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第二十二章癌基因与抑癌基因

来源:生物化学与分子生物学 作者: 2006-1-13

摘要: 第二十二章癌基因与抑癌基因 (Oncogene and anti-oncogene) 癌基因(oncogene)一般可定义为某种基因,它的异常表达或表达产物的异常直接决定细胞恶性表型的产生。 抑癌基因或称抗癌基因(anti-oncogene)与肿瘤抑制基因(tumor suppressor gene)属同义词,是指某种基因当其受阻抑、失活、丢失、或其表达产物丧失功能可......


第二十二章 癌基因与抑癌基因

(Oncogene and anti-oncogene)

  癌基因(oncogene)一般可定义为某种基因,它的异常表达或表达产物的异常直接决定细胞恶性表型的产生。

  抑癌基因或称抗癌基因(anti-oncogene)与肿瘤抑制基因(tumor suppressor gene)属同义词,是指某种基因当其受阻抑、失活、丢失、或其表达产物丧失功能可导致细胞恶性转化;反之,在实验条件下,若导入或激活它则可抑制细胞的恶性表型。

  一、癌基因的发现

  现已知道在肿瘤发生中,作为环境因素的病毒、化学致癌物和射线,它们作用于机体内的靶分子都是DNA,在研究肿瘤病毒如何使宿主细胞转化和研究肿瘤DNA能否使培养的经两条实验途径中,殊途同归,发现了癌基因,早在本世纪初,Rockefeller研究所的Rous医生将鸡肉瘤组织匀浆后的无细胞滤液皮下注射于正常鸡,发现可以引起肿瘤,可惜当时对病毒还缺乏认识,直到五十年代才重新发现原来致瘤的因素是病毒,并以Rous医生的名字命名为罗氏肉瘤病毒(Rous Sarcoma Virus ,RSV)。1975年,Bishop从RSV中分离到第一个病毒癌基因src,该基因编码分子量为60kDa的磷蛋白质,以pp60src表示。

  1976年Stehelin以实验证明正常鸡成纤维细胞基因组中存在有与病毒癌基因src的同源序列。此后陆续发现许多禽类和鼠类病毒部基因也有类似情况,即宿主细胞基因组中含有病毒癌基因的同源序列,称之为细胞癌基因(c-oncogene,c-onc)。

  那么,v-onc与c-onc的关系如何?这可从二者结构的比较和逆转录病毒感染宿主后的生活史或复制周期两方面加以分析。

  首先,从结构上看c-onc是间断的,这是真核基因的特点,即有内含子因而基因的跨度较大。然而v-onc却是连续的,没有内含子,所以基因跨度较小,以v-onc和c-src为例如图22-1。再从逆转录病毒感染宿主细胞后的复制周期(图22-2)分析。

图22-1 c-src和v-src结构的比较

图22-2 逆转录病毒正常复制周期主要步骤

  不难看出,v-onc原本不是病毒的基因,而是动物细胞正常基因的一个复本。当病毒在宿主细胞内复制时,由于DNA重组而将宿主细胞基因中带有v-onc的序列重组到病毒的基因组内。所以说c-onc是v-onc原型,又称为原癌基因(proto-oncogene)。

  病毒癌基因对病毒本身无关紧要,却可使宿主细胞转化,引起肿瘤,而细胞癌基因对细胞的生长、分化和功能活动却是至关紧要的。正常的细胞癌基因并不致癌,只是当它们异常表达或其表达产物异常时才会导致细胞的恶性转化,迄今发现的细胞癌基因都是一些有十分重要的功能“看家基因”,而且是高度保守的,例如人与小鼠的K-ras基因产物K-Ras的氨基酸序列相差仅为1%,人与大鼠的H-ras基因产物H-Ras的氨基酸序列完全相同。

  逆转录病毒属于RNA肿瘤病毒,在DNA肿瘤病毒的基因组也存在着能使宿主细胞转化的基因,例如腺病毒的E1A、E1B基因,多瘤病毒的大T、中T基因。人乳头瘤病毒的E6、E7基因,以及DV40中的大T基因。它们为病毒复制所必需,同时又有使宿主细胞转化的作用,故沿用原名,不另以癌基因命名。

