肿瘤细胞遗传学

肿瘤是一大类疾病，种类在100种以上，涉及到人体的多个脏器和组织,据卫生部统计中心近年来的统计资料，恶性肿瘤已居我国城市居民主要死因的第一位，居农村居民死因的第二位。,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),What is cancer ?,间叶组织（结缔组织、脂肪、肌肉、脉管、骨、软骨）,造血组织,脾、淋巴结,上皮细胞,致癌因子,尽管人们都接触各种致癌因子，但并非人人都发生肿瘤，这表明还存在个体的易感性。个体易感性在很大程度上是遗传因素决定的。,肿瘤与遗传,由此可见：,肿瘤的发生是环境和遗传因素共同决定的。,Lynch癌家族部分系谱,典型的癌家族G家族：历经80余年（18951976）共5次调查，传7代共10个支系，842名后裔中有95名癌症患者，分别为结肠癌、子宫内膜癌、腺癌等。,Aldred Scott Warthin,Henry Lynch,肿瘤细胞遗传学,染色体异常与肿瘤基因改变与肿瘤肿瘤发生的遗传学说遗传性恶性肿瘤举例,I. 染色体异常与肿瘤,几乎所有肿瘤细胞都有染色体异常，此乃癌细胞最重要的特征之一。染色体受到环境中物理、化学和生物等因素直接或间接的损伤是发生肿瘤的基础。,(一) 肿瘤染色体理论的提出,1914，肿瘤的染色体理论,肿瘤细胞是具有染色体异常的有缺陷的细胞染色体畸变是引起正常细胞向恶性转化的主要原因,肿瘤细胞来源于正常细胞,Theodor Boveri,(二)肿瘤细胞的染色体异常,起源细胞46,stem line干系,side line旁系,突变因子,肿瘤细胞的染色体，受内、外环境因素影响不断发生变异、演化，形成多种不同的核型。其中，细胞获得增长优势,并变成占主导地位的细胞系，称为干系。,2.肿瘤染色体的结构异常,肿瘤细胞,断裂,缺失,环状染色体,微小体,双着丝粒染色体,易位,重复,标记染色体（marker chromosome),超二倍体,亚二倍体,多倍体,1.染色体数目异常类型,费城染色体（Philadelphia chromosome, Ph） 1960年, 在美国费城的慢性粒细胞白血病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Ph染色体。 95% 原因： der(22) t(9；22)(q34；q11.2) 易位 结果导致9q+ 和22q-（ Ph）,Henrietta Lacks,HeLa细胞,HeLa细胞基因组,t（9；22）（q34；q11） 9q+和22q-（ Ph1）（95%）,14q+染色体,在90%的Burkitt淋巴瘤（非洲儿童恶性淋巴瘤）病例中可以见到一个长臂增长的14号染色体（14q+）。这是一条8号染色体长臂末端的一段（8q24）易位到14号染色体长臂末端（14q32），形成了8q-和14q+两个异常染色体。c-myc基因易位到14号染色体的免疫球蛋白重链基因附近，置于免疫球蛋白H链基因的启动子控制之下，从而基因转录活性明显增高。增多的myc蛋白使一些控制生长的基因活化，最终导致细胞恶变,癌基因(oncogene)：能引起细胞恶性转化的基因。,II. 基因改变与肿瘤,如何发现癌基因的呢 ?,1910年，洛克菲勒研究院一个年轻的研究员Rous发现，鸡肉瘤细胞裂解物在通过除菌滤器以后，注射到正常鸡体内，可以引起肉瘤， 首次提出鸡肉瘤可能是由病毒引起的。,0.2 m孔径细菌过不去但病毒可以通过,从病毒癌基因到细胞原癌基因的研究历程：,Rous sarcoma virus, RSV,the first cancer-causing retrovirus,1958年，Stewart和Eddy分离出一种病毒，注射到小鼠体内可以引起肝脏、肾脏、乳腺、胸腺、肾上腺等多种组织器官的肿瘤，因而把这种病毒称为多瘤病毒。,50年代末、60年代初，癌病毒研究成了一个极具想像力的研究领域，主流科学家开始进入癌病毒研究领域,polyoma virus,这期间， Temin发现RSV有不同亚型，且引起细胞恶变程度不同，推测RNA病毒将其遗传信息传递给了正常细胞的DNA 。