癌症发生的遗传分析

1、癌症发生的遗传分析,癌症发生的遗传分析,一、肿瘤发生中的遗传现象 当今人类社会中，癌症和心血管病已成为严重威胁人类健康的两大病魔，全世界每年约有万人死于癌症 对于癌症病因的研究，现已知有许多环境因素是致癌因子，可能在一定条件下诱发肿瘤例如电离辐射和紫外线可能诱发白血病和皮肤癌；芳香烃类化合物（例如苯并芘）可能诱发皮肤癌等；亚硝胺可能诱发肝癌、食道癌、鼻咽癌；黄曲霉素可以诱发肝癌；另外也知道某些病毒可以引起人类和动物的肿瘤。 由于对这些物理、化学和生物的致癌因素的认识，所以社会舆论中有一种流行观念：认为癌症是现代人类社会的“文明病”，是因为工业化带来了环境污染以及生态平衡破坏的恶果。 当然这种流

2、行观念强调了人类环境条件恶化对癌症增多的影响。虽有一些道理，但并不全面。,肿瘤生物学的研究表明，癌症在人类历史早期阶段就有发生，同时肿瘤的发生是环境和遗传因素共同决定的，环境中的致癌因子只有通过改变遗传物质的结构或功能才能使正常细胞转变成癌细胞。 20世纪80年代,德国人类学家曾对7000年前的一座石器时代古墓进行考古研究,在出土的80具人体骨骼残骸中发现约1/5的尸体上留有患恶性肿瘤的痕迹,从这些痕迹部位判断其中有乳腺癌、肺癌和前列腺癌。德国学者们估计，这可能是当时集中埋葬重病死亡者的墓地，因此这座古墓中的癌症患者人数较多。 由此可见，癌症的发生已由来已久。 但是，环境的污染等增加了癌症的发

3、病率.,此外，我们还可以从以下种种现象种观察到遗传因素对肿瘤发生的影响。 肿瘤发生的家族聚集现象。 肿瘤发病率在种族间的差异。 遗传性肿瘤和肿瘤的遗传易患性。,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。,遗传性肿瘤特征,肿瘤遗传病的流行性 肿瘤种类的种族差异,种 族 肿瘤类型 中 国 鼻咽癌 日 本 松果体癌 犹太人 白血病 黑 人 骨髓瘤 印第安人 胆道癌 阿拉伯人 皮肤癌,肿瘤年龄的地区和种族差异,地 区 肿瘤类型 发病年龄 美国白人 白血

4、病 4岁高峰 中国东北 鼻咽癌 14岁以下4.89% 中国广东 鼻咽癌 14岁以下0.11%,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4050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，1215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。,American actress Angelina Jolie revealed t

5、hat she has undergone a preventive double mastectomy after knowing she carried the BRCA1 gene that would greatly increase her risk of breast cancer and ovarian cancer.,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3545。 发病时期早，1014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

6、。,一张照片救了眼癌宝宝,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,癌基因,控制细胞生长和分裂的正常基因的突变形式 能在体外引起细胞转化，在体内诱发肿瘤 癌基因(oncogene) V-oncogene C-oncogene,二、癌基因和肿瘤抑制基因,（1）病毒癌基因和原癌基因,1976年，Bishop从Rous病毒中分

7、离出癌基因src,并在动物正常细胞中发现有同源序列。 病毒癌基因（v-onc）对病毒本身的生长、增殖是非必需的 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（c-onc） 。 病毒癌基因源于细胞癌基因。,图 v-src 来自c-src示意图,原癌基因,Protooncogene:是人或动物细胞中一类固有的正常基因，是细胞正常生长、分化所必需的基因，他们编码的蛋白质产物，参与细胞生命活动中最基本的生化过程。 细胞内的原癌基因高度保守，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；

