1、第五章 腫瘤發生的分子生物學基礎第一節概述腫瘤的發生與基因密切相關，基因突變或基因表達失常是腫瘤發生的關鍵。從分子上來考察一個腫瘤細胞的產生、發展和形成，則是細胞大分子結構和功能改變及細胞小分子代謝失常的結果。RNA、蛋白質分子的變異源于DNA或基因的改變。細胞小分子代謝失常來自代謝酶的改變。細胞生長、發育、分裂、分化、衰老、凋亡的改變來自于生長因子、生長抑制因子、激素、受體、細胞骨架蛋白及各種細胞多肽或蛋白質的變異。但追溯其源，其本質和核心乃是DNA分子上的基因結構、功能改變和表達異常所致。腫瘤分子生物學，正是從研究細胞內生物大分子的結構與功能改變和細胞內各種小分子代謝失常入手來探討癌變產生

2、的分子機制的。癌基因、抑癌基因、代謝基因、修復基因、等的改變與腫瘤發生的關系得到了廣泛的研究。生長因子、生長抑制因子、激素、信號傳遞蛋白質、受體、各種生物活性多肽和蛋白質、細胞周期蛋白、細胞骨架蛋白等基因產物，在腫瘤發生中的作用也同樣得到了眾多的研究。這些研究，從不同側面正在逐步構畫出基因、DNA、RNA、蛋白質的結構和功能改變是如何不斷地將一個正常細胞轉變為癌細胞的基本輪廓。第二節腫瘤產生的分子基礎一、DNA的結構、性質和功能改變DNA是雙螺旋結構的分子。當細胞分裂時，雙螺旋問的氫鍵打開成為2股單鏈，每股單鏈以自身為模板，通過堿基配對原則復制出完全互補的另一條鏈，形成2個完全相同的DNA分子

3、。繼而2個相同的DNA分子隨著細胞分裂平均分配于2個子細胞中，實現其遺傳性狀的穩定性。然而，DNA分子維系的遺傳穩定性是相對的，其改變則是不可避免的。DNA分子結構的改變主要來自3方面的沖擊： DNA分子的自發斷裂和堿基的丟失； DNA自我復制造成的錯誤； 各種各樣的致癌劑對DNA分子的損傷作用。致癌劑對DNA分子的損傷作用是DNA分子結構改變中最重要的原因。其結果是造成DNA分子結構、性質和生物學功能的改變。堿基對的改變，是DNA分子結構改變中最基本的方式。其主要形式有替代、缺失、插入、顛換等幾種情況(圖5-1)。DNA分子上堿基對的排列順序負載著特定物種的遺傳密碼信息。只要有一對堿基改變，

4、DNA分子上的三聯體密碼的框碼就會移動和錯排。堿基對改變后的DNA分子已經不再是原來物種的遺傳物質，而是變異的遺傳物質.DNA加成物的形成是DNA分子結構改變的重要方式之一。a.DNA加成物的形成是DNA分子結構改變重要方式（圖5-2）。b.X射線引起DNA結構改變。c.烷化劑，多環芳香烴等致癌物改變DNA的結構。d.紫外線引起DNA結構改變。e.病毒引起DNA結構改變：病毒整合到細胞DNA。DNA結構改變易分解為單鏈，使DNA的復制和轉錄活性增加：DNA的復制準確性的降低是DNA性質改變的另一個重要特征。DNA復制的準確性，是保持遺傳穩定性的關鍵所在。在致癌物的作用下，DNA鏈上的堿基往往會