,这与Crick提出的中心法则是相违背的让事实屈从于理论还是坚持基于实验的结果？,VS,Temin发现逆转录酶，1975年获诺贝尔奖,Temin,Crick,修正中心法则,DNA RNA Protein,Transcription,Translation,Replication,Replication,Temin的实验设计：,实验设计简单而巧妙：将合成DNA所需的“原料”，即 A、T、C、G四种脱氧核苷酸，与破坏了外壳的RSV一起在体外40的条件下温育一段时间结果在试管里获得了一种新合成的大分子，它不能被RNA酶破坏，但却可以被DNA酶所分解，证明这种新合成的大分子是DNA用RNA酶预先破坏RSV的RNA，再重复上述的试验，则不能获得这种大分子，说明 这个DNA大分子是以RSV的RNA为模板合成的,1969年，一个日本学者里子水谷来到Temin的实验室，这 是一个非常擅长实验的年轻科学家。按Temin的设想，他们开始寻找RSV中存在“逆转录酶”的证据,据说，1975年Temin因发现逆转录酶而获诺贝尔奖时，Bishop懊恼不已，因为早在1969年他就认为Temin的RNADNA的“前病毒理论”有可能是正确的，并且也进行了一些实验，但不久由于资深同事的规劝而放弃了这方面的努力。但Bishop马上意识到：逆转录酶的发现为逆转录病毒致癌的研究提供了一条新途径。,一个RSV，三个诺贝尔奖！,启示：Bishop说:“许多人引以为豪的是一天工作16小时，工作安排要以分秒计可是工作狂是思考的大敌，而思考则是科学发现的关键”,科学的本质和艺术一样，都需要直觉和想像力请给自己一些思考的时间吧！,1. 癌基因的分类及功能,癌基因的激活机制可分为三种：,2. 癌基因的激活机制, 各种类型基因突变如碱基替换、缺失或插入，都能导致原癌基因表达异常，引起细胞癌变。,基因突变,失活的RAS,GDP,活性的RAS,GTP,细胞cAMP水平增高，导致细胞增殖,细胞cAMP水平降低，细胞增殖停止,信息传导的蛋白类,ras基因,与膜结合的GTP结合蛋白,机体内的正常过程。,突变：导致GTP无法转化为GDP，从而引起细胞持续分裂。,失活的RAS,GDP,活性的RAS,GTP,细胞cAMP水平增高，导致细胞增殖,细胞cAMP水平降低，细胞增殖停止,阻断,ras基因, 基因组内原癌基因自身扩增导致过度表达；由于相应基因产物增加，使细胞恶性转化。,基因扩增, 双微体(double minute, DM) 扩增的重复DNA片段从染色体断裂下来，因无着丝粒随机释放至胞浆，呈环状，经染色后成一对连在一起的双点状结构。, 染色体重排主要是染色体易位和插入，常导致原癌基因易位至一个强大的启动子、增强子或转录调节元件附近，或形成融合基因，使原来无活性或低表达的基因激活变为高表达，细胞发生恶性转化。,Ph染色体t (9q34；22q11),burkitt淋巴瘤t (8q24；14 q32),染色体重排,慢性髓细胞性白血病(CML)：染色体9 (C-ABL) 染色体22 (BCR)，形成融合基因BCR-ABL。,C-MYC基因被免疫球蛋白增强子所激活,原癌基因激活的可能途径,肿瘤抑制基因(tumor suppressor gene),又称为抑癌基因或抗癌基因，它们的功能是抑制细胞的生长和促进细胞的分化。当两个等位基因都因突变或缺失而丧失功能，即处于纯合失活状态时，细胞就会因正常抑制的解除而恶性转化。目前已发现的肿瘤抑制基因有十几种。许多人类遗传性肿瘤综合征常常有肿瘤抑制基因的缺失或失活。,肿瘤抑制基因Rb基因,Rb基因是在研究Rb家系时发现的，是最早发现的肿瘤抑制基因，其发病符合二次突变学说。Rb基因定位于13q14.1，编码蛋白质（prb）有928个氨基酸组成，其分子量为110KD。Prb是一种核磷酸蛋白质。Prb的主要作用是调节细胞周期。其调节细胞周期的能力与prb磷酸化状态有关。