癌基因和抑癌基因

第十五章癌基因和抑癌基因 本章我们讨论1 癌基因 细胞癌基因 病毒癌基因 原癌基因 和抗癌基因 抑癌基因 的概念2 癌基因的分类3 癌基因产物的作用4 癌基因激活的机理5 抑癌基因表达失效的机理第一节概述正常细胞转化为恶性肿瘤 tumor 细胞是一个复杂而漫长的过程 从分子生物学角度来看 这是细胞分子生物调控机制从量变到质变长期积累的后果 人们认为 正常细胞的原癌基因和抑癌基因以正负信号调节细胞的增殖分化 而人癌细胞中原癌基因和抑癌基因的异常改变失去了对细胞的调控能力 从而导致了细胞恶性转化 无控制生长 侵袭和转移 正常细胞增生受到严格调控和制约 而肿瘤细胞是一种恶性增生细胞 一 肿瘤细胞恶性增殖特性 一 肿瘤细胞失去了生长调节的反馈抑制正常细胞受损 一旦恢复原状 细胞就会停止增殖 但是肿瘤细胞不受这一反馈机制抑制 二 肿瘤细胞失去了细胞分裂的接触抑制 正常细胞体外培养 相邻细胞相接触 长在一起 细胞就会停止增殖 而肿瘤细胞生长满培养皿后 细胞可以重叠起生长 三 肿瘤细胞表现出比正常细胞更低的营养要求 四 肿瘤细胞生长有一种自分泌作用 自己分泌生长需要的生长因子和调控信号 促进自身的恶性增殖 二 癌基因的定义癌基因 oncogene onc 是细胞内控制细胞生长的基因 在异常表达时 这些基因不受体内各种调节因素的影响 可持续表达或过高表达 其产物可以使细胞持续增殖 三 病毒癌基因 virusoncogene v oncogene v onc 是存在于病毒基因组中的癌基因 这种基因不编码结构成分 对病毒的复制无作用 但可使细胞持续增殖 二 病毒本身具有完整的转录启动成分 当病毒进入细胞 其结构成分逆转录酶将病毒逆转录成cDNA cDNA重组插入到细胞的基因组 病毒基组可利用细胞内由各种调控蛋白进行转录和表达 病毒癌基因也随之表达 无需特殊激活机制 1 1 1 1 gagpolenvsrc逆转录插入RNAcDNA宿主细胞基因组 利用宿主酶和调控蛋白 病毒癌基因表达 一 病毒癌基因最先是在劳氏肉瘤病毒 Roussarccmavirus RSV 中发现的1 Rsv是致癌的RNA逆转录病毒 也称RNA肿瘤病毒 2 RNA肿瘤病毒基因组的基本结构包含了3个基因区 除此之外 还有第四个基因 Src病毒癌基因不编码结构成分 对病毒的复制亦无作用但可使细胞增殖 3 不同肿瘤病毒的v onc是不同的 但共同特点是可以使细胞增殖 4 不同肿瘤病毒的深入研究 不仅对病毒致癌机制有了较深入的了解 更重要的是促使人们发现了细胞癌基因 为探索肿瘤发生根本原因及肿瘤发生机制研究开创了新纪元 四 细胞癌基因近年来 利用重组DNA和核酸探针技术 证实了在正常真核细胞基因组 包括人的正常有与v onc同源顺序的基因 其功能是控制细胞生长 这就是细胞癌基因 细胞癌基因 cellularoncogene c onc 是在正常的真核细胞基因组中存在的有与v onc同源序列的基因 其功能是控制细胞生长 这就是细胞癌基因 一 细胞癌基因在进化过程中是高度保守的 很多c onc见于节肢动物 如果蝇 甚至见于酵母 二 c onc是生命活动的基础 与细胞增殖分化密切相关 其表达与个体发育有关 受到严格程序调控 但并不具有致癌性 三 c onc也称为原癌基因 proto oncgene 有两层含义 1 原癌基因是不发挥致癌作用的c onc 正常情况是与细胞增殖有关的基因 2 v onc来源于原癌基因 目前所知v onc 在哺乳动物都可以找到与之相对应的c onc 具有相似的核苷酸序列 编码结构和功能相似的产物 反之则不然 目前发现几种c