5、發生改變。未經致癌物作用的DNA與致癌物作用的DNA分子的堿基組成亦不相同。通過核酸單鏈構象分析(SSCP)，可以方便地測出DNA上堿基的改變。DNA上堿基改變導致DNA結構改變，就會使DNA的性質和復制準確性改變，最終可導致細胞的突變。二、RNA和蛋白質的結構、性質和功能改變mRNA分子以DNA分子的一條鏈為模板，在RNA聚合酶的作用下轉錄出的單鏈核糖核酸分子。它負載著一條多肽鏈上氨基酸排列順序的密碼。從分子結構改變的DNA上轉錄出的mRNA與從正常DNA分子上轉錄的mRNA是不相同的。DNA的結構、性質和功能的改變，是RNA和蛋白質的結構、性質和功能改變的根源。而蛋白質的結構、性質和功能的

6、改變則直接影響細胞的增殖、生長控制、分裂速度、功能分化。一個細胞的增殖失去分化，癌變就會發生。第三節 DNA損傷DNA損傷的類型 DNA分子的結構改變是致癌劑對DNA損傷造成的結果。DNA的損傷往往伴隨DNA結構的改變。從DNA鏈的完整性觀察，致癌劑對DNA的損傷類型有：雙鏈斷裂；單鏈斷裂；鏈交聯；片斷丟失等（圖5-3）從DNA分子上堿基的變化看，致癌劑對DNA的損傷類型有：堿基二聚體形成；堿基加成物形成；堿基缺失；堿基取代和堿基錯配等（圖5-4）。第四節癌基因一、概述存在于正常細胞中未被激活的癌基因，稱為原癌基因（protooncogene）。當原癌基因被激活后才能轉變為癌基因。二、種類癌基

7、因種類繁多，按原癌基因產物的功能，則可以把癌基因分為生長因子與生長因子受體類、蛋白激酶類、G蛋白功能類和核內蛋白類等四大類（表6-3）。三、癌基因產物的作用機制鑒于癌基因種類繁多，其編碼的癌基因產物更是功能眾多，作用機制復雜，但癌基因屬于調控基因，癌基因產物必然與細胞內的信號傳遞、蛋白質活化、酶的激活、轉錄的啟動和調節、細胞分裂與分化過程等各個環節相關。目前已經發現了四大類癌基因產物，大都屬于此列。四、癌基因與腫瘤存在于正常細胞中的癌基因為原癌基因。原癌基因是細胞基因組的正常成分。只有當某些因素作用后，原癌基因的結構改變和激活才會導致調控失常。激活后的癌基因才具有致癌活性。因此，原癌基因的激活

8、是導致腫瘤產生的關鍵因素。原癌基因的激活有多種途徑，主要激活方式有點突變、基因重排、基因擴增等類型。1點突變在基因的編碼順序上某一核苷酸發生的突變叫點突變，點突變是癌基因激活的重要方式。從膀胱癌細胞株T24中克隆出的轉化基因為c-H-ras癌基因；與正常的C-H-ras原癌基因編碼順序的差異，僅是第35個核苷酸由G變成了T。因此，C-H-ras編碼的p21蛋白第12位氨基酸由甘氨酸變成了纈氨酸，細胞因此獲得了轉化能力。這種改變與多種癌的因果關系已經查出。如乳腺癌、肺癌、肝癌、結腸癌、急性髓性白血病、神經母細胞瘤等癌瘤細胞中均發現了ras原癌基因的點突變。2基因重排原癌基因中某一部分從一個位置移

9、到另一位置可改變原癌基因的結構，使原癌基因激活，這種改變稱為基因重排。對trk癌基因與大腸癌、乳癌、乳頭狀甲狀腺癌的發生關系研究證明即是基因重排的結果。在大腸癌、甲狀腺腫瘤中，可以發現trk激酶區的結構未變，而trk蛋白的膜外部分或是易位改變或是發生了替換。基因重排使trk原癌基因變成具有轉化活性的癌基因。90的人慢性粒細胞白血病中也發現Cabl原癌基因的易位。3基因擴增某些原癌基因復制時可以由一個拷貝而轉變為多個拷貝。原癌基因拷貝數的增加會導致基因產物的增加，從而引起細胞正常功能的紊亂。在神經母細胞瘤、小細胞肺癌、網織細胞瘤中均可見到N-myc基因的擴增。原癌基因的激活，導致細胞的生長調控異

