癌基因与癌变

生理科学进展 年第 卷第 期 癌 基 因 与 癌 变 中国科劣券生物物理研究所 陈 德 高 摘要 原癌基因 。一 。 姚 是细胞关键的调节基因 , 调控细胞的增殖和 分化 。 在致癌因 子的攻击下 , 。一 。 可被激活为癌基 因 一 。 或 一 。 , 后 者通过其过量或变质的表达产物 癌蛋白 使细胞癌变 。 本文综述了该领域最 近 年的进展 着重阐述了细胞原癌基因的激活机理以及癌蛋自的结构和功能 。 从本世纪七十年代开始 , 随着基因工程和基因转移等分子遗传学技术的建立和发展 , “ 癌 基因致癌理论 ”从假说到实践获得了非常惊 人的成就 。 对各种 ‘ 肿瘤病毒的研究 , 导致 病毒癌基因 一 。 的发现和克隆 。 , 追溯 一 。 的起源 , 发现在广谱生物的基因组中存在着与 各种 一 。 互补的序列 —细胞原癌基因 。 一 。 。 另一条研究路线直接从人体肿瘤 分离和克隆已被激活 了 的细胞癌基因 一 。 。 大量事实 , 在正常细胞中 , 。一 “ 是 调控细胞增殖和分化必不可少的基因 。 仅在异常情况下 , 由于各种致癌因子的攻击 , 。 佣 通过不同钓激活机理 , 演变成致癌的激话态癌基因 “一 。”“ 或 卜“ ”“ 。 这些激活机理涉及基 因 的突变 、 扩增、 缺失 、 括人 、 转导 、 转座和重排 。 激活态的癌基因 。一 。 或 一 。 表达出 过量的或变质的 癌 基 因蛋 白 ‘ , , 后者在细胞中模仿正常蛋 白的功能 , 干扰细胞的代谢途径 , 破坏细胞骨架 , 破坏正常细胞增殖和分化的调控机理 , 最终导致细胞癌变 。 一 、 细胞原癌基色的激活 现代的致癌理论认为 , 癌是某些关键的细胞调控基因过量表达或突变引起的 。 这些关键 的细胞调控基因或其表达产物可以激活那些与细胞增殖和分化有关的基因 或其表达产物本 身直接参与增殖和分化的调控系统 。 某些细胞原癌基因本身很可能就是这种关键的细胞调控 基因 , 是维持细胞生长 即维持生命 必不可少的物质 然而 , 在各种外界致癌因子 物理 因子 、 化学因子和生物学因子 的攻击下 , 细胞原癌基因可转变为激活态细胞癌基因 , 其表 达产物癌蛋 白可把正常细胞转化为癌细胞 。 细胞原癌基因 。一 。 如何 被 激 活 成 一 昵 这主要取决于各种外界致癌因子对 。一 。 的作用 。 其作用机理从总体上说有两种理 论 “ 突变假说 ” , 强调质的畸变 , 主张外界致癌剂使 。一 。 。 发生突变 , 从而变成激 括态 一 “剂量假说 ” , 强调量的畸变 , 主张 一 的转 录失调或复制失调 , 从 而导致癌基因过量表达 , 产生过量的 一 。 蛋 白 。 目前 , 有四种激活机理支持 “ 剂量假说 ” , 加上突变机理 , 至少有五种激活机理可使 。一 。 变为 一 。 或 一 “ 。 一 突变激活 年美国 “ 、 〔“ ’、 〔” 、 〔 ’等四家实验 室从十几种人肿瘤细胞株分离了 一 一 、 一 一 和 一 等 。一 。 。。把 它们同正常细胞 的 。一 进行结构比较 , 发现在 一 长达 个核普酸中仅发生一个核昔酸的点突 变 寻 、或 、 、或 , , 这个点突变大多数发生在癌基因蛋 白 ,一 的 号或 号氨基酸残基处〔 ’。