肿瘤的细胞生物学

1、肿瘤的细胞生物学,当代癌症已成为威胁人类健康的第一位疾病。 每年新出现的癌症病人全世界为500750万，中国为180200万。 人类对肿瘤的研究经历了一个漫长的过程,一、肿瘤的概述,良性增生,恶性增生,良性与恶性增生对照示意图,Benign tumors arise with great frequency but pose little risk because they are localized and small,良性肿瘤局限在包膜中生长与正常组织有清楚的分界线,Malignant tumors generally invade surrounding tissue and sprea

2、d throughout the body,Alterations in cell-cell interactions and the formation of new blood vessels are associated with malignancy 恶性肿瘤呈侵袭性生长与正常组织无分界线,肿瘤是一种细胞病。肿瘤发生的本质是细胞的遗传物质基因组DNA，所携带的遗传信息发生病理改变而造成的细胞病。亦即由于多个基因的结构或功能改变的积累而导致细胞的增殖失控和分化异常，以致突变细胞获得两种基本特性： 1.不衰老、不凋亡、不断增殖， 即不该增长仍不停的增长，该死而不死； 2. 侵袭到不该到的部

3、位。 这两个特性相结合造成肿瘤细胞的转移、播散。肿瘤细胞可将上述特性遗传给其子代细胞, 即在细胞水平进行遗传。但不在个体水平遗传,肿瘤是什么样的疾病,肿瘤与一般的遗传病不同：它并不在一个家族中代代相传 肿瘤 遗传病 _ 遗传学改变 体细胞 体细胞及生殖细胞 家族遗传性 无 有 遗传学素质 有* 环境影响 对肿瘤发生具有关键性作用 不由环境决定 _ *存在先天性肿瘤相关的遗传学改变，为肿瘤的发生奠定了一定的基础，使后代具有易于发生肿瘤的倾向，有些肿瘤具有家族聚集现象,肿瘤细胞分子生物学的 早期实验研究 （20世纪60年代中晚期） -DNA转染实验 小鼠的正常成纤维细胞系 ( 3T3 细胞 ) ，

4、 被人类肿瘤细 胞的DNA转染后，发生恶性转 化，接种于小鼠而成瘤。 此实验证明了遗传物质的 致瘤性,肿瘤学的主要研究方法 1. 光镜观察 2. 组织化学、细胞化学、免疫组织化学 3. 超微结构观察 4. 分子生物学技术 PCR、核酸分子杂交、DNA测序、杂合性缺失、染色体组型检测等,致癌过程是机体内在因素及外界因素联合作用，体细胞中基因改变并积累的多阶段过程的结果,Environmental vs. Hereditary Cancer,Cells in multicellular organisms are continually receiving signals from each ot

5、her and their environment,This leads to proliferation, differentiation or even cell death (apoptosis) as appropriate to the needs of the organism as a whole In cancer, this normal balance goes awry Cancer Genes,一）外界因素 1、化学因素 有些化学致癌物可直接致癌；有些则在体内发生转变后才具有致癌作用。它们都可引起DNA序列的局部改变，如点突变。 （1）烷化剂：如有机农药、硫芥、乙酯杂螨

6、醇等，可致肺癌及造血器官肿瘤等。 （2）多环芳香烃类化合物：如煤焦油中的3，4-苯并芘。与煤烟垢、煤焦油、沥青等石油物质经常接触的工人易患皮肤癌与肺癌。 （3）氨基偶氮类：为染料类，易诱发膀胱癌、肝癌。其致癌性是由于其体内代谢产物。 （4）亚硝胺类：与食管癌、胃癌和肝癌的发生有关。 （5）真菌毒素和植物毒素：如黄曲霉易污染粮食可致肝癌，也可致肾、胃与结肠的腺癌。苏铁素、黄樟素及蕨类毒素也可致肝癌。 （6）其他：金属（镍、铬、砷）可致肺癌等。氯乙烯能诱发人肝血管肉瘤。二氯二苯基、三氮乙烷（DDT）、苯均可致肝癌,2、物理因素 通常引起染色体的断裂或部分染色体的易位及基因突变。 （1）电离辐射：由