10、常和癌變。在一個癌瘤細胞中，一般不止存在一種原癌基因的激活。多個原癌基因在腫瘤發生的多個階段上，相繼或同時被激活。目前認為，在癌變過程中至少有2類原癌基因被激活才能完成癌變過程。一類是使細胞產生不死性的癌基因，這類癌基因通常分布于細胞核中，如myc癌基因等；另一類是細胞迅速增殖，細胞表面形態和功能改變的癌基因，這類癌基因通常分布于細胞質中，如ras癌基因，在致癌過程中myc和ras癌基因互補才能使細胞惡變。總之，原癌基因的激活引起癌基因的高表達影響細胞的增殖分化。正常細胞將在增殖速度和功能分化方面發生改變。因此，一個正常細胞就會變成一個轉化細胞和癌細胞。4缺失基因的缺失也是基因失活或激活的一個

11、重要方式。缺失可發生于一二個堿基，也可以發生基因的一部分缺失。缺失可能是腫瘤產生的原因，也可能是細胞惡性轉化后的結果。從染色體5q、13q、17q、18q等位點所克隆出的抑癌基因，均有抑制細胞轉化和腫瘤發展的功能。但它們的缺失，往往會導致腫瘤的形成。染色體的缺失，也可能是細胞轉化過程中遺傳不穩定性的結果。DNA在外界因素作用下可以發生突變。如果DNA修復功能不佳，細胞就會通過已經突變的基因遺傳給子代，獲得突變基因的子代細胞最終形成腫瘤。這種基因缺失也可視為腫瘤產生的結果，缺失在抑癌基因失活中表現的尤為重要。第五節 抑癌基因一、概述 1983年，Benedict等人對散發型和遺傳型視網膜細胞瘤的

12、基因突變進行了分析，發現突變發生在位于13號染色體臂1區4帶（13q14）的Rb基因上。Rb基因丟失或失活，就會失去抑制細胞惡變的能力。 Rb基因是世界上第一個克隆出的完成全序列測定的抑癌基因。Rb基因的發現也使腫瘤學進入到了以抑癌基因為標志的新時代。二、種類從基因克隆、抑癌基因突變、抑癌基因產物的性質和功能，到它們與腫瘤發生的關系等方面的研究，都取得了較大進展。新的抑癌基因不斷地發現，使抑癌基因研究成了現代腫瘤學研究的主旋律。什么是抑癌基因？從概念上講，凡能產生直接或間接抑制細胞增殖、癌變的腫瘤抑制基因即為抑癌基因。按抑癌基因的功能進行分類，據此把抑癌基因分為兩大類：抑癌基因產物與癌基因產物

13、直接作用；抑癌基因對癌基因的表達起負調節作用，包括轉錄和轉錄后（表6-4）。三、抑癌基因產物的作用機制1.Rb基因產物Rb基因編碼的105 ku的pRb蛋白為核內磷酸化蛋白。在細胞周期的不同時相中pRb的狀態不同。在G1期pRb處于低磷酸化狀態；當細胞開始向S期轉化時，pRb的磷酸化急劇增加并持續到G2期和M期，之后又回到G1期低磷酸化狀態。pRb可以和細胞轉錄因子E2F結合，這種結合可以參與細胞從G1期向s期過渡的調節。大T抗原和E1A、E7蛋白可以與E2F競爭性地對pRb結合，從而阻斷細胞從G1期向S期的過渡，因此認為，pRb對Go和G1期細胞起負調節作用。表5-4 抑癌基因的分類抑癌基因