根据 一 “ , 的氨基酸序列推出它的空间结构 , 发现 号残基 是 , 的 结合位点山歹 号残基是 “ , 自我磷酸化的磷酸接受位点〔 ,“ , 若 号 残 基 或 号残基附近的残基被取代 , 则 ’“ , 的空 间结构将会发生较大的变化 , 从而改变它的功 能 “ 。 二 进化激活 为了解释 一 。 的起源和强致癌性 肿瘤病毒的致癌机理 , , 和 〔, 。 各 自提出 一 。 是由 一 衍生的假说 。 在生物进化早期 , 当不含 一 。 。 的弱致癌性 肿瘤病毒侵染寄主细胞时 , 寄主基因组中某种 。一 。 可 能整合 到病毒的基因组 , 在长期进化的历程中再经某些激活方式 , 演变而成强致癌性 肿 瘤病 毒的 一 。 。 因此 , 可以把 一 。 看成是 。一 。 借助于病毒的转导作用 , 再经长期进化 和激活的产物 。 三 擂入激活 不含 一 。 的弱致癌性 肿瘤病毒如何致癌呢 主要靠 它的 长末端重复序列 插人 。一 。 的近邻 , 使原来处于阻遏状态的 。一 。 激 活 。 在 病毒 基因组被反转录和形成前病毒 的过程中 , 由于 的 ‘一独特序 列 和 产一 独特序列 丢分别转移到相反的一端 , 结果在前病毒 的两端产生了相同的 、 含有 二一 一 石 其中 为短末端重复 的长末端重复序列 。 具有非常特殊的 结构特点 有很强的增强子 和启动子 、 有 加接信号 和转 录终止信号 、 有类似转座子的逆 向重复序列等 。 小鸡被禽类 白血病 病 毒 感 染 月后 , 会产生 细胞淋巴瘤 。 对瘤组织的 进行序列分析 , 发现 前 病毒 总是整合在寄主细胞基因组的 一 附近 以内的距离 , 使 一 的 表 达水 平升高 倍 ‘’, ’ , 。 无论 前病毒 整合是在 。一 的上游或下游 , 阻 遏态 。一 。都会在前病毒 所含增强子和启动子的控制下变成高度激活的 一 , 从而产 生过量的 一 蛋 白 。 鼠乳癌病毒 的前病毒 多整合在小鼠乳癌细胞染色体的 一 和 一 ’ 两个特定位点 。 的 含有一个依赖于激素受体的增强子 和启动子 , 只有当糖皮 质激素或泌乳激素及其受体的复合物同这个增强子发生相互作用 , 这个增强子才能转变成激 活型增强子 , 促进附近癌基因的转录 〔‘”一 ’”’。 小组 〔‘“〕把人工拼接的融合基因 的 一 转移到小鼠 的基因组 , 被转移了融合基因的 只 “ 转基因小 鼠 ” 中有 只含融合基因的表达产物 , 其中 只雌鼠发育到妊娠泌乳期竟然发生了乳腺 癌 , 而且它们的数代雌鼠在怀孕时也发生了乳腺癌 。 这个实验充分证明“ 插人激活 ” 的 , 机理 的 成为激活 。一 的“ 开关 ” , 而 “ 开关 ”又 受细胞激素微环境 的控制 。 当转基因雌鼠发育到妊娠期 , 分泌出泌乳激素时 , 形成的“ 激素一 受体复合物 ” 结合 到 中的增强子 , 使增强子 区域变成激活型的空间构象 , 打开了‘ , 开 ‘ 关 ” , 使 一 大量表达 。 四 易位激活 在各种外界致癌因子的攻击下 , 细胞染色体常发生易位 , 引起 重排 。 本来处于阻遏状态的 。一 。 正好易位到另一染色体的转录活性区 , 受到转录活性 区调控序列 增强子或启动子 的控制 , 。一 。 将会 “ 去阻遏 ” 变成激活态 一 。 。 在 淋巴细胞瘤中 , 一 经过染色体易位和 重排后 , 插到免疫球蛋 白 基 因 转 录 活 性 区 〔’了一 , , 。 在 人体 正常细胞中 , 。