onc没有相应的v onc 另一方面 细胞具有c onc 但没有与之相关的癌基因成分 现在一般认为v onc源于c onc 是病毒基因组与细胞基因组发生重组而形成的 第二节癌基因的分类目前对癌基因尚无统一分类的方法 一般有下面3种分类方法 一 按结构特点分 6 类 一 src癌基因家族 二 ras癌基因家族 三 sis癌基因家族 四 myc癌基因家族 五 myb癌基因家族 六 其它 如fos erb A等 二 按产物功能分 8 类 一 生长因子类 二 酪氨酸蛋白激酶 三 膜相关G蛋白 四 受体 无蛋白激酶活性 五 胞质丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶 六 胞质调控因子 七 核反式调控因子 八 其它 db1 bcl 2 三 按细胞增殖调控蛋白特性分成 4 类 一 生长因子 二 受体类 三 细胞内信号转换器 四 细胞核因子 第三节癌基因产物的作用一 癌基因产物作用的一般特点 一 目前发现c onc都是单拷贝基因 且均为结构基因 二 癌基因产物可分布在膜质核也可分泌至胞外 癌基因产物生成后 往往需要经过修饰 加工方能获得与其细胞成分的亲和特性 其对细胞增殖分化一般是增强作用 三 研究较多的猴肉瘤病毒 simiansarccmavirus SSV v sis二 癌基因产物本身是生长因子人的c sis位于22号染色体 编码产物P28sis氨基酸顺序与PDGF 血小板生长因子 的B链相似 P28sisBB二聚体化 就有刺激生长活性 它结合并激活纤维母细胞PDGF受体 刺激DNA合成 PDGF是杂二聚体 也有A A B B同源二聚体 单抗可以封闭PDGF P28sisD NA合成刺激生长活性癌基因编码产物 结构 与生长因子不一样 但可发挥一样的刺激作用 并且是持续的刺激 三 癌基因产物作用于细胞信号转导系统 加强信号转导作用生物信号是怎样从胞外传至胞内的 即生物信息的跨膜传递机制如何 这一直是细胞生物学的研究热点和前沿课题 胞外信号作用于膜表面受体 胞内信使物质的生成便意味着胞外信号跨膜传递的完成 胞内信使至少有 cAMP 环磷酸腺苷 IP3 三磷酸肌醇 PG 前列腺素 cGMP 环磷酸鸟苷 DG 二酰基甘油 Ca2 钙离子 CAM 钙调素 它们是如何激发细胞内一系列复杂反应的其主要机制是通过蛋白激酶活化引起底物蛋白一连串磷酸化的生物信号反应过程 跨膜机制涉及到 一 质膜上cAMP信使系统 二 质膜上肌醇脂质系统这两个系统都是由受体鸟苷酸调节蛋白 GTP regulatoryprotein G蛋白 和效应酶 腺苷酸环化酶磷脂酶等 组成 有相似的信号转导过程 即受体活化后引起GTP与不同G蛋白结合活化和抑制效应酶从而影响胞内信使产生而发生不同的调控效应 三 受体操纵的离子通道系统 四 受体酪氨酸蛋白激酶的转导 五 受体内部化的信息传导途径与本章关系密切的是 二 肌醇脂质系统 四 Tyr激酶自身转导 1 受体型酪氨酸蛋白激酶 TyrosineproteinkinaseTyr pk 是蛋白激酶的一种 能特异催化由ATP向蛋白质或多肽底物Tyr残基转移磷酸基团而命名 该酶一般性质是 1 只能特异地使Tyr残基磷酸化 2 反应需要Mn2 存在和ATP掺入 3 癌基因产物蛋白激酶均能使其催化区的同源Tyr残基磷酸化 即自我磷酸化 4 除生长因子外 目前尚未发现Tyr pk活性受任何因子的直接影响 它既不受c AMP cGMP 也不依赖Ca2 磷脂钙调素蛋白 在分布上 Tyr pk不能作为1个独立物质分泌于胞外 而是与生长因子受体 癌基因产物相伴 或在胞核或在胞浆 