14、 對細胞生長的負調節抑癌基因產物與癌基因 不可逆地終止增殖產物直接作用核內（例如p53、Rb、erbA） 細胞生長靜止細胞漿（例如NF-1、K-rer-1） 終止分化抑癌基因對癌基因的表達起負 衰老調節，包括轉錄或轉錄后 壞死可逆地終止生長外來的（可溶性生長抑制劑）內在的（阻斷信息傳遞或細胞周期）表5-5 主要抑癌基因的性質和功能名稱 功能 分子質量或氨基酸Rb 細胞周期蛋白 105 kuP53 核內轉錄因子 53 kuWT-1 DNA結合蛋白 345 aaDCC 受體 190 kuMCC 受體 829 aaerbA 核內激素受體 ？2p53基因產物p53基因編碼的p53蛋白是一個53 ku的

15、核內轉錄因子蛋白。過去將p53列為癌基因是由于它可以與ras基因共同轉化大鼠原代細胞，后來才發現過去用來做實驗的p53基因是突變型的p53基因。而野生型的p53基因具有抑制細胞增殖和轉化的作用。p53的作用特點是它以四聚體形式與DNA結合來調節基因表達，四聚體中任何一個單體突變就不能使四聚體與DNA結合。最近的研究表明，p53對細胞周期也發生影響。在2個p53等位基因均受損的細胞接受離子輻射或某些藥物時，p53基因會發生突變。這些p53基因突變的細胞會進入S期。而含野生型p53基因的細胞在接受上述刺激后，p53表達升高，細胞周期停止在G1期，從而使細胞有足夠的時間進行受損DNA的修復。如果受損

16、的DNA能夠被修復，細胞就進入S期。如果受損DNA不能被修復，細胞就會進入程序化死亡。由此可見，野生型p53發揮著細胞周期調節的功能。有報告說，野生型p53是通過GADD基因對細胞周期調節的。野生型p53基因可通過與DNA上的早啟動因子結合，從而啟動下游CAT報告基因的表達。突變型的p53不能啟動報告基因的表達。在p53基因信號傳遞下游還存在mdm-2基因，這個基因編碼一個p90蛋白，p90蛋白與野生型p53蛋白結合，可解除p53介導的G1期細胞停滯。3.WT-1基因產物WT-1基因編碼著一個由345個氨基酸組成的DNA結合蛋白。WT-1蛋白與EGR-1的DNA結合蛋白相似，它具有同樣的DNA

17、結合序列。EGR-1接受血清因子刺激可迅速表達，并激活細胞增殖。若WT-1蛋白與特定的DNA序列結合后，就阻止了EGR-1對DNA的結合，從而抑制了EGR-1對轉錄的激活作用，WT-1蛋白即是以此對細胞生長進行抑制的。4.DCC基因產物DCC基因，編碼著一個分子質量為190 ku的跨膜磷酸化蛋白。DCC蛋白是一個細胞豫中的信號傳遞受體。已經發現多發性息肉結腸癌中存在著DCC基因的缺失，這種缺失可能使細胞獲得生長優勢。DCC蛋白與一種細胞粘附分子的結構非常相似，細胞間正常粘附作用的丟失可導致腫瘤細胞的擴散和轉移。DCC蛋白可能在恢復細胞的黏附作用上破揮作用。5.MCC基因產物MCC基因編碼一個含

18、有829個氨基酸的蛋白質，部分序列與G蛋白結合的一種受體相似。在散發型直腸癌中可以檢出MCC基因的錯義突變。MCC蛋白可能代替G蛋白受體與G蛋白結合來改變或阻止信號的傳遞。6.erbA基因產物從一種禽類成紅細胞增多癥病毒株AEV-ES4/R中，發現了2種病毒基因：一種叫V-erbB；另一種為V-erbA。V-erbB和V-erbA有相反的功能。V-erbB可以促進細胞轉化，而V-erbA可以阻止細胞進入終末分化而停留在高度增殖的未成熟狀態。有人把V-erbB歸為癌基因類，把V-erbA歸為抑癌基因類。1986年證實C-erbA是一種高親合性甲狀腺受體基因。erbA蛋白可與DNA結合，羧基端可與

