肿瘤生化与分子生物学基础.ppt

第二讲肿瘤生化与分子生物学基础 我国 城市恶性肿瘤的死亡率位居第一 其次是心脑血管 恶性肿瘤中死亡率最高的是 男性 肺癌 女性 乳腺癌 恶性肿瘤是危害人类健康最严重的疾病之一 最近有报道 上海肿瘤发病中 肺癌占据第一 其次为肠癌 美国 恶性肿瘤死亡率仅次于心血管疾病 DeSantis C R Siegel etal Breastcancerstatistics 2011 CACancerJClin 2011 61 6 409 418 癌细胞的十大特征 1 自给自足生长信号 Self SufficiencyinGrowthSignals 2 抗生长信号的不敏感 InsensitivitytoAntigrowthSignals 3 抵抗细胞死亡 ResistingCellDeath 4 潜力无限的复制能力 LimitlessReplicativePotential 5 持续的血管生成 SustainedAngiogenesis 6 组织浸润和转移 TissueInvasionandMetastasis 7 避免免疫摧毁 AvoidingImmuneDestruction 8 促进肿瘤的炎症 TumorPromotionInflammation 9 细胞能量异常 DeregulatingCellularEnergetics 10 基因组不稳定和突变 GenomeInstabilityandMutation RobertA Weinberg RobertA Weinberg 很早以前注意到 肿瘤是一种基因病 究竟是何原因导致肿瘤 当这些基因受到体内外理化因素 或生物因素 主要指肿瘤病毒 等影响时 基因结构或其表达发生改变 失去对细胞生长的控制作用 导致组织异常增生 癌变 这些基因起何作用 调控细胞生长 增殖 一 理化因素或生物因素的致癌作用 环境因素 DNA损伤而未能及时修复 可致基因突变 引发肿瘤 发生率不同 有个体差异 表明不同的个体 易感性不一样 肿瘤的发生与环境因素和遗传基因的易感性有关 一 常见化学致癌物及其致癌机制1 常见的化学致癌物 香烟 煤烟 汽车尾气 3 4 苯并芘化疗药 杀虫剂 烷化剂染料 橡胶 苯胺 氨基联苯胺食品添加剂 染料 氨基偶氮苯亚硝酸盐 亚硝胺类霉变食品 如霉变花生 黄曲霉素熏烤 烧焦后的高蛋白食品 亚硝胺类装潢材料 甲醛 苯 等 2 致癌机制 1 DNA分子中的鸟嘌呤碱基突变 DNA分子中的鸟嘌呤是最易遭受致癌剂攻击的部位 在N1 N3 O6 N7 C8位上发生加合反应 使DNA分子发生损伤突变 受化学致癌物异常激活的癌基因 有 ras myc erb等原癌基因 乳腺癌中常为H ras 皮肤癌多为H ras myc fos等 肝癌为H ras 2 癌基因被异常激活和抑癌基因失活 化学致癌物的作用 癌基因发生点突变 基因被异常激活如烷化剂引起G A 苯并芘引起G T 结肠癌K ras癌基因的G A 化学致癌物引起抑癌基因突变而使之失活 常见的有p53和Rb基因 进而引发多种癌瘤的产生 抑癌基因 p53基因突变引起的癌瘤有 肺癌 乳腺癌 食管癌 胃癌 卵巢癌 胰腺癌 骨肉瘤 淋巴瘤 甲状腺瘤等 抑癌基因 Rb基因失活引起的癌瘤有 小细胞肺癌 膀胱癌 乳腺癌 胰腺癌 骨肉瘤 软组织肉瘤等 3 促癌剂的作用化学致癌物存在条件下 可加速促癌类化合物的致癌性 促进肿瘤细胞的生长 癌变 如给小鼠背上涂布微量二甲基苯并蒽 再继续涂布佛波醇酯 TPA 可使几乎所有小鼠都发生肿瘤 二 