8、参与信号传导的蛋白激酶；核内蛋白等。,但是：原癌基因的表达,在时空上发生紊乱，不再具有细胞周期特性 或出现过度表达 产物的质和量发生改变 细胞癌变和肿瘤,（2）肿瘤抑制基因(tumor suppressor gene) 抑（抗）癌基因 (anti-oncogene),存在和表达使细胞不发生癌变和机体不产生恶性肿瘤。 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。 持家基因 细胞生长抑制基因 诱导细胞分化的基因 癌基因产物拮抗物的编码基因 例如：RB基因，P53基因,抑癌基因的功能,1、诱导终末分化 2、维持基因稳定 3、触发衰老，诱导细胞程序性死亡。 4、调节细胞

9、生长 5、抑制蛋白酶活性 6、改变DNA甲基化酶活性 7、调节组织相容性抗原 8、调节血管形成 9、促进细胞间联系,负性生长因素的信息传导 调节基因,抑癌基因的发现,1968年 Harris 肿瘤细胞 X 正常细胞 正常细胞动物正常 染色体丢失 肿瘤细胞,正常细胞的基因组内广泛存在着抑制肿瘤形成的基因,所谓“癌基因”、“抑癌基因”是在癌瘤研究过程中命名的。 事实上，细胞的原癌基因和抑癌基因均是细胞的正常基因成分，具有重要的生理功能，除了癌瘤以外，它们在多种疾病过程中也发挥重要作用。,原癌基因与抑癌基因的差异 特点 protooncogene anti-oncogene 基因属性 正调控（cel

10、l增殖基因） 负调控（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 突变细胞类型 体细胞 体细胞，生殖细胞 肿瘤类型 白血病，淋巴瘤 实体瘤,癌变： 某些原癌基因被激活而过度表达； 不同原因所导致的抑癌基因失活而丧失了“管家”功能。,癌基因（gain-of-function）和抑癌基因（loss-of-function）,三、致癌机制,原癌基因激活 点突变 病毒插入 基因重排：染色体易位(基因重排，融合基因) 基因扩增 抑癌基因失活,原癌基因致癌机制(例：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

11、着开关作用的蛋白，当ras gene 突变时，ras 蛋白一直处于开的状态，细胞生长。 ras proto-oncogene 1 12 61 189 gly gln arg ( G C), k-ras oncogene,致癌病毒,病毒 核酸结构 癌基因 乳多空病毒 环状双链DNA T抗原基因 腺病毒 线状双链DNA E1A，E1B 疱疹病毒 线状双链DNA EB序列 反转录病毒 单链RNA ras, 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： R U5 gag pol e

12、nv v-onc U3 R U3 R U5 gag pol env v-onc U3 R U5 LTR LTR 插入基因组,fig,慢性致癌病毒 本身不携带癌基因，致癌作用是整合在基因组的的原癌基因或相关基因邻近部位，导致癌基因表达的改变；或是插入基因组内，形成融合基因。,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CML chr 22 chr 9 5 bcr 3 5 c-abl 3 5 bcr/ c-abl 3 8.5kb, 融合蛋白，210KD 影响了造血干细胞的分化。导致白血病。,

13、Burkitt 淋巴瘤(BL),8q24;14q32 t(8;14)(q24;q32) c-myc ; Ig 基因重排，myc基因5端调控序列丢失，myc基因激活，转录水平增高。,8q24;14q32 t(8;14)(q24;q32),急性早幼粒细胞白血病(APL) 占急性非淋巴白血病(ANLL)的15, t(15;17)(q21;q12) 15号染色体q21位置有bcr癌基因， 17号染色体q12位置有维甲酸受体基因ara， 形成bcr/ara融合基因，融合蛋白阻断造血 干细胞分化，导致白血病。,基因扩增,Nmyc , c-onc 在细胞中copy少，正常细胞 大量扩增copy癌细胞。,RB

14、基因,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),抑癌基因的失活,Rb基因 Rb(retinoblastoma gene,Rb)是第一个被克隆的抑癌基因。1971年Knudson系统地研究了有明显显性遗传的儿童视网膜母细胞瘤，提出了著名的肿瘤“两次突变”的假说，认为在有遗传倾向的病人体内所有干细胞及体细胞都存在一种突变，在此基础的发育过程中任一视网膜母细胞再出现第二次突变，即可导致肿瘤发生。Rb基因