19、激素結合。甲狀腺素正是通過與C-erbA蛋白結合對轉錄造成影響進而對體內的糖代謝、脂代謝以及中樞神經系統發育產生作用，但確切的作用機制尚不清楚。四、抑癌基因與腫瘤細胞癌變是一個復雜的過程。單從癌基因和抑癌基因的大量研究結果看，這個過程應包括癌基因的激活和抑癌基因的失活。在結腸癌中，可以發現癌基因K-ras的點突變、18號染色體長臂上抑癌基因DCC的丟失、17號染色體短臂上p53基因的突變或丟失。在乳癌中也可以見到C-erbB-2和C-myc癌基因的擴增和高表達，同時也可看到p53基因突變和丟失以及Rb基因的丟失。在肺癌中可以發現C-myc、N-myc的擴增和過量表達，同時也有p53基因、Rb基

20、因的改變。在膠質細胞瘤中也可見到erbB-1、C-myc、neu/erbB-2、N-myc、ros、sis等癌基因的激活，也可以看到p53基因的突變。在胃癌中，同樣可以看到H-ras點突變、C-myc擴增和hst重排，同時也存在p53基因的點突變。這些研究結果都證明了癌基因激活和抑癌基因失活是腫瘤發生的重要原因。第六節生長因子與腫瘤一、生長因子概念生長因子是一類與細胞受體結合，具有調節細胞生長作用的生物多肽分子。生長因子最初由它們具有促進細胞增殖的作用而得名，所以在很長時間內，正性促進細胞生長成為生長因子的基本屬性。隨著具有抑制細胞增殖的“負性生長因子”的發現，擴展了生長因子的范圍。生長因子既

21、包括促進細胞生長的多肽分子，也包括抑制細胞生長的多肽分子。在細胞生長繁殖過程中，生長因子的促進和抑制總是成對或配套地發揮作用。生長因對細胞的生長調節作用只有在與細胞膜上的受體結合后，觸發一系列細胞內信號的傳導，激活或抑制不同基因的表達，才能影響細胞的增殖或分化。如果生長因子、受體及信號傳導途徑發生異常，就可能導致組織發育異常和一系列包括腫瘤在內的慢性疾病的發生。因此，生長因子與腫瘤發生的關系研究受到了人們的高度重視。二、生長因子的分泌和種類三、作用機制生長因子對細胞增殖的調控作用，主要由以下幾個過程來實現：生長因子與受體結合；受體的酪氨酸激酶(TPK)活性被激活；激活的酪氨酸激酶(TPK)進一

22、步激活其他信號傳遞體系，如磷酸酯酶C、三磷酸肌醇(IP3)、1，2-二乙酰甘油(DG)、G蛋白、cAMP和蛋白激酶C(PKC)等；磷酸化的蛋白作用于轉錄因子啟動與細胞增殖有關的基因轉錄；轉錄出mRNA并合成各種細胞生長繁殖所需要的多肽或蛋白質(圖5-6)。1.結合生長因子作用的第一步是它必須與細胞膜上的特異受體結合。2. 激活生長因子結合膜上受體后的第一個細胞內反應是受體TPK活性的出現。3. 細胞內信號傳遞的啟動無論細胞外的信號以何種方式進入細胞內，它們都必須將細胞外信號經細胞內的信號傳遞系統加以傳遞并引起細胞內的多種蛋白質的活性變化才能最終影響到細胞的生長、增殖、分裂、分化。四、生長因子與