,(1) 脱磷酸化Rb蛋白（活性）与转录因子E2F结合，抑制基因的转录活性(2) 磷酸化Rb蛋白（失活）与E2F解离，释放E2F(3) E2F启动基因转录(4) 细胞进入增生阶段 (G1S)因此，Rb蛋白在控制细胞生长方面发挥重要作用一旦Rb基因突变可使细胞进入过度增生状态,RB基因的功能,肿瘤抑制基因-P53,P53在人类50%的肿瘤都存在突变，如结肠癌、乳腺癌、肝癌、肺癌等。P53基因定位于17p13.1，长20kb，含有11个外显子，编码393个氨基酸，其分子量为53KD。野生型的P53蛋白是核内一种磷酸化蛋白，作为转录因子可与特异的DNA序列结合。P53是基因组保卫者： 一定的外界刺激如DNA损伤、应急等可引起细胞内p53蛋白水平升高，激活一系列下游靶基因的转录，诱导细胞周期G1期阻断、诱导细胞调亡、诱导细胞分化、保护基因组的完整性以及抑制肿瘤细胞的生长等。,III.肿瘤发生的遗传学理论,单克隆起源假说二次突变假说多步骤损伤假说,单克隆起源假说(monoclonal origin hypothesis),肿瘤细胞是单个突变细胞增殖而来的单克隆增殖细胞群。,例证：,Burkitt淋巴瘤中的所有淋巴瘤细胞都发生相同的染色体重排。,t（8；14）（q24；q32）、t（2；8）（p12；q24）、t（8；22）（p24；p11）,q32,8 2,视网膜母细胞瘤 （RB）,遗传性 非遗传性（散发型） 家族史 无 双侧 单侧(约90%） 早发 晚发,肿瘤的二次突变学说,20世纪70年代，Knudson,同是一种肿瘤,为什么既有遗传型又有散发型?发病年龄又不同呢?,1971年, Knudson提出二次突变学说(two hits theory)，用来解释肿瘤发生中遗传因素的作用方式。,1. 遗传性病例中，第一次突变发生于生殖细胞或由父母遗传而来，结果患儿出生时每一个细胞均带有一个突变，成为突变的杂合子；2. 在此基础上，若在出生后体细胞发生第二次突变，两次突变累加，即可完成始动（initiation)，而从良性细胞变成恶性细胞。,二次突变学说:,3. 恶性细胞在一定条件下，形成增殖优势，即可完成促进阶段，形成恶性细胞克隆。4. 在非遗传性病例中，两次突变都是体细胞突变，而且必须在同一个体细胞中两次发生独立才能完成始动的过程。这种机会比较少，需要经过漫长过程的积累。,二次突变学说(two hits theory):,散发性和遗传性Rb功能丧失的机理,肿瘤发生的多步骤损伤学说,肿瘤的发生过程中，涉及多个基因的联合作用，每个基因的改变只完成其中的一个步骤。,1983，Land等,多步骤损伤学说（multistep lesion theory）：1. 细胞癌变往往需要多个肿瘤相关基因的协调作用，经过多个阶段的演变，不同阶段涉及不同肿瘤相关基因的激活与失活。2. 基因的失活在时间上有先后顺序，在空间位置上也有一定的配合，这些基因共同作用，最终形成肿瘤的表型。,转录水平的改变：启动子插入 DNA扩增,转录产物结构的改变：基因突变 基因融合,癌基因活化形式,正常结肠细胞,APC,MCC,细胞生长增强,Ki-ras,腺瘤,ras突变,腺瘤,10q缺失,DCC,腺瘤,17q缺失,p53,癌,其中ras为癌基因，p53、APC和MCC为抑癌基因。,结肠癌形成模式图,APC-结肠癌基因 原癌基因DCC-结肠癌缺失的基因，抑癌基因,Bloom 综合征,临床特征,身材矮小，慢性感染，免疫功能缺陷，日光敏感性面部红斑和轻度颜面部畸形，且多在30岁前发生各种肿瘤和白血病。,IV. 遗传性恶性肿瘤举例, Bloom综合征患者具有显著的染色体或基 因组不稳定性的遗传学特征。主要表现在：,(二) Bloom综合征患者的 细胞遗传学改变, 微核是位于细胞质中的边缘清晰的浓染小体，内含DNA，是无着丝粒的染色体断片丢失在胞质中形成的结构。,1. 微核(micronuclear)率增加, 姐妹染色单体交换(sister chromatid exchange, SCE)：指姐妹染色单体同源部位发生的片段互换。, 姐妹染色单体交换率增高, 体外培养的Bloom综合征细胞株染色体易发生断裂并形成结构畸变，4-27的培养细胞中可以看到染色体断裂和重排，如四射体。,3.