15、是源于父母双方的两个视网膜母细胞瘤相关的等位基因,1988年，Huang等用逆转录病毒感染的方法将RB基因导入视网膜母细胞瘤WERI-Rb27,发现RB基因可完全抑制WERI-Rb27细胞在裸鼠体内的致癌性。应用同样的方法导入前列腺癌、膀胱癌、乳腺癌，结果RB基因都可不同程度地抑制癌细胞在裸鼠体内的致癌性。这些结果为RB基因的抗癌性提供了直接的证据。,RB基因可以完全抑制视网膜母细胞瘤的致瘤性，表明RB基因功能失活是视网膜母细胞瘤发生的重要机制。 而RB基因只能部分抑制前列腺癌、膀胱癌、乳腺癌的致瘤性，说明RB基因失活在这些肿瘤的发生、发展中起着一定作用，这些肿瘤的发生还存在其他基因的改变。,

16、RB基因结构 RB结构： RB基因比较大，位于人13号染色体q14，全长约200kb，含27个外显子，26个内含子，由4757个核苷酸组成，3端有AATAA加尾信号序列和polyA，转录产物为4.7kb mRNA,可编码928个氨基酸组成的蛋白质，分子量约为1.1*105。 生物化学的分离技术和免疫荧光技术研究表明，85%的RB蛋白质产物存在于细胞核中，约10%在细胞膜上，在胞浆和间质中几乎没有RB蛋白质。 编码蛋白质定位于核内，有磷酸化和非磷酸化两种形式，非磷酸化形式称活性型，能促进细胞分化，抑制细胞增殖。,RB蛋白的磷酸化和细胞周期 1、RB蛋白的磷酸化和细胞周期 RB蛋白定位于核内，为核

17、磷酸蛋白，具有结合DNA特性，并有转录调节因子的功能； RB蛋白的功能受自身磷酸化程度的调节，而其磷酸化与脱磷酸化过程呈现细胞周期依赖性，RB的状态随着细胞周期以磷酸化和去磷酸化而不同。在细胞周期的G1期，RB蛋白为去磷酸化状态，而在G2,S,M期为磷酸化状态。磷酸化发生在G1/S期之间，主要为M期。,RB蛋白磷酸化受细胞周期调节因子cdc2、蛋白激酶p34的调节，此外Rb蛋白与转录因子E2F结合形成的复合物调节和控制S期的转录及复制。 在对细胞生长的调控中，RB的非磷酸化状态是维持细胞处在G0或G1期的活化形式，控制和抑制细胞生长和增殖，而磷酸化的RB蛋白将细胞由这种控制中释放出来，使细胞进

18、入DNA合成及有丝分裂期。 因此，非磷酸化的Rb蛋白为活化形式，它具有促进细胞分化，抑制生长和增殖的负调节因子的作用。,RB蛋白,磷酸化,失去 抑制作用,进入细胞 分裂周期,去磷酸化,+E2F,停留在 G0/G1期,S G2 M期,P53基因 P53基因是迄今发现与人类肿瘤相关性最高的基因，自1979年P53基因命名以来，人们对P53基因的认识经历了癌蛋白抗原、癌基因到抑癌基因的多次转变。 导致细胞转化或肿瘤形成的P53是P53基因突变的产物，是一种肿瘤促进因子，它可以消除正常P53的功能，而野生型P53是一种抑癌基因。人类肿瘤中约50%以上与P53基因变化有关，仅1991-1998年6月的有

19、关论文就超过6000篇，P53基因也被Science杂志评为1993年的明星分子。,P53基因的结构及特点 人P53基因定位于17号染色体短臂1区3带（17p1,3）分布于200kbDNA区段内，含11个外显子和10个内含子。其转录产物2.5kb mRNA。 P53基因编码393个氨基酸组成的核磷蛋白，分子量为53*103，称P53蛋白，定位于核内，能与DNA特异性结合，具有转录因子的作用。 正常P53蛋白在细胞中易水解，半衰期为20分钟，突变性P53蛋白的半衰期为1.5-7h.,1、 对细胞增殖的抑制作用 2、 P53蛋白与病毒的结合作用 3、 为DNA损伤的检查站 4、 诱导细胞分化 5、