物理因素的致癌作用 物理因素有电磁波辐射 以及电子 质子 中子等 二战中广岛 原子弹建筑材料中的铀 238氡 222 DNA氧化交联 损伤 c Jun k ras被异常激活 过表达 1909年 Rous实验发现 含有鸡肉瘤病毒的无细胞滤液能诱发小鸡长肉瘤 这种病毒被称为Rous肉瘤病毒 1958年阐明 Rous病毒是一种RNA逆转录病毒 其中含有一个特殊基因 src 其表达产物可使细胞转化长肉瘤 癌基因 oncogene onc 是指能引起细胞转化 并长出癌瘤的一类基因 1966年 Rous荣获诺贝尔奖 三 病毒的致癌作用 病毒癌基因 viraloncogene V onc 病毒中含有的癌基因 可以引发癌症 1976年 Bishop J M Varmus H E 正常细胞中也有与v onc同源的基因 被称为细胞癌基因 cellularoncogene C onc C onc广泛存在于各种动物细胞中 是正常基因组的一部分 1989年 Bishop J M Varmus H E荣获诺贝尔奖 原癌基因 Proto oncogene Proto onc 在正常细胞中以非激活状态存在的细胞癌基因 称为Proto onc 对细胞无害 当原癌基因在理化因素刺激下发生基因突变而被过度激活 引起细胞过度增殖 转化为癌细胞 此时称为癌基因 已发现有多种病毒与人类肿瘤有关 例如 C型KNA病毒 与白血病有关人类疤疹病毒 型 HSV 2 与子宫颈癌有关EB病毒 是一种人群感染率较高的致癌性疱疹病毒 与伯基特氏淋巴瘤 鼻咽癌有关 人类肝癌的发生 与乙型肝炎病毒有关 艾滋病病毒的感染 与淋巴瘤 卡波奇肉瘤的发生也有关 1 通过癌基因表达产物促进恶性转化致癌病毒主要通过病毒癌基因编码产物 蛋白质对细胞各环节发生作用 癌基因表达的产物 蛋白质 大多是生长因子及其受体类 蛋白激酶类 小G蛋白 核转录因子及核受体等 参与细胞信号转导各个环节 促进细胞过度增殖 引起癌瘤的生长 2 致癌机制 2 通过插入激活而致癌小鼠乳腺肿瘤病毒 MMTV 原本不含癌基因 MMTV的癌基因 V src 序列的两端含有重复调控序列 LTR 具有增强子样功能 当其插入宿主细胞DNA分子中后 可促进宿主细胞基因表达 MMTV的插入 生长因子int基因过表达 促进细胞增殖 3 病毒癌基因与细胞癌基因的同源性在进化过程中 病毒感染宿主细胞后 可从宿主细胞获得一部分细胞癌基因序列 即称为病毒癌基因 V onc 然后病毒癌基因再去感染宿主细胞 容易促进细胞增殖 转化 致癌 四 遗传特性决定肿瘤的易感性 癌瘤的发生受体内外因素的影响 体内因素 遗传性 先天性 是指遗传性缺陷DNA修复机制或细胞周期调控缺陷 体外因素 后天性 是指外界的一些理化因素和生物致癌因素 在上述因素综合作用下 有可能引起正常细胞的癌变 在肿瘤发生过程中 环境因素是启动因素 而个人的遗传特性决定肿瘤的易感性 肿瘤易感个体 1 可能通过遗传 获得了突变的 易致癌的关键基因2 这种突变基因对环境变化很敏感3 这种突变基因易发生癌变生长由于上述原因 使这类个体发生癌变的概率增高 因而同样暴露于相同的致癌物环境下 有的易生癌 有的不生癌 表明环境与遗传基因相互作用在致癌过程中非常重要 五 DNA修复缺陷导致基因组的不稳定性 DNA修复缺陷 导致基因组不稳定 基因断裂 基因重排 肿瘤发生风险 2007年来自华中科大同济医学院一篇论文 报道了7个遗传性非息肉结肠癌 HNPCC 家系的病例资料 缺陷DNA错配修复系统 基因组不稳定性 肿瘤发生风险 