  细胞癌基因可按其表达产物的功能和定位分类如表22-1。

表22-1 细胞癌基因按其产物定位和功能分类

定位 功能 癌基因,产物
分泌蛋白 生长因子 sis PDGFβ链
跨膜蛋白 受体型酪氨酸激酶 erb B ,EGF受体

erb B2 ,EGF样受体

  (neu)

  fms ,CSF-1受体

膜结合蛋白 G-蛋白

非受体型酪氨酸激酶

ras p21ras

src pp60src

胞浆可溶性蛋白 非受体型酪氨酸激酶

丝氨酸/苏氨酸激酶

  信号转导连接蛋白

ab1

raf

  crk,SH2/SH3调节蛋白

  vav ,SH2调节蛋白

胞核蛋白 转录因子 myc

myb

  fos

  jun

  erb A,T3受体

  从上表可以看出,所有细胞癌基因均在信号转导中扮演着重要角色。正因为如此,它们的异常或“变质”--表达失控或表达产物异常--对细胞的危害就很大,既然v-onc只是c-onc的一个复本,那么为什么c-onc本不致癌而v-onc又会致癌呢?实验证明,v-onc的致癌或由于表达的失控,或由于基因的突变,导致产物的量的增多或质的改变。

  已知从自然发生的人肿瘤组织提取的DNA可以转化HIH/3T3细胞,尽管只有10%的人的肿瘤DNA具有转化此种细胞的能力,但癌基因已在所有主要类型人肿瘤中检出,最先是从T24/EJ膀胱癌细胞系检查到的,属于ras家族成员,以后又用核酸探针检测出正常人的细胞基因组中有ras同源序列存在,与T24细胞中的ras不同,无转化能力,二者差别仅仅在于一个点突变(第12位氨基酸密码子的G突变为T)。

  二、细胞癌基因的激活

  细胞癌基因的激活是指原本不致癌c-onc在特定的情况下转变成致癌性的,大体上有以下几种激活方式。

  1、插入激活 例如逆转录病毒MoSV感染鼠类成纤维细胞后,病毒基因组的LTR整合到细胞癌基因c-mos邻近处,使c-mos处于LTR的强启动子和增强子作用之下而被激活,导致成纤维细胞转化为肉瘤细胞,又如禽类白细胞增生病毒ALV的E成分整合到鸡细胞基因组c-myc附近。可使c-myc激活。因此在基因治疗中使用逆转录病毒载体时必需考虑细胞癌基因的插入激活问题。

  2、突变激活 典型的是各种ras基因的激活,参看表22-2。

表22-2 正常Ras蛋白和转化Ras蛋白中氨基酸的变异

ras基因 氨基酸的位置
  12 13 59 61
H-ras-1来源的

 正常人c-H-ras-1

   人EJ膀胱癌症

   人HS242乳癌

   鼠Harvey病毒v-H-ras

Gly

GGC

  Val

  GTC

  Arg

  CGC

Gly Ala

 

 

  Thr

Gln

CAG

  Leu

  CTG

K-ras-2来源的

 正常人c-K-ras-2

   人Caalu肺癌

   人SW480结肠癌

   鼠Kirsten病毒v-K-ras

Gly

Lys

  TGT

  Val

  GTT

  Ser

Gly Ala

 

 

  Thr

Gln
N-ras来源的

 正常人N-ras

   人神经母细胞瘤

   人早幼粒细胞白血病细胞系

   人纤维肉瘤

   人AML33

Gly Gly

 

  Asp

Ala Gln

Lys

  Lys

  Lys

  ras基因的表达产物Ras是一种小分子G蛋白,在信号转导中起重要作用,正常Ras的作用因其自身的GTP酶活性而受到严格控制,而突变了的Rad其GTP酶活性下降或丧失,失去了原有控制,致使增殖信号持续作用,细胞发生恶性转化,如图22-3所示。

图22-3 Ras与GTP/GDP的相互作用及突变的RasR的作用

  3、基因扩增 已发现人类肿瘤细胞中扩增的细胞癌基因如下表。

表22-3 人类肿瘤细胞中扩增的细胞癌基因

c-onc 肿瘤 扩增倍数 DM/HSR*
c-myc 早幼粒白血病细胞系HL60 20× +
小细胞肺癌细胞系 5-30×
N-myc 原发神经母细胞瘤Ⅲ-Ⅳ级及神经母细胞瘤细胞系 5-1000× +
视网膜母细胞瘤 10-200× +
小细胞肺癌 50× +
L-myc 小细胞肺癌 10-20×
c-myb 急粒AML 5-10×
结肠癌细胞系 10×
c-erbB 类表皮癌细胞系,原发胶质瘤 30×
c-K-ras 原发肺癌,结肠癌,膀胱癌,直肠癌 4-20×
N-ras 乳癌细胞系 5-10×

