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第三章肿瘤的遗传学 关键词细胞周期癌基因 oncogene 病毒癌基因V oncogene细胞癌基因C oncogene抑癌基因 antioncogene tumorsuppressorgenes 肿瘤转移抑制基因 metastasissuppressorgene 肿瘤是基因的疾病 凡是肿瘤 都与基因组的变异有关 但是 与基因组有关的疾病并不一定都是遗传的 肿瘤有遗传性的 也有非遗传性的 散发性的 人类肿瘤多是散发性的 与生存环境有重要的相关作用 一 肿瘤的生物学特征与流行病学 细胞类型核型生长接触抑制锚定正常细胞小可控 癌细胞大失控 肿瘤细胞具有永生性 侵袭性 扩散性 人群肿瘤分布比较 中国 肺癌胃癌食道癌肠癌肝癌美国 前列腺癌乳腺癌肺癌肠癌淋巴癌华南地区 鼻咽癌河南林县 食道癌江苏启东 肝癌 EstimatednumberofnewcasesanddeathsfromspecifictypesofcancerintheUnitedStatesin1997 EstimationofNewCasesandDeathsfromDifferentCancerTypesinChina 肿瘤细胞的起源 单克隆起源 monoclonaltheory 一个肿瘤的细胞群体源于一个转化单细胞的不断增殖而成 而这个单细胞是具有分化和增殖的干细胞 stem cell 对细胞群的遗传标记分析 具有高度一致性 例如 多灶性细支气管肺泡癌 BAC 原发灶 卫星灶 转移灶中的不同区域的癌细胞k ras具有相同的突变 多克隆起源 polyclonaltheory 肿瘤细胞群是由多个肿瘤克隆发展而来 鼠肠肿瘤细胞的基因分析 在肿瘤的不同区域取样的细胞 在APC基因和Mshz基因具有不同的缺失 单中心发源和多中心发源 单中心发源 单性灶 肿瘤源于原始的一簇细胞 从原位灶到浸润灶 转移灶 复发灶都由第一代肿瘤细胞而来 多中心发源 多灶性 肿瘤源于不同区域的多簇细胞 原位灶 癌旁浸润灶 对称器官 系统器官肿瘤细胞有不同程度的异型型 分子生物学实验支持单中心起源 遗传性肿瘤特征 类型关系位置位点时期遗传性有家族性双侧多发早散发性无家族性单侧单发迟 肿瘤家族集聚 癌家族 具有较多成员发生肿瘤的家族 G家族1895年 1976年842名成员中95名患癌 特征 发病率高 发病高峰40 50岁 男女比例相等 男多是胃癌 肠腺癌 女多是子宫癌 垂直传递 72 患者双亲之一患癌 符合常染色体显性遗传方式 家族性癌 在一个家族内多个成员出现的同一种癌 例如 结肠癌 12 15 有家族史 特征 患者一级亲属发病风险比一般高3倍 若发病年龄早和双侧性肿瘤 发病风险高30倍 常见的遗传性肿瘤 视网膜母细胞瘤发病率1 2 3万出生儿 遗传性占35 45 发病时期早 10 14个月发病 双侧患者后代50 发病 单侧患者后代5 发病 Rb基因定位于13q14 神经母细胞瘤发病率1 10000 源于神经嵴 原位常见有肾上腺髓质神经母细胞结节 常见的非遗传性癌白血病 急性非淋巴白血病 ANLL 急性粒细胞白血病 AML 未分化细胞 90 急性早幼粒细胞白血病 APL 急性粒 单核细胞白血病 AMMoL 急性单核细胞白血病 AMoL 急性淋巴白血病 ALL 一型 二型 三型急性T细胞白血病急性B细胞白血病慢性粒细胞白血病慢性淋巴细胞白血病慢性单核细胞白血病 粒细胞分化过程 原粒 早幼粒 中幼粒 晚幼粒 带状核 分叶核细胞体积由大变小嗜碱性 染色颗粒 核形圆圆卵圆凹带状分叶核仁 分裂能力 肿瘤易感基因 在相同环境下发生肿瘤可能性比一般基因组具有更多机会的基因 肺癌易感基因CYP1A1酶在肺中表达 参与烟草中多环芳烃类物质代谢 该基因具有MspI多态 m2m2基因型具有肺癌易感性 染色体畸变的原因 理化因素的损伤 修复机制下降 着色性干皮病 恶性皮肤肿瘤UV照射 DNA形成TT二聚体 光复活酶失活 不能打开二聚体 重组修复缺失 二 肿瘤的遗传机制 癌基因的异常表达癌基因突变癌基因低甲基化癌基因扩增染色体易位 基因重排 融合基因 抑癌基因失活抑癌基因缺失抑癌基因高甲基化 癌基因 能在体外引起细胞转化 在体内诱发肿瘤的基因细胞内的原癌基因高度保留 从酵母到人都存在 这些基因与细胞生长 增殖 分化有关 并受到精细和严格的控制 原癌基因具有的生物学功能 生长因子 生长因子受体 参与信号传导的蛋白激酶 