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第一节 癌基因与细胞转化
癌基因的发现及其理论的确立经历了近40年。1941年Rous和Ridd等证实多种不同因素与肿瘤有关,并将致癌物分为致癌和促癌两大类;1952年Boyland第一次证实了致癌物主要是作用于DNA而非酶和蛋白质;1953年DNA双螺旋结构的发现为研究基因与肿瘤的关系开创了新纪元。自1951年发现了病毒和肿瘤的关系后,人们开始探索病毒如何使正常细胞发生转化,1965年Fried分离到一个温度敏感的多瘤病毒,1969年Vogt等分离到温度敏感的突变型Rous肉瘤病毒。最重要的肿瘤研究进展为1970年Baltimore和Temin发现动物致癌RNA病毒中的逆转录酶,这一发现揭示了病毒RNA序列可以感染细胞,病毒也可以从宿主细胞借用DNA序列整合的DNA在一定条件下使细胞转化为癌细胞。近年来随着分子生物学和基因工程等技术的发展,在肿瘤研究领域内癌基因和抑癌基因的发现,人们对癌变分子机制的认识提高到了新的水平。有关肿瘤基因的深入研究有助于揭示正常细胞增殖和分化的调节与肿瘤发生发展的机制,并为肿瘤的早期分子诊断和基因治疗开辟了新的途径。
癌基因(oncogene)是20世纪70年代中期在病毒学、遗传学和分子生物学研究的基础上发现的一类新基因。癌基因不仅存在于肿瘤细胞中,也广泛存在于正常细胞,并在正常细胞的生长、分化以及凋亡过程中具有重要的调节功能。当癌基因在其结构或表达水平或基因表达位置发生变化时,将会导致细胞的恶性转化。最初在研究逆转录病毒的致癌作用时,发现了在病毒基因组中存在诱发肿瘤的核酸片段,称为病毒癌基因(viral oncogene,v-onc)。进一步研究发现,动物和人体细胞内存在一类与病毒基因同源的基因,它们在正常细胞内起调控细胞生长和分化的作用,称为原癌基因(proto-oncogene)或细胞癌基因(cellular oncogene)。在进化过程中,逆转录病毒感染了宿主细胞,从中捕获了细胞癌基因,将其稍加改变后成为有致癌活性的病毒癌基因。目前认为癌基因是诸多致癌因素通过不同机制和途径激活原癌基因而形成的。
一、病毒癌基因
1.逆转录病毒和病毒癌基因
逆转录酶可将RNA逆转录成DNA,含有逆转录酶的RNA肿瘤病毒称为逆转录病毒(retrovirus)。肿瘤逆转录病毒有两种:急性转化型病毒和慢性转化型病毒。急性转化型病毒含有不同的病毒癌基因,病毒感染宿主细胞后,在较短时间内,高频率地转化细胞、诱发肿瘤;慢性转化型病毒不含病毒癌基因,其感染细胞后,通过整合启动子或增强子激活细胞癌基因而诱发致癌作用,诱发频率低,潜伏期较长。
2.病毒癌基因的特点
细胞癌基因是存在于细胞的正常基因,在激活前不具有诱发细胞恶性转化的能力。病毒癌基因具有诱发细胞转化恶变的能力。从进化观点看,病毒癌基因来源于细胞癌基因,故两者序列十分相似。形成的机制可能是病毒进入细胞后,由于基因重排或DNA异常剪接,使病毒基因与细胞癌基因发生融合而形成新的转录单位。细胞癌基因进入病毒基因组而形成病毒癌基因,表明病毒癌基因是在病毒感染细胞过程中从细胞癌基因捕获而得的DNA片段。
虽然两者序列相似,但是两者具有如下不同的生物特性:①基因组成:细胞癌基因组成完整,但病毒癌基因缺失调节转录的内含子序列,该部位为病毒序列所取代,能有效地转录病毒mRNA;②转录控制:细胞癌基因的转录由正常细胞调节转录序列控制,以低水平进行,而病毒癌基因的转录由病毒的长末端重复序列(LTR)控制,在高水平上进行;③结构功能:大多数病毒癌基因与同源的细胞癌基因比较,已发生改变(如点突变)而增强其转录能力;④编码的蛋白:病毒癌蛋白常常缺失原癌蛋白的羧基端(C端),而具有转录活性。
二、细胞原癌基因