一 位于第 号染色体 , 而免疫球蛋 白的重 链 基 因 、 轻 链 基 因 只和 则分别位于第 、 、 号染色体 。 但是 , 在 人 体 淋 巴癌的细胞中 , 含 一 的第 号染色体分别易位到了含有免疫球蛋 白 基 因 的 染 色 体 对 , 占 总 易位的 对 只 , 占 , 对 , 占 〔 对于 易位 , 正好 “头对头地 , , 重排到 的增强子附近 , ‘ 。 · 二 增强子是一种只青在淋巴 系统才发挥调控作用的具有组织专一性的增强子 〔, 一 ,‘ , 。 这个 结果不仅支持了易位激活理论 , 而且也解释了 一 致癌的组织专一性 多数是使 淋 巴 细胞致癌 。 在鼠类浆细胞瘤中也得到了类似的实验结果 在正常鼠细胞中位于第 弓号染色 体的 。一 , 经染色体易位后 , 重排到了第 号染色体免疫球蛋 自重链基因所含增强子 的附近 〔 , 。 已经证明 , 在上述肿瘤细胞中的 一 蛋白和正常细胞中的 。一 蛋 白 , 在结构上完全相同 , 不同的只是易位激活的 一 过量表达出过量的 一 蛋 白 。 的患慢性骨髓性 白血病 患者具有费城染色体畸变 畸变 , 一 , 后来证明是 由于染色体易位 矢 引起的 “ ’。 涉及细胞原癌基因的 激活 本来位于第 号染色体的 。一 易位到含有 只基因的第 号 染 色 体 〔 , 并 且 从 细胞中分离到了因易位重排而产生的融合基因“ 只 一 ”或 “ 一 ”及其 表达产物融合 一 和融合蛋 白 一 。’, 而在正 常 细 胞 中 一 的表达产物则为 和 “ ”‘。 。 ”, 无 一 活性 水 , 而 则有 一 活 性 , 这可解释为易位后 只增强子对 。一 的激活作用 增加了 一 蛋 白的数量 〔了〕 也可解释为易位产生的 具有一种把 · ,’一 结构 域 ” 暴 露 在 分 子 表 面 的 空 间 构 象 , 。 五 基因扩增激活 在一次细胞周期中 , 通常仅复制一次 在特殊情况下 , 有的 序列在一次细胞周期中 , 可复 , 熬次到数百次 , 这种现象称为基因扩增 “ ”“ “ 。 被扩增的 序列称为扩增型 , 其中包含的基因称为扩增型基因 。 基因 扩增现象最初发现于处在特殊生理 发育阶段的正常细胞 , 后来又发现于抗药性细胞和 肿瘤细胞 〔川 。 伴随基因扩增常出 特殊的染色体畸变 均匀染色区 和 双 连 小 体 〔”” 。 是用 一带染色法染不出带的 、 呈一片均匀淡染的区域 。 是在分裂中期出 现的成对球状小体 , 无着丝点 , 每细胞含数个到数百个 , 每个 含 。。。。 。 近年来 , 人们利用细胞学方法和分子杂交技术 , 对 多种细胞癌基因逐一检查 , 发现至少有五种癌基因 一 、 一 、 一 一 、 一 呼 、 一 在某些人体肿瘤组 织或细胞株 中扩增了数倍到数百倍 , 其相应的表达产物 和癌蛋白也大量 增加 〔”一 。 癌基因的扩增现象实际上是癌基因复制失调的结果 , 复制出过量的癌基因拷贝数 , 最终必然 表达出过量 的癌蛋白 , 引起细胞癌变或加速癌变过程 。 五种激活机理是相互联系或相互偶联发生的 。 在相同致癌因子的攻击下 , 不同的 。 。 可能发生不同机理的激活 或同一种 ‘ 。一 。 可能同时发生几种机理的激活 。 在多数 情况下 , 染色体易位和基因扩增总是偶联发生的 。 例如 , 在慢性骨髓性 白 血 病 石 细胞中 , 因易位 而产生的融合基因 只 一 也被放 大 倍‘ , 。 