核内蛋白等 细胞周期调节基因 细胞G1期 S期 Cyclin CDKCyclin 细胞周期素CDK 细胞周期素依赖激酶癌基因与CDK表达有关 过量则使细胞分裂失控 抑癌基因与Cylink CDK复合物磷酸化有关 抑制复合物作用 控制细胞分裂 根据CDI结构分为两类 CIP KIP家族 p21 p27 Ink家族 p15 p16 p18 p19p53基因诱导p21基因的表达 Twomajortypesofproteinsinvolvedinthecellcycle Cyclins Cyclin DependentKinases CDK 癌基因发现 1911年Rous发现鸡肉瘤病毒 RSV 能使鸡胚成纤维细胞转化 也能使鸡诱发肿瘤 1976年从RVS病毒中发现了src癌基因 克隆了该基因 是第一个V onc1982年从人膀胱癌细胞中分离出了细胞癌基因ras基因 是第一个C onc 细胞癌基因 c onc 1976年 Bishop从Rous病毒中分离出癌基因src 并在动物正常细胞中发现有同源序列 以后在许多病毒癌基因都在细胞中都发现了它的同源序列 这些序列被称为细胞癌基因 病毒癌基因源于细胞癌基因 癌基因致癌机制 点突变原癌基因ras编码189个氨基酸的蛋白是一个细胞信号传导中起着开关作用的蛋白 当rasgene突变时 ras蛋白一直处于开的状态 细胞生长 rasproto oncogene11261189glygln arg G C k rasoncogene 癌基因 ablbclerbfosmycrassissrc等100多种 癌基因作用位置 Genec oncproteinv oncproteinsrc膜膜ras膜膜myc核核fps质质和膜abl核质 癌基因的肿瘤诱发机制 癌基因突变ras的第12个密码子突变 G Targ val ras蛋白与GTP结合 促进了细胞的生长 ras附近插入了启动子 启动癌基因表达 ras的CCGG甲基化程度降低 癌基因异常高表达 DNA甲基化 限制 修饰系统 甲基化酶的作用细胞核酸内切酶对外源DNA切割 而本身DNA甲基化得以保护 GATC序列的A甲基化 CCGG序列的C甲基化 CCGC序列的C甲基化 DNA的CpG岛的甲基化 干扰了转录因子与启动子识别位点的结合 降低了基因的表达 癌基因去甲基化 引起高表达致癌 抑癌基因高甲甲基化 引起低表达致癌 传导生长信号cellGSras GDPras GTP失活激活传导生长信号 细胞生长参与细胞周期调控ras表达蛋白激活cyclinD cell分裂 ras癌基因家族 根据不同时期 不同组织的癌基因表达 将ras基因家族分为三类 H ras11p15 5胃癌膀胱癌宫颈癌N ras1p13 2白血病肝癌K ras12p12 1胰腺癌肺癌结肠癌 myc B mycL mycN mycS mycC myc 8q24 12 q24 13 定位核内的核蛋白 与DNA结合 调节转录 接收细胞外信号时 促进细胞分裂 myc易位到14q32 IgH基因位点 引起白血病 致癌病毒 病毒核酸结构癌基因乳多空病毒环状双链DNAT抗原基因腺病毒线状双链DNAE1A E1B疱疹病毒线状双链DNAEB序列反转录病毒单链RNAras src等 RNA致癌病毒快速致癌病毒Rous病毒 鸡肉瘤病毒 1911年Rous发现 分离到的Rous病毒感染动物 数周内导致肿瘤 病毒带有癌基因 基因组结构 RU5gagpolenvv oncU3R U3RU5gagpolenvv oncU3RU5LTR LTR插入基因组 U3 3 端序列 170 1260bpU5 5 端序列 80 100bpR 短序列 10 80bpLTR 长末端重复序列 250 1400bp含有启动序列 增强序列 具有启动基因表达和增强作用 染色体易位染色体易位产生融合基因 或启动了原癌基因 使得细胞发生转化 T 9 22 q34 1 q11 21 Ph染色体慢性粒细胞白血病CMLchr22chr95 bcr3 5 c abl3 5 bcr c abl3 8 5kb 融合蛋白 210KD影响了造血干细胞的分化 导致白血病 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 首先发现的肿瘤抑制基因视网膜母细胞瘤发现Rb基因缺失呈杂合体时 细胞是正常的 缺失纯合体时细胞转化 显示该基因是纯合隐性致癌 Rb纯合缺失后致癌表明Rb基因存在时对肿瘤细胞有抑制作用 