  *DM:双微体;HSR:均匀染色区

  4、基因重排/染色体易位

  典型的如伯基特淋巴瘤细胞的染色体易位t(8:14),致使c-myc激活,参看表22-4和图22-4。

图22-4 Burkitt淋巴瘤常见的染色体易位t(8:14)

表22-4 染色体异常与癌基因重排

癌基因 染色体定位 异常 人类肿瘤
c-myc 8q24 t(8:14),t(8:22) Burkitt淋巴瘤
t(2:8)  
bcl-1 11q13 t(11:14) B细胞淋巴瘤
bcl-2 18q21 t(14:18)  
tcl-2 11q13 t(11:14) T细胞淋巴瘤
c-abI 9q34 t(9:22) 慢粒CML
bcr 22q11 ph  
c-mos 8q22 t(8:21) 急粒AML
c-myb 6q22-24 t(6:14) 卵巢癌
c-sis 22q12 t(11:22) Erwing网瘤
blym 1q32-ter 缺失,HSR 神经纤维瘤
c-K-ras 6q21 断裂 ANLL
6q三体性 视网膜母细胞癌
c-erbA 17q21 断裂 ANLL

  已知B淋巴细胞中免疫球蛋白重链基因表达十分活跃,其启动子为强启动子,且在CH-VH之间还有增强子区,c-myc易位后与IG重链基因的调控区为邻,因而被激活。正常情况下,位于c-myc5’端的两个启动子受到c-myc产物的反馈抑制,由此重排时5’端序列有丢失,结果摆脱了抑制而表达增强。

  不同的癌基因有不同的激活方式,一种癌基因也可有几种激活方式。例如c-myc的激活就有基因扩增和基因重排两种方式,很少见c-myc的突变;而ras的激活方式则主要是突变,1985年Slamon检测了20种54例人类肿瘤中的15种癌基因,发现所有肿瘤都不止一种癌基因发生改变。细胞转化实验证明,各种癌基因之间存在协同作用。例如,单独v-myc或EJ-ras都不能使大鼠胚胎成纤维细胞转化,但是若将二者共转染PEF,8天后80%的细胞发生变化,那么为什么单独EJ-ras又可使Rat-1细胞转化呢?原因是该细胞并非正常,而是已经永生化了的细胞,如果先用化学诱癌物或射线使正常大鼠原代成纤维细胞永生化,然后再用EJ-ras转染,则可使之转化,因此Weingerg按转染细胞表型的变化将癌基因分为两个类,一类是核内作用的能使细胞永生化的癌基因,例如myc,fos等,另一类是引起细胞恶性表型变化的定位于质膜和胞浆的癌基因,例如ras、erbB、src等。事实表明肿瘤的发生是多步骤,多因素的,不同的癌基因作用于肿瘤发生的不同阶段。

  不仅癌基因之间有协同作用,癌基因与抑癌基因之间也存在协同作用。

  三、抑癌基因

  抑癌基因又称肿瘤抑制基因,它的发现较癌基因晚,迄今克隆到的抑癌基因的数目亦较少,这并不意味着客观存在的抑癌基因就一定比癌基因少,只是由于技术上的原因,要想分离、鉴定、确认一个抑癌基因比较困难。

  早在六十年代,有人将癌细胞与同种正常双倍体成纤维细胞融合,所获杂种细胞的后代只要保留某些正常亲本染色体时就可表现为正常表型。然而,随着染色体的丢失又可重新出现恶变细胞。这一现象表明,正常染色体内可能存在某些抑制肿瘤发生的基因,它们的丢失、突变或失去功能,好可使潜在的致癌因素如激活的癌基因发挥作用而致癌。