在 急性前骨髓性白血病 一 细胞中 , 同时发生了涉及 一 的 易 位重排 和 二 的扩增 倍 〔“ , 而且还发生 一 的突变 〔” 。 在表皮样癌 细胞 中 , 同时 发生涉及第 号染色体的易位和 一 的放大 倍 ” , “ 。 一 在人脑胶质细 胞瘤中也发生了与易位有关的扩增 倍 〔“ ’。 在神经母细胞瘤 中 一 扩增了 倍 , 同时发生 含 一 的第 号染色体的易位 、 和 〔‘。, 。 二 、 癌基因蛋白的结构和功能 癌基因通过它们的表达产物 癌基因蛋白 而发挥作用 。 根据各种癌基因蛋白的结构和 劝能 , 可以把它们分为四类 一 为酪氨酸专一性蛋 白激酶 一 酪氨酸专一性蛋白激酶类 的 , 是第一个被人们分离并研究得 最 多 的 癌基因蛋白 , 分子量为 , 长 个氨基酸 , 分布在质膜内侧 。 等 ‘ 发现 , , ” 是专一性地使蛋白质分子中的酪氨酸残基发生磷酸化的蛋白激酶 , 称为酪氨酸 专 一 性 蛋白激酶 本文用 一 表示 。在正常细胞中 , 一 仅占总蛋白磷酸化的 其余为 丝氨酸专 一 性蛋白磷酸化 , 占 和苏氨酸专一性蛋白磷酸化 , 占 , 而 在 被 转化的细胞中 , 一 升高了 倍 。 对各种癌基因蛋 白逐一进行 一 活性检查 时 发 现 , 、 、 、 、 、 等癌基因的蛋白产物也具有 一 活性 , 都含有同源的 “ 蛋 白激酶结构域 ” , 该结构位于靠近肤链 端 仅 蛋 白例外 长 。个氨基酸的区域〔 , 因此推测它们可能起源于同一祖先基因 , 特称之为“酪氨酸专一性蛋白激酶癌基因族 ” 〔 了。 同 已知的丝氨酸专一性蛋白激酶 一种 依赖性蛋白激酶 的氨基酸序列比较 , 后者也具 有与 , 同源的序列 , 这反映两族基因可能起源于一个更为古老的祖先基因 , 共同组成 一个超级基因族 。 早已熟知 , 依赖性蛋 白激酶具有传递第二信使 的讯号以调节 基因表达的作用 , , 一 蛋 白 激酶族可能也具有相似的功能 。 目前发现的所有生长 因子受体皆具有 一 活性 , 因而推测 , , ‘ 一 蛋白激酶族可能参与细胞生长的调控 。 一种含有酪氨酸的束缚蛋白 是 ,’ 一 蛋白激酶的底物之一 , 它位于质膜内 ‘ 侧的吸附斑中 , 组成细胞骨架微丝结构的肌动蛋白束正好固定在吸附斑上 。 在正常细胞中 , 束缚蛋白的酪氨酸磷酸化仅占该蛋白磷酸化的 , 而在 转化的细胞中则上升到 。 同时发现在 转化细胞株的吸附斑大量减少 , 其肌动蛋 白束的结构遭到严重破损 。 是另一种与细胞骨架有关的 一 靶蛋白 , 它结合在含有微管蛋白 、 肌动蛋白和肌球蛋白的 细胞骨架上 , 它的酪氨酸被 ’ , 磷酸化后能损坏细胞骨架 。 此外 , 无氧糖酵解代谢途径 · 的几种酶 , 包括烯醇酶 、 磷酸甘油变位酶和乳酸脱氢酶 , 在 转化细胞中发生了酪氨酸 磷酸化 , 很 可能是 ‘ , , 催化的结果【 。 二 结合蛋白类 目前从人体肿瘤细胞分离到的 一 多都属于 一 基因族 , 因 而研究其蛋白产物 , , 的结构与功能就很重要 。 ‘ ”的分子量约 , 长 个 氨基酸 , 分布于质膜内侧 。 果蝇的 基因 ”〕和酵母的 基因〔魂 〕皆具有与哺乳类 基 , 因族高度同源的结构 , 说明 基因进化上高度保守 。 ’“ , 具有 依赖性的 。