7、于X线防护不当所致的皮肤癌、白血病等。此外，吸入放射污染污染粉尘可致骨肉瘤和甲状腺肿瘤等。 （2）紫外线：可引起皮肤癌，尤对易感性个体（着色性干皮病）作用明显。 （3）其他：烧伤深瘢痕长期存在易癌变，皮肤慢性溃疡可能致皮肤鳞癌。石棉纤维与肺癌有关。滑石粉与胃癌有关。这些可能与局部物理刺激有关,很多致癌因素都可引起DNA损伤。肿瘤发生的几率与暴露于致癌物时间的迟早和长短相关,3、生物因素 一些肿瘤与病毒、细菌及寄生物的感染相关。 已知的致癌病毒有： DNA病毒： HBV（肝癌） HPV（宫颈癌、阴茎癌、食管癌） EBV（鼻烟癌亚洲、Burkitts 淋巴瘤非洲 ） HIV （ Kaposis s

8、arcoma） RNA（逆转录）病毒： HCV（肝癌），HIV+EBV (卡玻氏肉瘤 ) 此外寄生虫与肿瘤有关 幽门螺杆菌与人胃MALT淋巴瘤和胃腺癌的发生有关 如埃及血吸虫可致膀胱癌、华枝睾吸虫与肝癌有关，日本血吸虫病对大肠癌有促癌作用,RNA肿瘤病毒是通过激活细胞的原癌基因来起作用的。 RNA病毒 原癌基因结构异常 癌变,1. 病毒复制，细胞死亡。 2. 致癌病毒的慢性感染与其他致 癌因素联合作用导致癌变。 机制： （1）病毒DNA整合到宿主细胞的 基因组引起插入性突变，活化原 癌基因，引起细胞转化、癌变。 (2) DNA病毒在宿主细胞内的表 达产物，与抑癌基因产物通过蛋 白质蛋白质分子间

9、的相互作用 相结合而使抑癌基因失活。 不同致癌病毒的作用机制不同,病毒感染细胞的两种后果,二）内在因素 1、遗传因素 遗传素质 ( Genetic predisposition ), 例如，染色体杂合性丢失 ( LOH ) ，某抑癌基因缺失或失活。 与人类癌症的关系虽无直接证据，但癌症有遗传倾向性，即遗传易感性（hereditary susceptibility。 2、内分泌因素 与肿瘤发生有关的激素，较明确的为雌激素和催乳素与乳腺癌有关，子宫内膜癌与雌激素也有关。 3、免疫因素 先天或后天免疫缺陷者易发生恶性肿瘤，如获得性自身免疫性疾病（AIDS，艾滋病）易患恶性肿瘤。丙种球蛋白缺乏症病人易

10、患白血病和淋巴造血系统肿瘤，肾移植长期使用免疫抑制剂的病人，肿瘤发生率较高,Age and Cancer,Note log scale for incidence rate,乳腺肿瘤的生长速度,Cancer Rates in US,各种致癌因素引起肿瘤的大致频率,癌基因与抑癌基因,原癌基因 (proto-oncogene,c-onc): 其所编码的蛋白质为细胞存活、增殖、分化及信号转导等正常生命活动所必需，属于管家基因。 * 癌基因(oncogene)：原癌基因活化则变为癌基因。 * 抑癌基因 (tumor suppressor gene)： 其所编码的蛋白质对于肿瘤的发生及恶性行为具有抑制作

11、用,三、细胞的恶性转化,促进细胞增殖 生长因子 生长因子受体 信号转导分子 促进细胞周期运转 转录因子 抑制细胞凋亡,原癌基因表达产物的基本功能,细胞表面的粘附分子:如cadherin 阻断细胞周期运行的检验点控制蛋白质:如p53蛋白、CKI家族 抑制性细胞增殖信号通路中的受体及细胞内的信号转导分子： 转录因子 促进细胞凋亡的蛋白质 DNA修复酶,抑癌基因表达产物的基本功能,常见的抑癌基因,突变 ( mutation): 基因的结构发生了改变 * 易位( translocation )及重排: 基因的位置发生了改变，两个基因的一部分发生相互交换，可导致原癌基因的活化。 * 扩增( amplif