家属聚集性 7个HNPCC家系 共有癌症患者23例 肿瘤灶27处其中1个家系连续三代人生癌 4个家系连续两代人生癌 二 肿瘤生化与细胞学特点 一 癌组织中多种酶活性与物质代谢发生改变 1 糖酵解抑制有氧氧化2 糖异生作用减弱 出现低血糖3 核苷酸乃至核酸合成能力大大增强4 肿瘤组织蛋白质合成 肌肉组织蛋白分解 5 表达胎型同工酶 原因 与多种相关酶活性异常有关 物质代谢变化 1 糖酵解速率增大 正常时 糖的有氧氧化抑制糖酵解 称Pasteur效应恶性肿瘤组织 糖酵解抑制糖的有氧氧化 Crabtree效应肿瘤组织糖酵解很活跃 依赖糖酵解产能提供合成代谢的能量所需 肝癌细胞糖酵解速率是正常组织的2 5倍 肝癌组织中糖酵解供能可达50 2 糖异生及糖原合成能力均下降 肝细胞癌变过程中 糖异生的4个关键酶 难以维持正常血糖浓度糖原合酶活性 肝内糖原含量低下 更难以维持正常血糖浓度这可能是晚期肝癌患者出现低血糖的重要原因 3 氨基酸分解下降而蛋白质合成增强 肿瘤组织 1 谷氨酸脱氢酶 ALT AST等酶活性 联合脱氨基作用 氨基酸分解 2 氨基酸活化酶 蛋白质合成酶系 使氨基酸参与蛋白质合成 肿瘤组织疯长3 肿瘤组织进一步从血液中获取氨基酸用于合成蛋白质 引起肌肉组织蛋白质分解 以补充血液氨基酸 机体消瘦这可能是肿瘤患者消瘦的原因之一 1 核苷酸合成过程中的酶活性变化核酸从头合成酶 dTMP合酶 NDP还原酶 2 DNA复制过程中的酶活性变化DNA聚合酶活性 拓扑异构酶活性 促进细胞增值 3 端粒酶的活性变化恶性肿瘤细胞中端粒酶活性 阳性率80 90 能否通过抑制端粒酶活性 抗肿瘤细胞增殖 4 核苷酸乃至核酸代谢异常旺盛 5 表达胎型同工酶恶性肿瘤组织往往表达胎儿期存在的同工酶 称为胎儿型同工酶 异常高表达HK PyrK 醛缩酶A 或表达胎盘中存在的同工酶 称胎盘型同工酶 还可以表达其他成年组织中存在的同工酶 称异位型表达 肝细胞癌变后表达胎型同工酶 高表达异位型肌型同工酶 CK 二 肿瘤细胞生物学特点 1 肿瘤细胞膜性质改变2 肿瘤细胞增殖能力强3 肿瘤细胞分化障碍4 肿瘤细胞周期失控 1 肿瘤细胞膜性质改变肿瘤细胞膜的通透性明显比正常细胞大 营养物通透 组织癌变时 细胞基质 ECM 细胞黏附分子 CAM 异常 细胞之间的黏附异常 细胞间失去接触抑制 易从原发部位脱落 迁移 侵袭其他组织 肿瘤细胞膜 糖链改变 酸性粘多糖 转移癌的细胞表面唾液酸 负电性 膜上含肿瘤纤溶酶 使血液纤溶酶原转变为纤溶酶 使纤维蛋白分解 降解细胞间基质 促进肿瘤向周围侵袭 转移 肿瘤细胞增殖能力强1 与细胞增殖相关的酶活性增高 核苷酸合成酶 DNA聚合酶 拓扑异构酶 氨基酸活化酶 蛋白质合成酶系均增高 细胞增殖2 细胞信号转导通路中的蛋白激酶活性改变 PKA活性 细胞分化 良性生长PKC TPK 使信号转导蛋白发生磷酸化修饰 细胞增殖 TPK属于生长因子受体型酪氨酸激酶 接受生长因子信号 细胞增殖 3 肿瘤细胞分化障碍肿瘤细胞增殖程度高 分化程度低 或发生趋异性分化 出现多向分化 如髓母细胞瘤可见有神经元分化成分 各种胶质细胞分化成分 甚至出现肌细胞成分 称此为趋异性分化 这种在一种类型肿瘤组织中出现另一种肿瘤成分的现象 被称为肿瘤的化生 肿瘤细胞的趋异性分化 使胞核核型不规则 大小不均 肿瘤的趋异性可能又是肿瘤细胞具有侵袭性 转移性的原因 最近有人提出了 肿瘤干细胞 概念 肿瘤干细胞是指具有恶性增殖能力的 能促进肿瘤生长的细胞群 肿瘤干细胞在肿瘤组织中只占一小部分 