细胞原癌基因即细胞癌基因或原癌基因,该基因位于细胞内,未被激活时无致癌作用。细胞原癌基因普遍存在于多种生物(包括人类)中,在进化上具有高度保守性,提示其在机体的生长和分化中起重要作用。在正常情况下细胞原癌基因处于相对静止状态,其表达受严格的时空限制。迄今,已确定了七十余种细胞原癌基因,其中部分与病毒癌基因有关。对细胞原癌基因的研究有助于阐明细胞生长发育和分化的正常调控,也有助于阐明细胞的异常生长和分化的本质。
细胞原癌基因的生理功能主要有以下几点。
1.调节细胞的发育和分化
原癌基因调控胚胎器官和细胞分化,其作用有:①在卵母细胞的成熟和早期胚胎形成期作为母体转录的模板。原癌基因中 mos、 myc、 src、 raf和 rel等的转录产物直接影响胚胎发育。②影响卵母细胞的减数分裂和胚胎终末分化形成器官。当 raf、 rel原癌基因发生突变时,果蝇出现显著的发育缺陷。③调控器官生成和细胞分化过程。原癌基因中 src和 ras对神经系统的分化, myc对肌肉系统的分化, fos对造血系统的分化各具特殊的调控作用。④原癌基因中 raf和 int-1对胚胎发育中的基因转录表达有调控作用。
2.调节细胞的生长和增殖
因为很多细胞原癌基因产物为生长因子和生长因子受体,对细胞的生长和增殖起调控作用。如 sis原癌基因编码血小板衍生生长因子(PDGF)的B链, erbB、 fms原癌基因分别编码表皮生长因子(EGF)受体和集落刺激因子-1(CSF-1)受体相关蛋白, erbA原癌基因编码甲状腺素受体相关蛋白,均参与细胞生长调控。 src原癌基因家族编码的磷酸化蛋白pp60 src,具有酪氨酸蛋白激酶活性; raf原癌基因编码p74 raf具有丝/苏氨酸蛋白激酶活性,通过促进细胞内蛋白质的氨基酸残基磷酸化而调节细胞生长和增殖; ras原癌基因家族编码的p21 ras在胞质内起信号传递作用; fos和 myc原癌基因编码的核磷蛋白,起转录因子作用,参与DNA复制,促进细胞增殖。细胞内各种原癌基因编码产物的相互协作,调控细胞的生长和增殖。
总之,细胞原癌基因各基因产物间形成一个有序的细胞调节网络,它们在胚胎发育直至出生后的细胞的生长、增殖和发育、分化过程中起重要的调控作用,维持体内生长与分化的动态平衡。一旦各种致癌因素使原癌基因激活而异常表达,则可导致动态平衡被破坏,细胞发生转化,从而形成癌变。
三、癌基因的活化方式
在正常细胞基因组中都带有原癌基因,在出生后呈不表达或低表达,因此平时不具有致癌性。当癌基因在其结构或表达水平或表达位置发生变化时,将会导致细胞的恶性转化,这一过程为原癌基因的活化或激活,被激活后成为癌基因或致癌基因。常见的细胞原癌基因的活化方式(表2-1)有以下几种:
1.基因点突变
肿瘤细胞内癌基因序列结构与其相应的原癌基因序列结构比较,两者仅有微小的差别。这种单个碱基的异常改变,称为点突变(pointmutation)。基因点突变是癌基因活化最常见的方式之一,常见形式有碱基替换、插入和缺失,最常见的点突变是碱基替换。由于碱基的改变而造成密码子改变,导致编码蛋白质的改变,成为具有致癌作用的癌蛋白。进一步的研究证实,癌基因的点突变形式具有多样性,同一位点可以出现不同的突变,同一密码子内不同的位点或不同的密码子内均可能出现类似的突变。
正常膀胱上皮细胞的 H-ras基因与人膀胱癌细胞株(T24和EJ细胞株)的 H-ras基因作序列比较,所不同的是前者第12位密码子为GGC,而在后者为GTC。除膀胱癌外, ras基因的点突变已在胃、鼻咽、乳腺、肺、肾、肠、胰腺等恶性肿瘤和白血病中发现。