12、ication)：原癌基因的拷贝数增多，导致基因产物增多而活化。 * 甲基化和去甲基化: 原癌基因去甲基化导致表达增强活化成为癌基因；抑癌基因甲基化致表达减弱而失活,原癌基因活化和抑癌基因失活的方式,细胞增殖失控：不顾一切的不断增殖分裂 细胞分化异常：不具有正常功能，具备异常功能 逃避细胞凋亡：不衰老 ( 端粒酶活性高 )， 该死亡时不死亡。 细胞迁移能力增强 具有侵袭正常组织的能力 具有转移至远处器官的能力 具有对化疗药物和放射治疗的抵抗性,原癌基因活化和抑癌基因失活的后果,Cancer: General Etiology and Pathogenesis,Rb bind with E2F

13、transcription factor,Eg: 抑癌基因的失活与肿瘤发生,RB gene,p53 gene,不同肿瘤通常具有不同的遗传学改变,肿瘤发生的分子机制不仅在不同组织的不同性质的肿瘤不同，即使同种组织的同种肿瘤也不尽相同,癌变过程可大致分为三个阶段： * 起始阶段 ( Initiation ) : 细胞获得不死性 ( myc 等核内作用基因) * 促成阶段 ( promotion )： 获得成瘤性 ( ras 等核外作用基因为主) * 进展阶段 ( progression )： 获得侵袭转移性 ( nm23, E-钙粘素等 抑癌基因失活,癌变过程一个多步骤的漫长的渐进过程,偶然发生的

14、突变细胞,细胞的恶性变是多步骤的渐进过程,正常上皮 （抑癌基因 APC丢失） 上皮过度增生形成小的息肉 （原癌基因 k-ras活化） 小的良性腺瘤 （抑癌基因 DCC丢失） 大的腺瘤 （抑癌基因 p53丢失） 癌瘤 （新的突变或丢失） 转移性癌,例如，干细胞的增殖分化异常导致肿瘤,细胞的恶性转化一般发生在具有增殖能力的细胞,体内存在DNA损伤修复机制,人类基因组原本是相当稳定的。这是因为细胞中存在感知和修复 DNA损伤的一系列复杂的机制。因而，在正常情况下基因的突变即使发生也可修复，多基因系列突变的积累并非易于实现。因此，避免经常暴露致癌因素的作用下，可以防止癌症的发生,DNA,体内存在的天然

15、抗癌机制 * DNA损伤修复机制：细胞的恶性变源于外界因素引起的DNA 损伤，细胞内存在修复DNA损伤的机制。损伤的DNA若能及 时修复，则不致引起癌变。 * 停止DNA受损的细胞进入细胞增殖周期的机制：抑癌基因常 可通过监控点(checkpoint)调控而停止细胞的增殖，从而防止进一步的突变。 * 诱导未能修复的损伤细胞走向凋亡的机制：启动细胞凋亡运 行机制，使严重损伤的细胞自杀走向凋亡。 * 免疫监视和免疫杀伤机制：通过免疫监视发现突变的细胞；通过特异性和非特异性免疫杀伤机制来消灭已经癌变的细胞,肿瘤细胞的异形性,恶性肿瘤细胞在形态、功能和代谢等方面与其起源的 组织细胞均有不同程度的差异，

16、这种差异称为异型性 （atypia）或称恶性表型（malignant phenotype）。 瘤细胞的多形性,四、肿瘤细胞形态、结构的异常,核的异型性： 瘤细胞核大小、形状、染色不一致，分裂像增多。 胞质的改变： 由于核糖体增多，而变为嗜碱性或嗜双色性,Photographs of cells collected by scraping the surface of the uterine cervix,巴氏染色检查子宫颈癌前病变,肿瘤细胞异型性电镜图,核仁,核膜,肿瘤细胞核与染色体的异常,一乳腺癌患者的染色体核型,9号与22号异位所致的慢性骨髓白血病,肿瘤细胞可表现为多倍体和 异倍体（非整倍