  遗传学分析表明,人类的许多肿瘤细胞都有隐性遗传损害,已在染色体上定位的损害见表22-5。

表22-5 人类肿瘤的隐性遗传损害

肿  瘤

受损害的染色体
神经母细胞瘤、黑色素瘤、甲状腺癌嗜铬细胞瘤、MEN2 1p
乳癌 1p
小细胞肺癌、宫颈癌、肾细胞癌、肺腺癌 3p
结直肠癌、家族性息肉 5p
膀胱癌 9p
星状细胞瘤、MEN2 10p
膀胱癌、乳癌、横纹肌肉瘤、肝母细胞瘤胚胎瘤、肾母细胞瘤(Wilm's Tumor)肺癌  11p
MEN1 11p
视网膜母细胞瘤、成骨肉瘤、小细胞肺癌、胃癌、结肠癌、乳癌 13p
小细胞肺癌、结肠癌、乳癌、成骨肉瘤、星状细胞瘤、肺磷癌 17p
NF1 17p
结肠癌 18p
听神经瘤、脑膜瘤、NF2、嗜铬细胞瘤 22p

  抑癌基因概念是在研究视网膜母细胞瘤(Retinoblastoms ,RB)的遗传损害时提出来的。RB有家族性和散发性两种类型,其发闰机制不同。前者有先天的隐性遗传损害,其种系基因是有缺陷的,患RB的频率可高达80-90%,且往往是双侧,散发性RB,两次体细胞突变发生在同一个细胞,机率很小,患病也是单侧,Kundson早在1971年就提出RB发病的“两次击中学说”。现代分子遗传学分析手段的发展充分支持这一学说(图22-5)。1986年Draper统计,RB携带者发生第二原发癌的机率比一般人群要高数百倍。

图22-5

  关于抑癌基因如何起作用所知甚少,总体上总对生长起着控制作用,是一类生长控制基因或负调控基因,若功能丧失则失去负调控,细胞只能接受正调控信号,抑癌基因产物的功能多种多样,已确定的几中抑癌基因产物及其功能如表22-6。

表22-6 已确定的几种抑癌基因

基因 染色体定位

相关肿瘤

基因产物及功能
RB 13q14 RB、成骨肉瘤、胃癌、SCLC、乳癌、结肠癌 p105,控制生长
WT 11p13 WT、横纹肌肉瘤、肺癌、膀胱癌、乳癌、肝母细胞瘤 WT-ZFP,负调控转录因子
NF-1 17p12 神经纤维瘤、嗜铬细胞瘤、雪旺氏细胞瘤、神经纤维肉瘤 GAP,拮抗p21rasB
DCC 18q21.3 结肠瘤 P192, 细胞粘附分子
p538 17p13 星状细胞瘤、胶质母细胞瘤、结肠癌、乳癌、成骨肉瘤、SCLC、胃癌、磷状细胞肺癌 P53 控制生长
erb A 17q21 ANLL T3受体,含锌指结构的转录因子

  (*p53的野生型是抑癌基因,而其突变型属癌基因)

  提要

  癌基因可分为病毒癌基因和细胞癌基因,前者包括DNA肿瘤病毒的转化基因和RNA肿瘤病毒的癌基因,而细胞癌基因又称为原癌基因,因为它是病毒癌基因的原型。病毒癌基因能使宿主细胞发生恶性转化,形成肿瘤,而正常的细胞癌基因无此能力。当细胞癌基因的表达失控,或因结构改变而致表达产物的活性改变时,则可导致细胞转化,进而形成肿瘤,此种情况叫做癌基因的激活。癌基因的激活的大体上有以下几种方式,即(1)插入强启动子或增强子,(2)基因突变(3)基因扩增(4)基因重排或染色体易位。肿瘤的发生与发展往往涉及多种癌基因的激活。

  已发现的细胞癌基因大都是一些与正常细胞生长增殖、分化和凋亡密切相关的非常保守的“看家基因”。它们的表达产物或是生长因子、生长因子受体,或是小分子G蛋白、蛋白激酶,或是转录因子,总之都是各种信号转导途径中的关键分子,有极重在的生理功能。正因如此,它们的表达是受到严密而精细的调控的。

  抑制基因是一类生长控制基因或负调控基因,它们的缺失或突变从而丧失功能时,将会导致细胞的恶性转化反之,在实验条件下,若将基导入转化的细胞则可抑制其恶性表型。某些抑癌基因,例如P53和erbA,突变后不仅丧失原有功能,而且还可促进肿瘤的发生,亦即变成了癌基因。

  复习题

  1、什么叫做癌基因、原癌基因和抑癌基因?

  2、什么叫做细胞癌基因的激活?举例说明癌基因的激活有哪几种方式?

  3、为什么说细胞癌基因与细胞信号转导有密切关系?

(王成济)


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