肿瘤分子生物学

肿瘤分子生物学基础,实验医学研究中心：刘启才,概 述 从分子水平上讲，肿瘤是一类遗传性疾病。由于肿瘤都发现有特定基因的改变;正是这些基因的改变，导致癌细胞增殖的失控，而且能够侵袭周围正常的组织，有的转移到远处的组织和器官。,Fig.1. The invasion of normal tissue by a growing tumor,尚未解决的问题：1. 肿瘤病因及发生的机理不明。2. 目前的治疗，例如化疗和放疗缺少特异性，在杀伤肿瘤细胞的同时损伤了正常细胞。,肿瘤发生的原因机体细胞在外源性致癌因素和内在改变的共同作用导致肿瘤的发生。肿瘤发生的外因.流行病学的证据已清楚表明大多数肿瘤的发生有其外在的因素.英国的外科医生 Percivall Pott 于 1775就发现烟囱清扫工的鼻腔癌和阴囊皮肤癌的高发病率是长期慢性接触煤焦油的结果。由此提出了首个环境因素与肿瘤发生具有相关性的例证 。,化学致癌物：致癌化学物：有些是直接的致突变源，有些可以通过细胞内酶的代谢反应转变成突变源。Tumor promoting agent TPA,化学致癌物的作用机制：肿瘤的发生是一个多步骤的过程，第一步称为始动阶段（ initiation ），随后是促进 阶段。肿瘤的流行病学资料、动物研究和分子水平的分析都证实化学致癌物参与肿瘤发生的多个阶段。,大多数化学致癌物的作用位点是细胞的遗传物质。,The Mechanism of a Action of Chemical Carcinogens,化学致癌物引起肿瘤发生的流行病学证据经典例证是Percival Pott 于1775年提出的烟囱清扫工阴囊皮肤癌的高发病率，最终发现是长期慢性接触煤焦油导致的。 临床观察也揭示了一些人肿瘤致癌源的认识。,动物研究获得的证据许多潜在的芳香烃类致癌物，在兔子的皮肤上用药就会引起皮肤肿瘤。 通过动物用药的方法，一些其它的可疑的化学物质也被证实为致癌物质。,Chemical main route of exposure,target organs,in humans in mice,Aflatoxins ingestion , inhalation liver liver, lung Aluminium production inhalation lung ,bladder 4-aminobiphenyl （氨基联苯） ingestion , inhalation bladder liver, bladderasbestos inhalation ,ingestion lung, gastrointestinal tract peritoneumBenzene inhalation ,skin contact haemopoietic sysetem haemopoieticChlornaphazine (萘氮芥) ingestion bladder lungAzathioprine (硫唑嘌呤) injection and ingestion haemopoietic sys,skin,liver haemopoietic2-Naphthylamine （萘胺） inhalation , skin contact, ingestion bladder liver Soots , tars inhalation , skin contact lung, skin(scrotum) siknNickel inhalation nasal cavity, lung ,larynx muscular system,除了各种化学致癌物外，还有许多其它类型的致癌因子.物理性致癌因素 DNA 和 RNA 病毒所有这些因素有一个共同的特点：引起细胞基因组的改变。,The sites of action of most of chemical and other carcinogens is the genetic material in cells.,物理性致癌因素 :紫外线 电离辐射（铀 uranium，钴 cobalt）地下开采铀矿和钴矿的工人，肺癌的发病高于正常人群. 碘131治疗 白血病（ leukemia）放射线的致癌作用 : 自由基（free radical ）,致瘤病毒许多病毒可感染培养的哺乳动物细胞，并能将这些细胞转化成癌细胞。这些致瘤病毒分为两大类: DNA 肿瘤病毒和 RNA 肿瘤病毒 DNA 肿瘤病毒EBV( Epstein-Barr virus): BurkittS lymphoma , NPCpolyoma virus , simian virus 40(sv40) , adenovirus HPV(human papilloma virus): 宫颈癌 HBV(Hepatitis virus): 肝癌,RNA肿瘤病毒(逆转录病毒，Retroviruses)HTLV(human T cell leukaemia virus) and ATLV(adult T cell leukaemia virus)病毒致瘤的机理：1 间接机理 : 抑制和促进细胞的增殖 大多数病毒感染宿主细胞后会杀死细胞。 如果免疫系统的细胞是病毒感染的靶细胞，病毒感染后就会导致免疫缺陷(HTLV 病毒就具有免疫抑制效应)。,病毒感染还可以引起反应性细胞增殖，这样就会增加细胞瘤样改变出现的机会。相关机理:病毒溶解细胞后，组织的重建。病毒转化的细胞产生的生长因子可能促进未感染细胞的过度增生3. 慢性逆转录病毒的感染促进具有免疫能力的细 胞的增殖。,2. 直接机理:病毒癌基因的作用大多数逆转录病毒含有恶性转化基因。病毒中这些具有转化能力,且能在正常宿主细胞中找到其同源序列的基因称为病毒癌基因。（viral oncogenes）细胞内对应的同源基因就称为细胞癌基因。(cellular oncogenes),病毒癌基因诱导肿瘤形成的其它方式：A .肿瘤病毒蛋白与细胞的肿瘤抑制基因作用，使肿瘤抑制基因失活或出现降解。