17、体,Normal and Cancer Karyotypes,Chromosome painting (a) is a normal cell, (b) is a “very messed up” cancer cell,肿瘤细胞骨架的异常,正常细胞 癌变细胞,发现调控微丝组装的Rho和其他小GTP酶的编码基因表达异常；纺锤体组装异常；中心体异常（大尺寸、非正常形状、数目增多或消失,肿瘤细胞的细胞连接松散、间隙连接减少异常,在许多肿瘤（如人肝细胞癌、乳腺癌、胶质细胞瘤等）中发现间隙连接蛋白（Connexin,Cx）基因的转录抑制，Cx mRNA低或无表达，并伴有间隙连接细胞间通讯抑制，肿瘤细胞

18、内PKC活性升高,Schematic overview of the types of molecules that bind cells to each other and to the extracellular matrix,Infiltration: Loss of Intercellular Adhesion,Infiltration: Attachment to ECM,Infiltration: Degradation of ECM,Tumorigenesis of Cervical Cancer,肿瘤细胞表面结构及糖缀合物的异常,N连接糖链：GlcNAc-T表达与活性增高而在细

19、胞 表面出现1,6分支的四天线大糖链（酶抑制剂 Swoinsonin） O连接糖链：由于糖基化不完全而出现缩短的糖链 有些糖蛋白和糖脂的糖链末端出现多聚唾液酸 肿瘤细胞表面糖链的岩藻糖化程度增高，如出现 SLEX抗原等,遗传上的不稳定性,基因的突变不断发生 某些癌基因扩增，出现多拷贝，在晚期癌更明显 非突变性修饰：甲基化（阻遏抑癌基因的 表达）与去甲基化（癌基因活化） 在基因活化、转录及翻译水平调控异常,五、肿瘤细胞的生物学特性,生长（分裂增殖）失控,1、肿瘤细胞的生长特点,4）肿瘤细胞增殖动力学的临床意义： 指导临床治疗方案的制定,正常细胞 与 转化细胞 的生长比较,血管生成与肿瘤生长,肿瘤

20、细胞释放血管生成因子促进血管长入肿瘤，血管的长入又加速肿瘤的生长,2、肿瘤在体内生长的特性,肿瘤的体内生长曲线 (血管长入后迅速增长,Cell Number,0 5 10 15 20 25 （ Years,Vascularization Potentially lethal of tumor tumor burden Clinical detection of tumor,Angiogenic switch,TUMOUR ANGIOGENESIS,Sprouting Angiogenesis,Growth factors Eg., basic fibroblast growth factor,

21、 bFGF, Placental growth factor, PlGF, Vascular endothelial growth factor, VEGF,Upregulation of vb3-integrin,Upregulation of Growth factor receptors Eg., VEGFR2 (KDR, Flk-1,The angiogenic switch turns non-tumour to tumour,Angiogenesis before and after acquisition of invasiveness,Blood vessel density

22、increases as tumours grow,Disease-free survival probability is enhanced in patients with low blood vessel density,1) 对生长控制反应的丧失（loss of response to growth controls）, 表现为自主性生长（autonomy） (2)接触抑制的丧失（loss of contact inhibition） 肿瘤细胞膜上抑素 （chalone）含量减低 甚至消失，如LETS,3、肿瘤在体外生长的特性,3)生长的锚着依赖性丧失 （loss of anchora

23、ge dependence for growth ） (4)细胞生长的密度依赖性抑制作用降低 （diminished density-dependent inhibition of cell growth） (5)恶性肿瘤细胞的“永生性” （immortality of malignant tumor cell） (6)恶性肿瘤细胞的可移植性（transplantability） (7)恶性肿瘤细胞表型的不可逆性 （irreversibility of the maglinant cell phenotype,癌细胞的自分泌生长刺激,1、肿瘤细胞物质代谢和酶学的改变： （1）恶性肿瘤细胞物质代