活 性 〔 ” , 当它的第 号丙氨酸被苏氨酸取代后还具有苏氨酸专一性 自我磷酸化的蛋白激酶活 性 。 “ , 的一级结构和生化特性同已知的 “ 蛋 白”十分相似〔“ , , 而 蛋 白是媒介多肤激素 受体的讯号 , 同细胞内效应器腺普环化酶之间的偶联因子通过激活或抑制腺普环化酶的活性 , 直接或间接地调节第二信使 的浓度 , 进而调控细胞的生长 〔了’。 因此 , 。一 的蛋 白产物可能如 蛋 白一样参加腺昔环化酶讯号系统的调控途径 。 第 位残 基 的 突 变 将 使 , , 失去水解 的活性 , 使细胞发生转化〔“ ’。最近又发现了一种新的 基因族 — 。基因族 〔 〕。 因此 , 一个大的 结合蛋白族由 蛋白 、 蛋 白和 。 蛋白所组成 , 它们把 胞外多肤激素的讯号传递到细胞内 , 调控着细胞的生长和分化‘ 。, 。 三 生长因子类癌基因蛋白 在某一特定组织的细胞中存在着一套或数套调控系统 , 以 便使该组织的细胞保持特定的增殖速度和分化程度〔”“〕。 由生长因子所触发的促细胞分 裂 系 统是 目前研究得最多的一种增殖调控系统 。 它含有下述元件 , 元件 是胞外增殖信号的携带者 , 包括各种生长因子的促细胞分裂剂 , · 目 前研究 较多的有 血小板衍生的生长因子 〔 ’ 、 表皮生长因子 , , 、 胰岛素 〔 , 、 、 类胰岛 素生长因子 ”吐】、 神经生长因子 〔’” 、 成纤维细胞生长因子 , 以及仅存在于转 化细胞中的转化生长因子 一 、 刀一 、 犷 一 〔“ , 。 元件的功能是给细胞发放增殖信号 , 它们 同细胞表面相应的受体蛋白结合后可触发细胞内的一系列连锁反应 。 元件 是增殖信号的跨膜传递者 , 负责接收细胞外的增殖信号并传递到细胞内 , 实际上是 元件各种生长因子相应的细胞表面受体 受体 分子量 〔“了〕、 受体 分子量 , 也是 一 的受体 〔’ , 、 受体 分子量 〔 、 刀一 受体 、 胰岛素受体 【 ,等 。 所有这些受体都是糖蛋 白 , 都具 有可被其相应生长因子激活的 一 活性 。 例如 受体含有三个 结 构 域 胞外 结 合结构域 、 跨膜结构域和胞内 一 结构域 〔 。 受体只有同 结合后才变 构 成一 种具有 一 活性的空间构象 , 这种变构激活的酶活性可使细胞内靶蛋白的酪氨酸磷酸化 , 将增殖信号传递下去 。 元件 是胞内增殖信号传递者 , 也是 元件各种表面受 体 一 酶 活 性 相 应 的 底 物 蛋 白 或靶蛋 白 , 它们被磷酸化后进一步触发 由细胞质到细胞核的一系列信号传递反 应 。 元件 为核内调控蛋 白 , 只有接收到从细胞质 元件经一系列反应传来的增殖 信号后 , 才能变构成激活型调控蛋白 , 从而与基因组中特定的调控序列发生相互作用 , 开动 一群与细胞增殖调控有关的特定基因的转录 , 最终产生一群可调控细胞增殖的蛋白 。 编码上述元件中任何一种元件的基因发生突变或过量表达 , 都可能干扰或破坏整个增殖 调控系统的作用 , 细胞将发生无控制的增殖 。 最近 , 一系列重大的发现表明 , 癌基因蛋 白参 与细胞增殖的调控 , 某些癌基因与编码上述元件的基因在结构上非常相似 , 其表达产物实际 上就是这些元件的变种 。 也就是说 , 癌基因蛋白模仿上述元件的功能 , 把正常蛋 白的作用扩 大化 , 破坏细胞增殖的调控 。 