SV40 T 抗原 , 人单纯疱疹病毒（HPV） 的E7 基因 , 腺病毒E1A 基因.,一些不含癌基因的逆转录病毒通过其它方式诱导肿瘤. 插入突变（Insertional mutagenesis）LTR的插入，位于LTR内的病毒启动子和增强子，使细胞内某些邻近的原癌基因过度表达可导致细胞癌变 ALV (Avian leukosis viruses): Lymphoma 致癌作用与两种蛋白的过度表达有关 (Tax and Rex),肿瘤抑制基因和癌基因 与肿瘤发生有关的癌基因分为两大类：肿瘤抑制基因和癌基因1.肿瘤抑制基因（Tumor suppressor genes ，TSG) 作为细胞生长的刹车起作用; TSGs 编码蛋白可抑制细胞的生长，阻止细胞转变为恶性细胞,肿瘤发生的内在改变,肿瘤抑制基因存在的证据1.恶性肿瘤细胞和正常细胞的融合实验 (studies in the late 1960s in which normal cells and malignant rodent cells were fused to one another.)2.研究发现某些肿瘤中出现特定染色体的特定区域的持续缺失。如： 肺癌患者的癌细胞中常有三号染色体短臂的缺失del（3）（p14 p23）RB： del（13）（p14）； WT： del（11）（p13p14）,Tumor-suppressor genes,Gene primary tumor proposed function inherited syndromeAPC colorectal binds -catenin acting as TF Familial adenomatous polyposisBRCA1 breast TF, DNA repair Familial breast cancer MSH2, MLH1 colorectal Mismatch repair HNPCC*E-cadherin Breast ,colon cell adhesion molecular Familial gastric cancer NF1 Neurofibromas activities GTPase of RAS Neurofibromatosis Type1NF2 Meningiomas Links membrane to cytoskeleton Neurofibromatosis Type2P16 melanoma Cdk inhibitor Familial melanoma P53 sarcomas, lymphomas etc. TF Li-Fraumeni syndromePTEN breast , thyroid PIP3 phosphatase Cowden diseaseRB retinal bind to E2F RetinoblastomaVHL kidney regulates RNA pol II elongation von Hippel-Lindau syndromeWT1 wilms tumor of kidney TF wilms tumor,* Hereditary nonpolyposis colorectal cancer,大多数肿瘤抑制基因编码的蛋白作为细胞增殖的负性调节剂其作用。其中的有些TSG参与很多种不同肿瘤的发生过程。一 RB 基因RB 基因是第一个被发现并被克隆的肿瘤抑制基因。该基因与一种罕见的儿童肿瘤，眼的视网膜母细胞瘤相关。该基因就以该疾病命名： retinoblastoma， RB.,视网膜母细胞瘤RB是儿童中的一种恶性肿瘤,发生率约为1/21000-1/10000, 多在4岁以前发病.临床表现：早期：眼底灰白色肿块发展：肿瘤长入玻璃体，使瞳孔呈现黄色光反射。“猫眼”,发病呈现两种模式, 遗传型和非遗传型:遗传型(20 % -25%): 双侧发病, 多在一岁半以前发病非遗传型: 多为单侧发病且在两岁以后发病.,两次突变理论对疾病的解释:Alfred Kundson 1971 提出两次突变假说：视网膜母细胞瘤的发生需要一个视网膜细胞中RB基因的两个拷贝都发生突变。就散发性视网膜母细胞瘤而言视网膜母细胞中RB基因的两个拷贝就需要进行连续两次的自发突变.,遗传性视网膜母细胞瘤:患者所有的细胞含有从父亲或母亲遗传一条Rb基因缺失的染色体（13号染色体）；这种情况下，任何一个视网膜细胞RB基因的另外一个等位基因发生突变就会形成缺失正常Rb基因功能的细胞，从而导致RB的发生。,患有遗传性视网膜母细胞瘤的患者亦有很高的几率患其他类型的肿瘤,例如: 软组织肉瘤。RB等位基因的突变通常也会出现在遗传获得两个正常RB 等位基因的散发性乳腺癌、前列腺癌及肺癌患者。,RB 基因产物的功能 1.调节细胞周期进展的功能控制细胞周期进展的各种因子在肿瘤的发生中起中枢的作用. pRB蛋白在细胞周期从G1到S期的进展中起调节作用。G1到S期的过渡是一个主要的调控点，而且这种过渡伴随一些与细胞周期进展有关的基因的激活。(DNA polymerase, cyclin and histone ),激活这些基因的转录因子是E2F家族成员， 这些家族成员是pRb蛋白的靶分子。,pRb 调节细胞周期进展功能的证据1.在细胞的G1期，注射过量的非磷酸化pRb蛋白就会阻断细胞进入到S的进程。2.一些DNA肿瘤病毒(ADV,HPV， SV40) 编码的蛋白能够与pRb 蛋白结合,并阻断 pRb 与E2F 结合的能力。,3. RB基因敲除鼠 RB-/- : 假定pRb蛋白在抑制细胞周期进展中起 显著作用， RB-/- 鼠的细胞将会以失控的方式进行分裂，从而产生异常的胚胎。RB-/+ :具有该基因型的老鼠能够进行胚胎的发育并显示出患肿瘤的高风险率。,二 P53 基因 人的P53基因长约20kb,位于17号染色体上，转录出一个大小约为2.5kb的mRNA, 编码分子量为53 KDA的多肽， p53以此命名。1990年, p53被确认为肿瘤抑制基因， 当其表达缺乏时，将会导致一种罕见的遗传性疾病Li-Fraumeni综合症的发生 。