这类细胞具有形成并维持肿瘤生长和异质性的能力 与肿瘤转移与肿瘤复发有关 若要彻底治愈肿瘤 必须清除这类细胞 提出 肿瘤干细胞 的策略 2019 12 29 38 4 细胞周期失控是肿瘤形成的重要原因 受Cyclin cdk调控 细胞周期的不同阶段受Cyclin Cdk的调控 Cyclin作为调节亚基 Cdk作为催化亚基 通过两者形成Cyclin Cdk复合物而激活Cdk活性 调节细胞周期进程 与Cyclin相反 Cdk抑制蛋白 CKI 抑制Cdk活性 P21 p16 Rb不被磷酸化 Rb P cyclin CDK CKI分两大家族 包括p21家族和p16家族 2 p21抑制Cyclin Cdk活性 Rb不被磷酸化修饰而活化 活性Rb蛋白与E2F结合 细胞周期停在G1 细胞增殖 3 P16蛋白 抑制Cdk4 Cdk6活性 Rb蛋白不被磷酸化而活化 Rb蛋白与E2F结合 使细胞周期停留在G1期 细胞增殖 1 Cyclin促进CDK活性 Rb P而失活 E2F活化 细胞进程 4 P21又受P53的促进 正常时 p53蛋白 促进p21蛋白表达 抑制Cyclin CDK活性 P16蛋白 Rb非磷酸化 有抑制E2F的活性 正常时 非磷酸化 Rb 与E2F结合 形成Rb E2F 使E2F失活 细胞停留在G1 细胞癌变时 Rb p E2F活性 细胞周期越过G1 S期关卡 细胞增殖 由上所知 肿瘤的发生是多因素事件 往往累及到肿瘤细胞内有多种物质代谢发生改变 细胞多种性质发生变化 能否寻找一些特异性的肿瘤标志物 用于肿瘤的诊断 分类 预后判断及治疗 如 AFP CEA PAP NSE GT等 肿瘤组织疯长 是与癌基因与抑癌基因的调控作用发生异常有关 癌基因与抑癌基因如何实现对细胞生长的调控 通过其表达产物来实现 三 癌基因表达产物及其作用 癌基因表达产物 生长因子类 生长因子受体 G蛋白类 蛋白激酶类 转录因子类等 上述产物与细胞生长 增殖关系密切 生长因子类sisPDGF 链int 2FGF成员hstFGF成员 癌基因表达产物及其作用 1 类别癌基因表达产物生物学功能 通过自 旁分泌作用与相应受体结合 参与调控细胞生长 增殖等 生长因子erb BEGFR胞内区受体类fmsCSF 1RtrkNGFRkitPDGFR 大多为横跨质膜的RTPK 当被相应生长因子识别并活化后 可进一步参与调控细胞生长 增殖等 蛋白激酶类srcTyr蛋白激酶mosSer Thr蛋白激酶rafSer Thr蛋白激酶 癌基因表达产物分类 2 类别癌基因表达产物生物学功能 在胞质内可以分别催化下游效应蛋白Tyr Ser Thr残基发生磷酸化修饰 小G蛋白H K N rasRas蛋白 位于胞内侧 在Ras MAPK途径中 介导多种生长因子的信息传递 核内转录mycMyc蛋白因子类mybMyb蛋白fosFos蛋白junJun蛋白 癌基因表达产物及其作用 3 类别癌基因表达产物生物学功能 其他erb A甲状腺激素受体crk磷脂酶C 在核内发生磷酸化修饰后 参与调控基因表达 在核内形成Fos Jun二聚体 作为转录因子调节基因转录活性 在核内接受甲状腺激素信号 促进细胞生长 增殖 被RTPK结合到质膜中 催化PIP2水解 生成IP3和DAG 从上表看出 癌基因表达产物位于信号通路中的不同环节 参与了许多重要的细胞活动 包括细胞生长 分化 基因表达调控 细胞周期调控等 并在细胞凋亡 衰老过程中也起着重要作用 如果没有癌基因及其表达产物 细胞的生长 增殖就会受到影响 受精卵就不能分裂 