度认识结肠癌的发生和发展 66 67 二 细胞周期和细胞凋亡的分子调控是肿瘤进展的关键 癌基因和肿瘤抑制基因与细胞周期 细胞周期调控体现在细胞周期驱动和细胞周期监控两个方面 后者的失控与肿瘤发生发展的关系最为密切 细胞周期监测机制由DNA损伤感应机