因此Rb是肿瘤抑制基因 del 13 q14 THENETWORK 肿瘤抑制基因 tumorsuppressorgene 抑癌基因 anti oncogene 以参与细胞周期调控的形式 对正常细胞的增殖起负调控作用 抑制细胞的恶性转化 癌基因与抑癌基因比较特点oncogeneanti oncogene基因属性cell增殖基因组织分化基因致癌方式激活 异常表达基因丢失或失活诱发机理突变或易位突变或缺失致癌机理显性隐性肿瘤类型白血病 淋巴瘤实体瘤 Human santi oncogene 名称定位肿瘤Rb13q14 1视网膜母细胞瘤 肺癌 膀胱癌p5317p13 1肺癌 乳腺癌 肝癌p216p21 2乳腺癌 肺癌 前列腺癌p169p21肝癌 肺癌 乳腺癌NF 117q11 21神经纤维瘤DCC18q21结肠癌MCC5q21结肠癌nm2317q21 3癌转移 杂合性丢失 当等位基因处于杂合时 会出现丢失或突变另一个基因的趋势 称为杂合性丢失 LOH 脑胶质瘤原因 染色体畸变带有癌基因c erbB的7号染色体数目增多 EGFR 表皮生长因子 过量表达 导致细胞转化 17p13缺失 肿瘤抑制基因p53丢失 9p24缺失 干扰素基因缺失 11p13癌基因ras第35个核苷酸G T突变 癌基因myc sis fos 等过量表达 肿瘤细胞转移 肿瘤细胞从原发肿瘤脱落 进入细胞外基质与脉管内 输送至远端适宜的组织中克隆生长 浸润转移是恶性肿瘤的重要特征 也是肿瘤病人死亡的主要原因 用myc等癌基因染小鼠 可以使小鼠产生癌细胞 但是不转移 说明转化与转移不是同一类基因 肿瘤浸润机制 整合素基因 integrinsgene 细胞表面粘合受体 细胞基质粘附蛋白 锚定细胞 肿瘤细胞表达金属蛋白酶 降解粘附蛋白 使得细胞失去固着作用 正常细胞含有金属蛋白酶抑制因子基因 TIMPgene 表达的蛋白能与蛋白酶结合 抑制它的水解功能 从而锚定细胞 肿瘤细胞该基因表达受阻 Metastaticgeneandmetastaticsuppressorgene转移和抑制转移基因 浸润转移 肿瘤细胞从原发肿瘤中脱落 进入细胞外基质和血管或淋巴管中 迁移到远处其它组织生长的现象 肿瘤转移抑制基因 小鼠黑色素瘤k 1735细胞系中发现 去转染正常小鼠 有高转移和低转移之分 消减杂交法寻找转移相关基因 nm23nm23高表达 肿瘤低转移 反之 高转移 应用 可作转移预测 肿瘤转移抑制 小鼠黑色素瘤1735细胞系 转染正常小鼠获得肿瘤小鼠 但是这些小鼠又分为高转移低转移mRNAmRNAcDNAcDNA24个克隆nm23 nm23 mts1比值nm23 细胞微管聚合 抑制转移 mts1 细胞微管分解 促使转移 可作为肿瘤转移能力的检测指标 nm23高表达 抑制肿瘤细胞表达 肿瘤基因诊断与治疗 MicmRNAgeneknockoutoncogene转基因 antioncogene 免疫法 淋巴因子基因转入 自杀基因DNA与蛋白质芯片 自杀基因 suicidegene 能够编码产生将非活性或无毒性前体药物转化成活性活毒性药物的酶的基因 HSK tk GCV 胸腺激酶 丙氧鸟苷 系统 细胞中存在着胸腺激酶 HSV tk GCV是临床上治疗疱疹病毒的药物 将HSK tk基因转入癌细胞后给GCV药 使得GCV在胸腺激酶作用下生成三磷酸GCV 能阻断细胞DNA合成产生细胞毒作用 ManydiseaseprocessesmanifestthemselvesarechangedatthelevelofProtein includingtheamountandtheactivity notatthelevelofGene DNAMicroarray probe 杂交 结果观察 信息分析 Cy5 tag Cy3 tag cDNA DNAMicroarray CaptureMoleculeAttachment Immobilization Zhu H CurrentOpinioninChemicalBiology2003 7 58 ApplicationforDiagnosticsandDrugDiscovery a Comparativeproteomeanalysis Subtractiveorcomparativestrategiesaremostefficientfordiscoveringgeneactivityinaphysiologicalorpathological