24、谢和酶学改变的一般特征 a.合成代谢与分解代谢： 蛋白质、脂类、核酸（甚至核苷酸）的生物合成增加； 氨基酸、核苷酸的分解代谢显著降低； 糖类等能源物质的分解加强而合成则减少。 b. 增殖相关酶和分化相关酶： 前者增加，后者减少 c. 转化相关酶和演进相关酶： 增加,肿瘤细胞的生物化学特性,2）恶性肿瘤中几种重要的酶学改变： a.糖代谢中酶的改变： 糖酵解：活性增强（己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶） 糖异生：相关酶作用下降或近乎停止 （如丙酮羧化酶、葡萄糖-6-磷酸酶、果糖二磷酸酶、 磷酸烯醇式丙酮酸激酶） 糖原代谢：相关酶活性降低 b.氨基酸代谢中酶的改变： 蛋白质合成代谢增强，氨基酸分解

25、代谢减弱 患者肌肉蛋白质的分解增加 c.核苷酸代谢中酶的改变： 参与核苷酸合成、还原及最后合成DNA的酶均升高,3）恶性肿瘤中同工酶谱的改变： 胎儿型表达、胎盘型表达、异位型表达,血液中的肿瘤标志物,胰腺癌,卵巢癌, 胆管癌,2、肿瘤细胞膜组分及表面特性的改变 （1）肿瘤细胞膜上组分的改变： 膜糖蛋白的改变：丢失、糖链的变化、合成新的糖蛋白 膜糖脂的改变： 某些糖鞘脂合成不全、新糖脂合成、糖脂反应消失、隐匿性糖脂的暴露 （2）肿瘤细胞膜表面特性的改变： 细胞通透性增高 接触抑制的降低或丧失 易于与植物凝集素起凝集反应 细胞膜粘着力降低 肿瘤细胞纤溶酶活性增高,这是肿瘤细胞的一大重要本领。细胞凋

26、亡受阻是肿瘤发生的重要机制，也是肿瘤细胞抵抗化疗和放疗的重要机制。很多抗肿瘤药的作用旨在诱导细胞的凋亡,肿瘤细胞的凋亡受阻,逃避细胞凋亡,同一个肿瘤结节中的各个肿瘤细胞并不均质，其异质性表现在以下方面： * 恶性肿瘤细胞的染色体为异倍体及多倍体。不同肿瘤细胞的核型可不一致 * 抗原性 ( autigenicity )及免疫原性 ( immunogenicity ) 不同 * 生化特性不同 * 生长行为不一致 * 侵袭转移潜能不同 * 对药物、辐射、高温、冰冻处理的敏感性不同 因而各种保守疗法可以杀灭敏感的肿瘤细胞使肿瘤缩小，但治愈的最终目的是杀灭所有癌细胞，因此需联合化疗及综合治疗。具备切除条

27、件的进行根治性手术切除是公认比较彻底的肿瘤治疗方案。 癌细胞的异质性是其遗传性不稳定的结果。 由于肿瘤细胞的异质性，欲完全歼灭体内的所有肿瘤细胞采用一种措施常难以奏效，需要多种手段综合实施,肿瘤细胞具有异质性 ( Heterogeneity,同一肿瘤中存在转移潜能不同的细胞亚群,Experiment showing that there are clonally heritable differences between the cells of a single tumor with respect to the ability to metastasize,在化疗中肿瘤细胞可在仅仅使用一种

28、抗癌药的情况下对多种化疗药产生耐药性。其机制比较复杂。ABC(ATP binding cassette)转运蛋白超家族。P-gp和MRP是目前了解较多的与 MDR 有关的分子。 P-gp 为一种 170 kDa 的 6 次跨膜糖蛋白。两条 P-gp 肽链形成二聚体，围成12边的通道，在其胞质区形成两个ATP结合位点,疏水性化疗药可与ATP结合，并改变P-gp的构象而使其ATP酶活化，遂将药物或直接泵出细胞，或先泵至质膜外片，然后通过扩散释放到细胞外,肿瘤细胞具有多药耐药性 ( multidrug resistance, MDR,肿瘤干细胞对于放射治疗具有抵抗性,肿瘤干细胞对于放射治疗的抵抗性来