某些化学致癌剂诱发肿瘤机制与癌基因点突变后活化密切相关,如在亚硝基甲环脲(NMU)诱发的鼠乳腺癌中, H-ras基因在NMU的作用下,第12密码子的GGC突变为GAC。此外,如 c-abl、 gsp、 int-1、 mas等癌基因均可出现突变致使基因活化。如果基因突变发生在编码区,则造成该基因所编码的一级结构发生改变,并进而改变该蛋白质的生物学作用性质。如果突变发生于5'-末端的非编码区,则导致表达失去调控,这两种类型的基因突变都是原癌基因活化的重要机制。
2.插入诱变
在研究慢性转达化型逆转录病毒的转化机制中,发现这种病毒本身不含病毒癌基因,但却能致癌,这是由于此病毒的基因组两端含长末端重复序列(LTR),内含启动子(promotor)。当其插入至原癌基因附近,会使原癌基因表达增强。这种由不携带病毒基因的慢性转化型病毒通过其前病毒(provirus)插入到细胞基因组而引起靶基因转录增强,称为插入诱变(insertion mutagenesis)。如禽类白细胞增生症病毒(ALV),本身无癌基因,但其感染细胞后,前病毒两端LTR插入到细胞 c-myc基因的近旁而使 c-myc基因活化,使其表达比正常时高50~100倍而致淋巴瘤。此外,ALV根据插入部位的不同,还能激活其他原癌基因,如ALV前病毒插入使 erbB基因激活产生禽类红白血病,使 H-ras基因激活产生禽类肾母细胞瘤。
与ALV类似,小鼠白血病病毒(MuLV)和小鼠乳腺癌病毒(MMTV)也能通过插入诱变机制,分别使 K-ras和 int-1等基因激活,导致小鼠髓性白血病和小鼠乳腺癌。近年来发现,前病毒不一定整合在原癌基因附近,即使整合到远端,其LTR也能发挥作用。在原发性肝癌中,乙型肝炎病毒(HBV)的病毒基因整合在肝细胞内细胞周期素A基因的附近,使后者mRNA水平明显升高,可能参与肝癌的发生。
3.基因易位
在真核细胞中,当两个位于同一DNA链上的基因之间的距离小于规定长度时,其中一个基因转录受抑制,此称为基因领域效应(gene territorial effect)。正常细胞中由于基因领域效应的存在,有些原癌基因表达受到旁侧序列的抑制。原癌基因在细胞中都定位于一定染色体位置上,某些肿瘤中可见到异常染色体,通过基因分带定位研究,发现在有些异常情况下有基因易位。基因重排和染色体易位是基因活化的另一主要机制。通过对肿瘤组织和细胞的染色体分析,已确定在各种肿瘤中均有染色体结构的异常,有些成为某种肿瘤或细胞系的标志性染色体,如淋巴瘤的第8号和第14号染色体的易位以及CML的第9号和第22号染色体的易位等。
常见的易位原癌基因有 c-myc和 c-abl等。在人Burkitt淋巴瘤细胞中,位于第8号染色体的 c-myc基因易位到14号染色体免疫球蛋白重链(IgH)基因调节区附近,即t(8;14),与这个区的活性很高的启动子连接而被激活。易位后的基因由于3'端或5'端旁侧序列的丢失,消除了基因领域效应而增强了转录活性。以上基因易位造成易位基因的转录性激活。基因易位造成的另一种后果是产生融合基因,如CML具有标记染色体与22号染色体发生交互易位t(9;22)(q34;q11)而形成。易位的断裂点发生在9号染色体q34与22号染色体的q11处。易位的结果使原位于9q34的 c-abl基因从9号染色体易位到22q11染色体的 bcr/ abl融合基因的形成,造成 c-abl基因结构的改变且被激活,导致异常融合蛋白的表达。
4.基因扩增
正常情况下,细胞每经历一个细胞周期,DNA只能复制一次。但在某些情况下,DNA可复制数十次甚至上百次。基因扩增(gene amplification)是指细胞原癌基因在细胞基因组内拷贝数的增加及其表达水平的提高,由于基因的剂量效应,使细胞无控制地生长,并向异常的方向分化。基因扩增是癌基因活化的主要方式之一,细胞内一些基因通过不甚明确的原因复制成多拷贝,这些多拷贝的DNA以游离形式存在称之为双微体(DMs),也可再次整合入染色体形成均染区(HSRs),这一般表示高度的染色体结构被破坏与不稳定性。基因拷贝数的增加常常导致表达水平升高,影响细胞的正常生理功能。DMs和HSRs代表扩增DNA的区域,可内含多达几百个基因拷贝。基因扩增后,基因编码的蛋白也相应增加。