,p53 基因功能的证据：人50%以上的肿瘤，肿瘤细胞中含有p53两个等位基因的点 突变或缺失 。相对带有野生型p53基因的肿瘤，含有突变p53基因的肿瘤具有较差的预后。,p53 基因的作用: 基因组卫士 作为转录因子激活其他基因的表达。阻滞细胞周期：P21：抑制驱动细胞通过G1期检测点的细胞周期依赖的激酶的活性。细胞损伤后，P53的表达水平会升高，随之P21的表达激活，细胞周期G1-S期的进展出现阻滞 ，细胞就会停留在G1期，此时就会给损伤的细胞留出时间修复遗传损伤，完成修复后在进入S期，进行DNA复制。DNA replication.,DNA damage,p53,p21,Rb-E2F,Rb-p+ E2F,G1 phase arrest DNA synthesis,apoptosis,(-),PCNA- DNA replication,(-),CyclinA-CDK2 S phase,(-),Cyclin B-CDK1 G2 M,(-),细胞周期阻滞并非P53 保护机体产生肿瘤的唯一方式。P53 能导致遗传损伤细胞进入细胞凋亡途径以此方式清除集体内具有恶性潜能的细胞。p53 蛋白通过激活BAX基因的表达来完成促进遗传损伤细胞进入细胞凋亡的功能.,A model for the function of p53,三.其它肿瘤抑制基因 1. APC基因,家族性腺瘤样息肉( familiar adenomatous polyps , FAP)是一种遗传性疾病, 患者在结肠壁上皮细胞上出现上百个甚至上千个恶变前的息肉.在患者的细胞中发现5 号染色体的部分缺失, 缺失部位正是肿瘤抑制基因 APC所在的位点.,癌基因作为细胞增殖和肿瘤形成的加速器起作用. 编码的蛋白能够促进细胞生长的失控和细胞向恶性状态转化.,癌基因存在的证据: 对RNA肿瘤病毒的研究发现:由于它们携带的基因编码的蛋白能够干扰细胞的正常活动,这些病毒可以将正常细胞转化为恶性细胞. 这些癌基因并非病毒自身的基因, 而是来源于真核 细胞的基因, 是在病毒以前的感染中整合在病毒的基因组中的. 没有激活之前, 称之为原癌基因( proto-oncogenes), 它们只具有破坏细胞自身活动和将细胞转变为恶性状态的潜能.,原癌基因编码的蛋白参与细胞的正常活动. 原癌基因通过以下几种机制转变为癌基因: 1. 基因突变导致基因产物特性的改变,基因产物不再具有其正常的功能. 2. 基因调控序列附近的突变能够改变基因的表达水平, 导致产生过量基因表达产物. 3. 染色体的重排将会导致某些特定DNA序列从较远的位点易位到原癌基因附近.,Proto-oncogenes and human tumors,Proto-oncogene neoplasm lesion,Abl chronic myelogenous leukemia translocation Bcl-2 B-cell lymphoma translocationCdk4 sarcomas amplification erbB Squamous cell carcinoma astrocytoma amplification Her2/neu adenocarcinoma of breast, ovary and stomach amplificationGip carcinoma of ovary and adrenal gland point mutationMyc burkitts lymphoma SCLC translocation amplificationL- Myc SCLC （小细胞肺癌） amplificationK-ras carcinoma of colon, lung and pancreas point mutationH-ras carcinoma of genitourinary tract point mutationN-ras ML (粒细胞白血病) point mutation,癌基因在细胞生长控制中的作用. 外源性配体促进细胞生长. 细胞内的信号转导 . 细胞周期的进展,1.编码生长因子和生长因子受体的癌基因Simian sarcoma virus contained a oncogene (sis) derived from the cellular gene for platelet derived growth factor(PDGF)Avian leukemia virus has been found to carry an oncogene (erbB) that direct the formation of an EGF receptor that is missing part of the extracellular domain of the protein that binds the growth factor.,癌基因的功能,2.Oncogenes that encode cytoplasmic protein kinases Cytoplasmic protein kinases include both serine /threonine kinases and tyrosine kinases ,.Raf is serine /threonine kinases that heads the MAPK cascade .the mutations that turn the Raf into a enzyme that remains“on”position contribute to the cell s loss of growth control .Src is also a protein kinase and just can phosphate the tyrosine residues .,3.Oncogenes that encode nuclear transcription factors A number of on