23、腫瘤發生配基 (Lig)生長因子調控細胞的增殖、分化，維持組織和細胞有序的生長發育。如果這種調控失去功能或失去平衡，細胞的增生和分化過程就會出現不協調，由此就可能產生腫瘤。生長因子具有潛在的致癌作用的觀念受到了普遍的重視。一般認為，生長因子潛在的致癌作用主要與腫瘤在體內發生和發展中的一些步驟相聯系。第一步往往發生在生長因子對細胞的正常生長和分化控制的異常上；第二步是在細胞失常增生基礎上繼續受到刺激，生長因子分泌水平增高，分化的和未分化的細胞和腫瘤細胞均快速生長；第三步是細胞產生刺激鄰近細胞增生的因子，尤其是產生誘導附近血管增生因子，促使腫瘤組織血管化，使腫瘤能夠獲得足夠的營養生長繁殖，并可方便

24、地使腫瘤細胞隨血管向作身轉移。生長因子參與腫瘤的發生、發展，是其功能的體現。近年來，對生長因子調控異常的研究，發現生長因子對細胞正常生長和分化控制的異常來源于3個方面：一是生長因子分泌的異常；二是正負生長因子的調控異常；三是生長因子及其受體的基因突變。這些研究結果進一步豐富了生長因子潛在的致癌作用的內涵。第七節腫瘤的發生是多病因、多基因和多階段腫瘤分子生物學研究的大量事實表明，腫瘤是基因疾病。腫瘤的發生是多因素、多階段、多基因共同作用的結果，在前幾節中，已介紹了DNA損傷與與修復、生長因子、癌基因、抑癌基因參與腫瘤發生過程不同側面的狀況，但是腫瘤發生的全過程是一個多基因參與的復雜的演變過程。在

25、某一腫瘤發生的某一階段，某個基因可能發揮重要作用，但就腫瘤發生的全過程而言，很少由一種基因的作用就能引起腫瘤。由于腫瘤的發生是眾多基因參與的結果，所以有人提出了“腫瘤相關基因”的觀念。與一個正常細胞轉變為腫瘤細胞過程相關的基因(簡稱參與腫瘤細胞產生的腫瘤相關基因)，主要有代謝基因、修復基因、癌基因、抑癌基因等。而從一個腫瘤細胞發展成腫瘤過程的相關基因(簡稱參與腫瘤發展的腫瘤相關基因)，主要有腫瘤轉移基因、腫瘤轉移抑制基因等，它們在腫瘤的發生、發展過程中發揮著重要作用。然而腫瘤發生和發展這兩個過程并不是完全獨立存在的，而僅僅是作者敘述的方便。一、參與腫瘤細胞產生的腫瘤相關基因從一個正常細胞轉變為

26、腫瘤細胞的過程，是一個多基因參與的過程。由于不同的致癌因素，如化學、物理和病毒因素對基因的作用方式不同，參與腫瘤細胞產生的腫瘤相關基因亦不盡相同。1化學因素致癌過程中的腫瘤相關基因化學因素致癌過程，主要包括代謝活化、基因損傷、加成物形成、修復失敗、癌基因激活、抑癌基因失活、細胞轉化、突變細胞產生等階段。在這些階段中，有代謝基因、修復基因、癌基因、抑癌基因等基因的共同參與。化學因素致癌過程和參與化學因素致癌的腫瘤相關基因及作用方式，列于圖5-9中。2. 物理因素致癌過程中的腫瘤相關基因物理因素致癌的過程與化學致癌過程不同的是物理致癌因素致癌過程不需要經過代謝活化過程。物理因素可直接損傷DNA，引起DNA斷裂、缺失，形成堿基二聚體等。因此，參與物理因素致癌的腫瘤相關基因與參與化學因素致癌的腫瘤相關基因有所不同。物理因素致癌過程和參與物理因素致癌的相關基因及作用方式，列于圖5-10中。3.病毒因素致癌過程中的腫瘤相關基因病毒因素致癌過程與化學和物理因素致癌過程相比又有其特殊性，病毒主要靠將其基因整合到細胞DNA中去改變細胞DNA而發揮致癌作用。病毒因素致癌過程，以及參與病毒因素致癌過程中的腫瘤相關基因及作用方式，列于圖5-11中。顯