以可溶形式出现 而质膜则与Tyr pk有密切联系 Tyr残基磷酸化可能与淋巴因子刺激 发育分化及致癌病毒诱导的肿瘤过程有关 所有动物含少量Tyr残基 量处于平衡 说明体内有Tyr pk 还有水解磷酸酪氨酸酶存在 EGF与受体结合有TPK Tyr pk 活性 EGF R erb B2癌基因与EGF R的膜内分布有82 同源 互补性 缺少膜外部分 图14 1 P302 其产物是TPK使Tyr磷酸化开启信号转导膜开关erb B2和v erb B同源性非常高 在 唾液 胃 腺癌 乳腺癌该onc检出率高 表明erb B2可导致上述细胞恶变 2 非受体型酪氨酸蛋白激酶研究的较早的是src 其产物为P60 src与P60csrc比较 P60v src 分布广泛 作用底物更多使许多蛋白质磷酸化导致 代谢加快 如糖酵解 产物 Tyr磷酸化水平 本身具有肌醇磷脂激酶作用 使PI磷酸化 致DG和IP3的前体物和PIP2增加 体外实验用E26 myb 白血病毒 Ok10V myc 白血病毒 鸡骨髓细胞 但被有Src基因逆转录病毒超感染后 可以不依赖cMGF myelomonayticgrowthfactor 骨髓单核细胞生长因子 使该细胞持续增殖 肌醇脂质 inositollipids 是肌酸磷脂 inositolphosphollipids 和肌酸磷酸脂 inasphates 的总称 肌醇磷酸脂存在于胞浆 肌醇磷酯是生物磷脂的组分 共同特征是含有肌醇 myoincsitol 哺乳动物膜含有 磷脂酰肌醇 phosphatidylinositol PI 磷脂酰肌酸 4 磷酸 PI 4 P或PIP 磷脂酰肌醇4 5二磷酸 PIP2 IP3特指肌醇1 4 5三磷酸 是环己六醇与磷酸戊酯即为肌酸磷酸酯和DG 二酰基甘油 具有第二信使的作用 转化 cMGF 3 GTP和GDP结合蛋白G蛋白 全称GTP结合蛋白或GTP结合调节蛋白 是广泛存在于各种组织的细胞膜上 在受体与效应酶之间起主要的调节作用 是G蛋白偶联受体与效应酶 或离子通道 之间中介物质 是一种酶 P187 Ras蛋白是G蛋白家族的新成员P21ras有GTP酶活性 可以结合水解GTP GDP EGF R可刺激P21ras的GTP结合活性 异常情况下 P21ras 如ras点突变激活 水解GTP能力 结合GTP能力 持续处于激活状态 使磷脂酶C水解 PIP2 IP3 DG 持续增高 导致细胞激活 P21ras水解GTP GDP 本身失活 也解除对磷脂酶的作用 四 核反式调控因子 影响基因表达调控反式调控因子 trans actingfactor 是蛋白质 是基因产物 是含大量 序列特异性的 DNA 结合蛋白 可与RNApol相互作用 影响基因表达的调控 顺式调控元件 cis actingelement 是核酸 是DNA 是那些对结构 基因表达有调控作用的序列如启 序列如启动子和增强子 核酸 基因表达调控从化学本质来说是核酸蛋白质相互作用来完成的 癌基因产物是核反式调控因子 且基因本质上是调控因子 癌基因编码反式作用因子引起细胞转化机制不清楚 如新近发现 47KDC myc与异二聚体 促进细胞DNA合成 max蛋白配对若c myc持续过高表达 则使细胞增殖 分化 五 癌基因产物的协同作用实验证明 用ras或myc同时转染细胞 可使细胞长期增殖 但不能转化成癌细胞 在裸鼠体内也不能形成肿瘤 但用ras myc同时转染细胞 则使细胞转化成癌细胞 说明 致癌至少需要2种或以上的onc协同作用 2种onc在2条通路上发挥作用 由于细胞增殖调控是多因子 多阶段影响的结果 而影响增殖分化的onc达几十种之多 