5.基因过量表达
基因表达是指基因的转录与翻译以及它们的调控,基因的过量表达是癌基因活化的另一重要形式。基因表达水平的改变被认为是细胞癌变的早期事件,通过对 ras、 erbB2、 met等几种癌基因在胃黏膜病变过程中表达水平的分析,表明 met基因过量表达主要发生在胃癌、异型增生和肠上皮化生,与细胞的异常增殖有关。 ras基因过量表达是肿瘤发生的重要原因之一,有关研究表明,在胃黏膜上皮异型增生、胃癌中均有 ras阳性表达率。Renzo等对卵巢癌组织标本中的 met基因表达水平进行了研究,发现卵巢癌中存在过量表达现象。在肝癌的研究中也发现, met基因的过量表达与肝癌的发生发展之间存在十分密切的关系,肝癌组织与正常组织比较, met基因的表达水平提高了2~10倍,表明其在肝癌的发生发展中具有十分重要的作用。
6.基因甲基化
DNA甲基化状态的改变可导致基因结构和功能的异常改变,是细胞癌变过程中重要的一步。在真核生物中最重要的甲基化碱基是嘧啶,通常发生在CpG双核苷酸区域。限制性内切酶HapⅡ和MspⅠ均能识别CCGG,但是当CCGG序列中某些碱基出现甲基化修饰时,这两种酶识别能力不同,MspⅠ可识别CmCGG,而HapⅡ则不能,但是这两种酶均不能识别mCmCGG结构,因此,可利用HapⅡ和MspⅠ酶解情况确定细胞中DNA甲基化状态。经过对癌、癌旁及正常组织DNA分析,确定某些癌基因的甲基化状态,低甲基化改变是细胞癌变的一个重要特征。同时,甲基化状态的改变与基因点突变、基因缺失及基因异常表达的发生有密切关系。近年来,人们通过对DNA甲基化的研究发现,甲基化水平与肿瘤的生物学特征密切相关,甲基化水平越低肿瘤浸润能力愈强,临床分期也愈晚。
7.癌基因缺失
肿瘤细胞中常发现有癌基因DNA片段的缺失,这种既可以是单个碱基对,也可以是一个片段,甚至为整个基因的丢失。癌基因内小的缺失,在正常情况下为抑癌蛋白活化的那一部分,当缺失或诱导产生类似于正常刺激信号时,就可导致细胞的过度增殖。这一现象研究比较深入的为脑瘤的 EGFR基因。在多形性神经胶质瘤, EGFR基因扩增是常见的晚期事件,但多数病例不仅有基因扩增,而且在扩增的基因内也有缺失现象出现,缺失常发生在2~7密码子,这样就产生了较短的EGFR蛋白,进一步使该蛋白活化。
表2-1 常见原癌基因的激活方式和人类肿瘤
四、细胞原癌基因激活与人类肿瘤
细胞原癌基因在外界致癌因素(包括物理性因素如辐射、化学性因素如化学致癌物、生物性因素如肿瘤病毒等)作用下,通过基因突变、易位、扩增、重排、过量表达、甲基化和外源性序列的插入,而使原癌基因的结构和(或)调控序列发生改变,原癌基因被激活而成为癌基因(oncogene)或致癌基因(cancer gene),被激活的癌基因通过其编码蛋白量或质的改变而使细胞生长失控、分化不良,进而发生癌变。
迄今为止,已确定有七十多种不同的癌基因以不同的方式和途径引起细胞癌变。癌变是一个多阶段的演进过程,在癌变不同阶段同时或相继有不同的原癌基因被激活,一种肿瘤往往有几种原癌基因被激活,而一种癌基因可能参与不同类型肿瘤的发生。
五、癌基因的主要类别
原癌基因编码的蛋白是维持细胞正常生长、增殖和分化的调节剂,原癌基因一旦被激活,其编码的蛋白发生了量和(或)质的改变,而被称为癌蛋白(oncoprotein),其作用于细胞,使细胞增殖分化失常而引起细胞癌变。癌基因的分类方法有很多,根据基因蛋白的功能不同可分为6大类:生长因子类、生长因子受体类、酪氨酸蛋白激酶类、鸟苷酸结合蛋白类、丝/苏氨酸蛋白激酶类和DNA结合蛋白类。