20、 影响细胞调亡 6、 P53基因调节细胞内基因转录 P53除可以与某些病毒癌蛋白结合外，还可与细胞内的转录因子结合，起到活化和调节的作用。其中最重要的两个基因为Mdm2和P21WAF1/CIPI Mdm2基因产物与野生型P53结合阻止P53抑制细胞增殖和诱导凋亡的功能,P53蛋白的生物学功能,功能1、对细胞增殖的抑制作用 P53蛋白是一个细胞周期相关蛋白，参与细胞增殖的调节。正常细胞中P53蛋白控制着静止期细胞从G0到G1期的转变，并且在G1期的生长限制性位点（R point）控制细胞进入细胞周期后的增殖。肿瘤细胞中，突变的P53过量表达，具有增殖正调控作用。 野生型P53则是一个细胞生长负调

21、控因子，P53蛋白的磷酸化与细胞周期有关，非磷酸化的P53蛋白为其活性形式，发挥对细胞生长和增殖的负调节作用。,当P53发生突变后，由于空间构象改变影响到转录活化功能及P53蛋白的磷酸化过程，这不单失去野生型P53抑制肿瘤增殖的作用，而且突变本身又使该基因具备癌基因功能。 突变的P53蛋白与野生型P53蛋白相结合，形成的这种寡聚蛋白不能结合DNA，使得一些癌变基因转录失控导致肿瘤发生。,与DNA相结合的p53蛋白,肿瘤转移基因与肿瘤转移抑制基因,恶性肿瘤的浸润转移往往是肿瘤患者死亡的主要原因，其基本过程相当复杂，涉及肿瘤细胞与宿主之间的错综关系。 近些年来，对肿瘤进行的分子遗传学研究表明，恶性

22、肿瘤的转移过程受人基因组中作用相反的两类基因的调控： 一类是对转移过程有促进作用的转移相关基因或称转移基因(metastatic gene)； 另一类是肿瘤转移过程中起阻碍作用的转移抑制基因或称转移抑制基因(metastatic suppressor gene)。 现在认为，转移基因的激活或转移抑制基因的失活均可导致肿瘤转移事件的发生。,肿瘤转移抑制基因,NM23-H1 & NM23-H2， 均定位于17q21.3 NM23蛋白具有核苷二磷酸激酶的活性，还有嘌呤结合功能，是一种肿瘤转移抑制基因。,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。 化学致癌物质经氧化代谢活

23、化后再与细胞的生物大分子作用而致癌。参与的酶有两类：I相酶(CYP家族)；II相酶(GST家族) 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Msp I 多态， m2m2 基因型具有肺癌易感性。,癌症发生的遗传假说,（1）肿瘤的单克隆起源 （2）遗传物质的两次突变假说 （3）肿瘤发生的多步骤损伤假说,肿瘤发生的单克隆起源假说 肿瘤细胞是由单个突变细胞增殖而成的，也就是说肿瘤是突变细胞的单克隆增殖细胞群。,体细胞突变(somatic mutation) 克隆选择(clonal selection)模式,证据： 同一肿瘤中所有肿瘤细胞都具有相同的“恒定或特异的”标记染色体。 对女性肿瘤的研究发现：一些恶性肿瘤的所有癌细胞都含有形态失活的X染色体，表明他们是单一细胞起源。 淋巴瘤的分子水平分析表明，所有的淋巴瘤细胞都有相同的免疫球蛋白基因或T细胞受体基因重排,图 视网膜母细胞瘤发生的二次突变学说（引自Griffiths等，2005）,肿瘤发生的多步骤遗传损伤学说,细胞增殖异常 干细胞化,正常细胞,细胞克隆性扩增 良性肿瘤形成,致癌因素,启动期,促进期,促癌因素,恶性肿瘤侵袭 与转移,恶性肿瘤形成,进展期,转移期,肿瘤基因治疗,Mic-RNA gene knockout