胚胎不能发育 组织受损后不能再生和修复 细胞不能正常生长 生物也就不能生存 生物生存依赖于癌基因的适度表达 四 细胞信号转导通路与肿瘤细胞的异常增殖 许多癌基因表达产物作为细胞信号转导蛋白 参与细胞生长 增殖 分化的调控 因此 近年来从细胞信号转导角度 研究肿瘤发生与发展的机制 以及药物的作用及其靶点成为近年来肿瘤防治研究的热点 1 Ras MAPK ERK 途径 2 TGF Smad途径 3 JAK STAT途径等 1 Ras MAPK ERK 途径 GF RTPK Ras MAPK系统 转录因子 基因表达细胞生长 增殖 TGF Smad信号转导途径 转化生长因子 TGF TGF 受体 型 型 Smad家族 8个成员 三类 受体调节Smad R Smad共配体Smad Co Smad抑制性Smad I Smad R Smad Smad1 2 3 5 8 Co Smad Smad4 I Smad Smad6 7 TGF Smad传递途径 TGF 是一种多功能细胞因子 参与免疫调节 肿瘤发生 造血调控 炎症反应 组织纤维化等多个方面调节作用 癌症早期 TGF 抑制肿瘤细胞增殖 诱导其凋亡肿瘤进展期 TGF 对肿瘤细胞抑制作用逐渐消失 反而促进肿瘤发展晚期 抑制免疫 促进血管新生 细胞外基质分泌 利于肿瘤细胞生长 转移 浸润 调节组织纤维化 Smad3 Smad7异常表达 胶原蛋白基因异常表达 纤维化 TGF 信号途径调节肿瘤的发生 最近几年还发现细胞凋亡与增殖的不平衡 新生血管的生成等都可能引起细胞过度增殖 导致肿瘤的形成 最近提出 多基因协同假说 认为细胞癌变是由多个基因的异常激活或失活引起 而非单一基因 对此 国内多个单位联合起来开展肿瘤基因组学研究 期待探明肿瘤的发生究竟与那些基因突变或异常表达有关 为临床的基因靶向治疗提供线索 五 肿瘤的预防 我国每年癌症发病人数约260万 死亡180万 死亡率69 目前还处于快速上升期 国际抗癌联盟发布数据表明 2008年全球有1270万人患癌 死亡人数760万 死亡率60 其中约4成癌症是由不良生活方式 感染 饮食问题 职业或环境因素等引起 全球肺癌死亡人数中 80 90 由吸烟导致 过度肥胖也是导致肿瘤的原因之一 这些因素是可控 可防的 预防癌症可分三个层次 1 病因学预防 主要是针对各种理化因素 生物因素 以及来自体内外的各种致病因素 采取预防措施 加强环境保护 降低肿瘤的发生率 WHO建议 避免动物脂肪 增加粗纤维饮食 减少肉食 增加水果和蔬菜 避免肥胖 对于每一个人来说 每天养成良好的饮食习惯 均衡营养 远离烟草 加强锻炼 合理控制体重 增进身心健康 肿瘤的发生几率会大大减少 2 早发现 早诊断 早治疗 将肿瘤扼杀在摇篮之中 大量动物实验和临床事实证明 恶性肿瘤的发生与发展均具有一定规律和过程 从刚接触致癌因子到病死 期间有一段相当长的反复演变过程 如果能够早发现 早诊断 早治疗 大约有80 90 的患者是可以治愈的 DeSantis C R Siegel etal Breastcancerstatistics 2011 CACancerJClin 2011 61 6 409 418 目前美国乳腺癌现状是 由于早预防 早诊断和早治疗 预后良好的乳腺原位癌发生率在增加 而预后不良的浸润性乳腺癌发生率在减少 更为重要的是乳腺癌的死亡率明显降低 3 康复性预防 对已经确诊为肿瘤的患者 医生应选择合理的或最佳的诊疗方案 尽早给予治疗 防治病情继续恶化 防止致残 提高患者的生活质量 延长患者生命