29、自于其对DNA损伤修复的能力特别强，很多DNA损伤修复酶被活化。 肿瘤细胞黏附于细胞外基质也可增强其对放射治疗的抵抗性,肿瘤细胞具有固有的特别强的存活能力,肿瘤的根治必须着眼于消灭所有的肿瘤干细胞，否则尽管削减了肿瘤细胞的总数，可见肿瘤缩小，但是还会再增大.这正是目前很多治疗肿瘤的措施只能使肿瘤缩小或“缓解”而不能根治之症结所在。 欲完全消灭体内的所有肿瘤细胞采用一种措施常难以奏效，需要多种手段综合实施；适时的根治性手术切除是清除肿瘤干细胞的有效手段,治愈肿瘤的关键 消除肿瘤干细胞,肿瘤侵袭（tumor invasion）：指恶性肿瘤细胞从其 起源部位沿组织间隙向周围组织浸润的过程。 肿瘤转移

30、（tumor metastasis）：恶性肿瘤细胞从原 发部位侵入淋巴管、血管或体腔，至靶组织或 靶器官，长出与原发瘤不相连续而组织学类型 相同的肿瘤，这个过程称为肿瘤转移。 即由原发瘤又生成转移瘤或继发瘤的过程,六、肿瘤细胞的侵袭与转移,肿瘤侵袭过程 瘤细胞向器官表面靠拢； 瘤细胞用丝状伪足紧贴于器官表面； 瘤细胞伸出伪足 沿细胞的自然间隙 穿过基底膜，开始 侵入器官内； 瘤细胞进一步 侵入器官深部； 形成癌巢,肿瘤转移的途径,淋巴结转移,转移的肿瘤组织,2、血路转移： 一些肿瘤细胞从原发部位分离 脱落，进而浸透组织基底膜， 并可穿透间质内血管壁； 瘤细胞自血管壁游离，或形成 细胞聚集体，脱

31、落进入血循环。 在血循环中的瘤细胞大部被清除。 存活的瘤细胞在血循环中运行， 可到达某靶器官并在其内滞留； 瘤细胞在靶器官内形成微小转移灶； 微小转移灶逐渐长成转移瘤,瘤细胞 血 组织器官，过程中大多被消灭，仅少数（约1/1000）形成转移瘤,黑色素瘤的肝转移灶及其侵袭性生长,结肠癌的肝转移,血路转移瘤具有器官选择性 与瘤细胞侵入血路的解剖位置有关 与瘤细胞的器官选择性有关,前列腺癌的 代表性转移部位,3、种植性转移 （implantation metastasis） 浆膜面的种植性转移 内脏器官的肿瘤，侵犯浆膜后，瘤细胞脱落入体腔，种植在浆膜面上。 如：肺癌 胸膜腔； 消化道癌或卵巢癌 腹膜

32、腔。 形态：浆膜增厚，表面癌结，血性积液，脱落细胞学检查可见癌细胞。 粘膜面的种植性转移,1）细胞增殖调节失控 a. 控制细胞增殖关键位点的基因出现异常： “油门加大”、“启动容易”、“刹车失灵” b. 控制细胞凋亡的基因异常： c. 癌基因的过表达： （2）肿瘤细胞粘附力减弱 粘附作用有关的基因发生突变、缺失、重排等, 如E-cadherin(ECD)和CD44基因的改变,肿瘤侵袭和转移的机制,细胞粘附分子与肿瘤的侵袭和转移： 整合素家族： 亚单位的改变 钙依赖粘附素家族（cadherins） 免疫球蛋白超家族粘附分子（Ig-SF） 选择素家族 CD44,3）压力的作用,5）细胞外基质的降解： （6）机体免疫状态与肿瘤的侵袭转移 细胞毒性T细胞（CTL）： 自然杀伤细胞（NK细胞）： 巨噬细胞,4）瘤细胞的迁移,7）肿瘤侵袭转移的