1.与生长因子有关的癌蛋白
生长因子是一类多肽类分子,可与包埋在细胞膜脂质双分子层中相应受体的膜外结合位点结合,触发信号转导机制,对于细胞的生长、分化、死亡以及代谢方面产生显著的影响。研究结果表明这些编码产物在结构、功能以及作用方式上又都有其独特的地方:①绝大部分都是多肽物质,故常称为多肽生长因子;②各自都具有自己的特异性,高亲和性受体分子位于靶细胞膜上;③这些生长因子与特异的受体形成复合物后,开始发挥其作用,其特异性的促生长和增殖作用始动于膜 “配体-受体”复合物的形成;④与特异性膜受体结合后可在转录和翻译水平调节某些特定基因的表达;⑤其促生长作用与一般激素或生长因子依赖的环核苷酸的信使系统无关;⑥绝大多数以旁分泌或自分泌的方式发挥作用。
目前已知与肿瘤发生关系密切的生长因子大致可分为两大类,一类是正常情况下细胞基因编码的促生长物质,如PDGF、EGF、胰岛素及胰岛素样生长因子(IGF-Ⅰ、Ⅱ)等;另一类主要见于转化细胞或肿瘤细胞,如转化生长因子(TGF)、P28 sis、 erbB编码产物等。这两类生长因子又有着密切的关系。 c-sis基因的编码产物为P28 sis,含258个氨基酸,此蛋白与人PDGF的B链蛋白高度同源,可与细胞表面的PDGF受体结合,产生与PDGF相同的效应,刺激细胞生长和增殖。已发现在人类肉瘤和神经胶质母细胞瘤中, c-sis基因的编码产物与成纤维细胞生长因子(FGF)同源。在正常情况下,FGF由于缺乏信号序列,其过量表达不能诱导细胞转化,而 int-2、 hst、 fgf-5基因编码的蛋白在其氨基端(N端)有一段信号序列,其过量表达可刺激细胞过度增殖而导致细胞转化。因此,人们常常将 sis、 int-2、 hst和 fgr-5癌基因称为生长因子类癌基因。
2.与酪氨酸蛋白激酶有关的癌蛋白
蛋白质磷酸化是调节真核细胞增殖和分化的重要环节,大部分蛋白质磷酸化是在蛋白激酶催化下进行的。酪氨酸蛋白激酶(TPK)催化酪氨酸残基磷酸化。编码TPK的癌基因有两类:一类为受体酪氨酸蛋白激酶癌基因,编码具有TPK活性的受体蛋白;另一类为非受体酪氨酸蛋白激酶癌基因,编码的蛋白不是受体但具有TPK活性。
(1)与受体酪氨酸蛋白激酶相关的癌蛋白:
属于该类癌蛋白的有 erbB、 erbB2和 fms等癌基因编码的癌蛋白。以上受体癌蛋白的改变,最终都增强TPK活性,导致细胞恶性转化。
(2)与非受体酪氨酸蛋白酶相关的癌蛋白:
有些癌基因如 src、 abl、 yes、 fgr、 fps、 lck等基因编码的蛋白不是生长因子受体,而是位于细胞内侧面的膜相关蛋白,但具有TPK活性。 src家族、 abl、 yes、 fgr、 lck等基因的分子改变,包括点突变、序列的缺失或异常插入等,均可激活这些癌基因,导致TPK活性增加。
3.与鸟苷酸结合蛋白(G蛋白)相关的癌蛋白
G蛋白有两种形式:一种为刺激性G蛋白(Gs),具有刺激腺苷酸环化酶的作用;另一种为抑制腺苷酸环化酶(Gi)的作用。当外源性刺激性信号传入细胞后,Gs与GTP结合而成为活化状态的GTP-Gs复合物,促进腺苷酸环化酶活化,使细胞内cAMP减少。cAMP能激活PKA,PKA可使靶蛋白内丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化,导致细胞产生反应。
ras基因家族包括 H-ras、 K-ras和 N-ras基因,它们的编码产物均为P21 ras,锚着于细胞膜内侧。P21 ras能与GDP或GTP结合,在外界信号作用下,P21 ras与GTP呈结合状态,使细胞内信号转导系统开放,传入促生长信号。一旦 ras基因发生点突变,导致P21 ras构象发生改变而使其GTP酶活性降低,从而使得P21 ras与GTP的活性持续,不断激活靶分子,传入促生长信号,致使细胞大量增殖和恶性转化。