所以大多数人认为 癌发生是多阶段多步骤的 第四节癌基因的激活癌基因不表达 表达受控制 不受控制不致癌 致癌称癌基因激活 恶性激活 maligantactivation 机理如下 一 前病毒插入前病毒整合到宿主染色体中去的病毒DNA 不管是源于DNA还是RNA病毒 称之为前病毒 这段DNA可随宿主DNA一起复制传给子细胞 1 转录激活1987年Hayward和Astrin等同时发现鸡蛋白血病毒 aviancellkemiavirusALV 感染细胞后 可以激活细胞c myc原癌基因 诱发鸡B细胞淋巴瘤 5 ALV11c myc3 ALV本身没有转化基因 即v onc 但其病毒两端LTR 长末端重复序列longterminalrepeatsequence 即反向倒转重复顺序 如ACTGA TGAGT TGACT AGTCA的启动子启动c myc的转录 该启动子不受细胞的调控 持续转录 导致细胞癌变 LTR的增强子可以强化启动子的这一作用 另外可促进c myc本身的启动子发挥作用带有v onc的病毒插入基因组后 也可归于这一类 2 翻译激活实验证明 翻译效率与起始密码前的5 非编码区的AUG有关 该AUG称5 AUG 去掉5 AUG 翻译效率就提高 例如 1988MarthJD发现的病毒引起的LCK原癌基因的激活就属此例 LCR编码TPK P56lck 在LAStRA淋巴瘤细胞中 由于lck编码的TPK 酪氨酸蛋白激酶LCR 的激活而导致白血病的发生 酶激活的原因是 前病毒Mo MLV moloney小鼠白血病病毒 插入使宿主基因发生了重排 重排LCK基因的转录本 transcript 起始于前病毒LTR 使LAStRA的LCKmRNA转录提高了7倍 翻译产物提高了50多倍 宿主因此失去了 正常LCKmRNA5 非编码区的 177bp 取而代之的是病毒LTR240bp 正常的LCKmRNA的起始密码 AUG 前有3个5 AUG5 LCKAUGAUGAUGAUG3 点突变使第2个AUG变为CUG 翻译效率增加3 4倍 使5 端138bp核苷酸颠倒而清除3个AUG翻译效率增加7倍 缺失138bp核苷酸序列而消除3个AUG 翻译效率增加9 10倍 正常情况下 含5 AUG的基因在哺乳类基因中仅占10 而在原癌基因中表达65 可见原癌基因受到严密的调控 这是一种调控机制 trsanscript 转录本 每一个基因都有特定的阅读框 阅读框规定了那3个核苷酸成为1组读做1个密码子 这是由起始密码子AUG决定的 阅读从第一个字母开始到最后一个字母结束 阅读方向5 3 翻译方向是N C 这样才能合成一个正常的多肽 RNApol作用的起始位与终止点之间的DNA顺序 称转录单位 的产物 即mRNA 二 癌基因突变1 突变使原癌基因产物激活前面提到 ras的 P21ras是G蛋白家族新成员 可以结合水的GTP 有GTP酶活性 但当c ras第12 13 59 61位密码子中任何1个发生突变时 P21ras可以结合靶分子 但GTP酶活性降低了10倍左右 与正常P21蛋白比较 GTP酶活性低1000倍左右 突变后P21ras不能迅速水解GTP GDP 持续保持对磷脂酶C的刺激 使第二信使DG IP3持续 细胞持续增殖 导致肿瘤发生 2 突变或缺失使原癌基因产物功能改变正常情况下 c src蛋白的Tyr527被磷酸化 并以头尾自身缔结折叠到其同源 互补 结构的SH 2区 使TPK隐匿 TPK活性下降 若 Tyr527脱磷酸或被其它激活SH 2区隐形结合 则src蛋白SH 2区结合 激酶TPK暴露 使多种底物Tyr磷酸化 其中包括细胞信号转导中重要的酶和调节蛋白被活化 信息分子 细胞增生转化 三 染色体易位与基因重排染色体易位 染色体一部分跑到 易位 另一染色体上去了基因重排 DNA分子一部分断链 新的部位重接 然后基因发生重新排列组合的过程 按照达尔文进化观点 没有突变 没有变异 没有易位和重排 就没有进化 进化对于个体是不幸的 导致癌症和分子病 染色体85 不活跃 15 活跃 染色体易位往往导致基因重排对原癌基因导致两种后果 表达融合蛋白 易位使1个原癌基因与1个基因重排在一起 产生1个融合基因 表达1个融合蛋白 这个蛋白具有转化活性 原癌基因异常异位表达 将原癌基因置于另一个旺盛表达基因的控制之下 就会使之异常异位表达 一 易位基因融合导致原癌基因产物功能激活如CML存在染色体易位和基因融合 易位t9 22 c sis断裂点bcr 断裂点c abl融合 c sis9c abl22922ph染色体 融合 bcr ab1 融合 融合基因有原癌基因c abl 原癌基因产物功能的激活c abl是TPK类的癌基因 非受体型 体外实验表明该基因编码的产物不具有激酶活性 而 bcr c abl 产生的P210bcr abl具有较高的TPK 活性 Ph philadelphia 染色体 在费城首次发现的 二 染色体易位导致原癌基因的转录激活大家知道抗体是人类在分子水平上抵抗外来侵袭的一种重要物质人可以产生106 108个免疫球蛋白 Ig 而人的基因只有2 8 104个为什么能产生106Ig 用一般的蛋白质合成理论不能解释 现有3个理论认为 胚系 基因重排 成为功能基因 不精确剪切导致Ig多态性 基因 主要是V区 突变导致抗体多样性 与我们今天有关的内容是 免疫球蛋白 Ig 由轻重链组成 在形成Ig的多态性上 重链所起的作用更大 重链由4个不连续的基因簇组成 VH可变区 DH多变区 JH 结合区 CH恒定区重链基因于14q32 14染色体长臂3区2带 所谓类型转换区 是B细胞在分化过程中 Ig分子会发生类型转换 是经过重排结合的VHDHJH与C 和Cg的CH基因重排的过程 在C Cr3 Cr1 Cr2b Cr2a C C 的5 约1 4kb处有一段特殊的顺序 叫做转换区 switchregion 相应转换区为S Sr3 S S 长2 3kb 具有 GAGCT nGGGGGT m特殊重复顺序n可以是1 7 常见是3 m约为150 重链的类型转换也叫S S重组 其机制不清楚 c myc位于8号染色体上 易位至14号染色体上 表达增加 原因是可能是移至1个非常活动的基因位置 Ig基因 被激活 激活机制参p309 3种可能 自学 易位c myc基因重排参p309图14 5 四 癌基因扩增一般癌基因多为单拷贝 copy 单拷贝 即1份 基因 拷贝数 copynumber细胞所含的按每一基因组计算的某种质粒或基因的数目 癌基因扩增导致癌基因过度表达 原因是 一 转录过程 二 基因拷贝数增加 如 人早幼粒白血病HL 60细胞比相应的细胞c myc多20多倍 已发现许多癌细胞中有癌基因扩增 结果导致癌基因过剩 癌基因扩增常伴有染色体易位 第五节抑癌基因一 抑癌基因的定义抗癌基因 antioncogene 是最初的叫法 大约可以追溯到1985年左右 现多称为抑癌基因 tumorsuppressorgene 这是一类可抑制细胞生长并有潜在抑癌作用的基因 当它失活后 可能使癌基因充分发挥作用而导致癌的发生发展 如果要确定某一特定组织或细胞恶性肿瘤的抗癌基因 需满足以下三个条件 在癌的相应正常组织中必须有正常的表达 在恶性肿瘤中 相应基因应有所改变 包括点突变 片断缺失或表达缺陷 导入该