4.胞质丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶
丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(丝/苏氨酸蛋白激酶)是一种溶解在胞质中的蛋白激酶,可催化细胞中大多数蛋白含有的丝氨酸、苏氨酸残基磷酸化。丝/苏氨酸蛋白激酶参与cAMP和磷酸肌醇信号转导系统,调节细胞的生长和增殖。已发现 raf、 mos、 pim-1、 cit等基因编码的产物具有丝/苏氨酸蛋白激酶活性。
5.转录因子核癌基因
转录因子核癌基因包括 myc基因家族( c-myc、 N-myc、 L-myc)、 myb、 fos、 jun和 erbA等,通过其编码的转录因子参与细胞癌变过程。真核细胞的细胞基因转录受转录因子和特异性DNA调节序列的调控,通过顺式和反式作用调节靶基因表达。核癌基因编码的蛋白质能与细胞DNA结合,具有转录调节蛋白的功能,参与DNA复制和基因表达的控制。
6.调节细胞凋亡蛋白
在研究人淋巴瘤的染色体易位时发现 bcl-2基因也为癌基因,其编码的Bcl-2蛋白定位于线粒体内膜、内质网和核膜,其作用为抗氧化物和抗脂质过氧化,进而抑制细胞凋亡。肿瘤细胞具有不易凋亡而相对永生的特性。
基因产物分布于细胞膜、细胞质和核内,这种分布的不同与其生理功能有关,如 sis、 int-2基因产物具有生长因子的作用,都位于细胞外。位于细胞膜和细胞膜内侧面的癌基因产物具有酪氨酸蛋白激酶和鸟苷酸结合蛋白的作用,位于细胞质内的癌基因产物具有丝/苏氨酸蛋白激酶的作用。以上均与细胞内信号转导有关,为上游调控因子。位于细胞核内的癌基因产物起转录因子的作用,为下游调控分子。各种基因产物在正常情况下因时间程序和空间位置上的协同作用,维持细胞的正常生长和增殖,在这个从细胞膜表面到细胞核间形成的网络上,任何一点受有害因素作用而发生异常改变,失去平衡,都可以导致细胞癌变。
六、基因的协同作用及其产物的致癌作用
在细胞癌变中,有时单个癌基因的激活不足以使细胞癌变,需几个癌基因的协同作用才能使细胞癌变。在化学致癌的动物实验中,发现在肿瘤发生的启动阶段就有单个癌基因的变化,最常见的为 ras基因点突变。人类结肠癌、乳腺癌和肺癌的前期有 ras基因的点突变;胶质细胞瘤的癌前期有 erbB2基因的点突变,如果没有致癌物的继续作用而使其他癌基因激活,则不能诱发肿瘤的发生。只有当致癌物继续作用而使其他癌基因如 myc或 fos基因激活时才会使细胞发生癌变而形成肿瘤。在射线诱发的小鼠皮肤癌中,发现 K-ras基因点突变和 c-myc基因扩增同时存在。在人淋巴瘤,首先由于基因易位和染色体重排,激活了有关癌基因,如 myc基因等,影响免疫球蛋白重链或轻链以及T淋巴细胞分化,随之再加上其他癌基因(常见的是 ras基因的点突变)的作用而导致肿瘤。一般认为在癌基因的协同作用中,如有不同类别的癌基因参与,则其转化细胞的作用最强,转化率也最高。
1.癌基因产物的致癌作用
细胞在具有生长因子作用的癌蛋白刺激下,该癌蛋白与生长因子受体结合,即使生长因子受体癌蛋白本身缺陷,都能将信息传递到细胞膜上具有TPK活性的癌蛋白,再通过鸟苷酸结合蛋白与GTP的结合,使磷脂酶C(PLC)活化。胞质内 src和 ros基因产物具有肌醇酯激酶的作用,使细胞膜上磷脂酰肌醇(PI)磷酸化为1-磷酸磷脂酰肌醇(PIP),PIP再在肌醇酯激酶的作用下磷酸化为4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP 2),后者经活化的PLC作用被水解而生成第二信使二酰基甘油(DG)和三磷酸肌醇(IP 3)。DG激活蛋白激酶C(PKC),PKC磷酸化质膜上的Na +-H +泵,将细胞内H +泵出。细胞外Na +泵入,结果细胞内 [H +]降低和 [Na +]升高,促进胞核内DNA的复制。IP 3促进内质网释放Ca 2+,细胞质内较多的Ca 2+与钙调素结合,促进细胞由静止期进入增殖期。
2.抑癌基因(表2-2)
在早期的研究中,观察到正常细胞与恶性肿瘤细胞融合而成的杂交细胞往往出乎意料的不具有恶性肿瘤细胞的表型,仅当杂交细胞失去某些从正常细胞来的染色体后才会出现恶性肿瘤细胞的表型。当时认为正常细胞中可能存在某种抑制肿瘤发生的基因,于杂交后阻止杂交细胞产生肿瘤。当含这种基因的染色体发生缺失或失活,此种基因的抑瘤功能也随之丧失,才会出现肿瘤。应用微细胞介导染色体转导技术,将人11号染色体转入Hela宫颈癌细胞或肾母细胞瘤细胞中,发现均可抑制其肿瘤表型,而转入其他染色体则无此作用。由此证明,在正常细胞内确实存在一些抑制肿瘤的基因,称为肿瘤抑制基因(tumor suppressor gene,TSG)或癌抑制基因(oncosuppressor gene,OSG)或抗癌基因(antioncogene)或抑癌基因。这类基因在控制细胞生长、增殖及分化过程中起着十分重要的调节作用,并能潜在的抑制肿瘤生长,如果其功能失活出现基因缺失、突变等异常,可导致细胞恶性转化而发生肿瘤。抑癌基因的生物学功能与癌基因相反,是有机体的细胞在增殖、分化、凋亡等生命过程中的正和负两类调控信号,癌基因的调控属正信号,而抑癌基因属负信号。确定一种抑癌基因在理论上须符合三个基本条件:①该恶性肿瘤的相应正常组织中该基因必须正常表达;②该恶性肿瘤中这种基因应有功能失活或结构改变或表达缺陷;③将这种基因的野生型导入基因异常的肿瘤细胞内,可部分或全部逆转其恶性表型。
表2-2 抑癌基因和相关人类肿瘤
3.癌基因和抑癌基因的协同致癌作用
目前认为,人类肿瘤的发生发展为多阶段过程,在此过程中有多种基因的改变,所以癌的发生是一种多基因改变的结果。在肿瘤细胞中常有癌基因的激活,有人认为至少需2个或2个以上功能不同的癌基因激活才能引起细胞癌变。在致癌物作用下,一个癌基因的激活可使细胞永生化,细胞永生化是引起细胞癌变的重要事件,但不一定形成肿瘤,形成肿瘤还需要使细胞分化受阻,这需要另一个癌基因的激活或抑癌基因的失活。只有细胞的增殖和分化都发生异常,才能使细胞完全转化恶变。癌变需要多个癌基因协作,这是因为胞膜和胞质中的癌基因产物需要通过细胞内信息传导系统将细胞外的刺激信号传至细胞核内,细胞核内癌基因又需通过转录因子改变其他基因的表达,而最终引起细胞癌变。
在转基因实验中,发现有些肿瘤的发生除需要癌基因激活外,还需抑癌基因失活或缺失。由于抑癌基因产物的作用为抑制细胞增殖和促进分化,抑癌基因的变化会失去上述作用而促进细胞癌变。如在人皮肤癌中已发现有 H-ras癌基因的点突变和 p53抑癌基因的缺失。一些肿瘤病毒的癌基因产物可与抑癌基因Rb蛋白和P53蛋白结合而使后者失活。在有些肿瘤中,肿瘤的发生主要与抑癌基因异常有关,如神经纤维瘤有 NF1抑癌基因和 p53抑癌基因异常,肺癌和骨肉瘤有 Rb抑癌基因和 p53抑癌基因的失活。肿瘤发生的多阶段过程和多基因改变的典型例子为结直肠癌的发生和发展,临床和病理组织研究都支持结直肠癌常是由良性腺瘤发展而来,由十分小的良性腺瘤发展至转移性肿瘤常有多种基因改变的参与。在结直肠癌形成过程中,由增生的上皮变成早期腺瘤常有 APC基因或 MCC基因的突变和缺失;由早期腺瘤发展至中期腺瘤有 K-ras基因突变;由中期腺瘤发展至晚期腺瘤有 DCC基因缺失;由晚期腺瘤发展至癌有 p53基因突变和缺失。 MMR基因的失活更使发生突变的 K-ras、 DCC和 p53等基因无法进行修复,最终导致肿瘤转移。在其他肿瘤如肺癌和乳腺癌等也发现有多种基因改变。