例如 , 猴肉瘤病毒 一 癌基因的蛋 白产物 , 一‘ , , 与 链几乎完全相同 「““ , “‘’, 因此 蛋 白可以模仿 同 受体结合 , 刺激细胞无控制 的生长 “ ’。 这启示 某些癌基因可能为某些 元件编码 , 它们将 “ 组成式地 ” 表达某些生 一 决 因子 , 后者又反过来向分泌它的细胞连续发放增殖信号 , 这种“ 自分泌刺激 ” 常导致细 胞 癌 变 〔““〕。 这类发现与 元件有关 。 第二类发现与 元件有关 。 例如 , 病毒癌基因 的蛋白产物 , ’ 含有与 受体高度同源的序列 , , “ , , 实际上可以 把 蛋 白看成是截去了胞外 结合结构域的 受体 、 仅含跨膜结构域和 胞 内 一 结构 域 ”“〕。 那么 , 蛋 白可以模仿 受体进行工作 , 即使在没有胞外 的刺激 时 也 能连续不断地使胞内靶蛋白发生 一 反应 , 从而连续地向细胞核发放增殖信号 , 最终导致 细胞无节制增殖 〔“ 〕。 最近又有相似的发现 一 蛋白也与 一 受体 相 似 〔“ , 基 因蛋 白可能是 受体的类似物 〔““ , 。 第三类发现与 元件有关 。 例如 , 用血清或提纯 的生长因子 、 、 刺激 细胞 , 能快速诱导 一 与 。 的表达 〔了 , “ 〕, 而 蛋 白与 蛋 白皆定位于细胞核 。 表明的确存在生长信号 由胞外 向细胞核的传递途径 也表明 蛋白和 蛋白或其它定位于核内的癌基因蛋白参与细胞 增殖的调控 。 四 核内 结合蛋白类癌基因蛋白 已知蛋白产物定位于核内的癌基 因 有 、 、 、 、 等 种 。 。研究最详尽的是 , 它具有以下性质 广谱分布于从 酵 母到人的生物基因组中 它的表达具有组织专一性 、 细胞周期特异性和发育阶段特异 性 ”,铸 其表达可被促细胞分裂剂所诱导 ’“‘ “ ’, 并且在再生肝中增加 〔‘。’, 以及属于、 结合蛋白 、 可 同单链或双链 结合 〔川 。 所有这些性质都暗示 , 蛋白可能是一种调控细 胞 增 忿 殃和分化的调控蛋白 , 它可以识别和结合到基因组中特定的调控序列 , 激活那些与细胞的增 效和分化有关的墓因 。 另外 , 。一 也有类似性质 , 主要在造血细胞分化的某些特定阶 段表达【了 〕。 。 一 特异地在外胚层组织如胚盘 、 羊膜 、 卵黄囊中表达 , 蛋白可特异 地诱导成纤维细胞的分化 , 对骨髓细胞的发育也有调控作用 〔 〕。 总、之 , 癌墓因的表达产物与细胞的增殖和分化有密切关系 在正常情况下 , 它们调节细 胞的增殖和分化 在异常情况下 , 则使细胞的增殖和分化失去调控而发生癌变 。 参 考 文 献 〔 〕 , , 〔 〕 , 〕 , , , 〔 」 , , , 仁 〕 , 一 , 〔 〕 , 〕 , 门 之 〕 〕 , , 〔 」 〔 」 , 〔 〕 , 二 仁 〕 , 〔 〕 , 〔 〕 , 〔。〕 〔 〕 主 , 。 。 〕 , , 〔 〕 , 〔 二 , 〔 〕 , 〔 〕 , 〔 〕 , 〔 , · 吐迁 , , 〔 〕 吕 , 仁 卫 , 〔 〕 , 赶 〕 , , 〔 〕 主 〔 〔 〕 , 〔 」 , 〔 〕 一 , · 〔 〕 , 〕 , 〔 〕 , 〕 , 〔 〕 , 吐 〕 , 〕 〕 一 , ‘ 〔 〕 , , 〔 , 峨 , 〔 〕 呼 〔 〕 〕 , 〔 二 议 , 〕 , 〕 , 〔 , 〔 〕 , 〕 , , 〔 〕 仁 , , 二 〔 〕 , 分 〔 〕 , 〕 , , 〕 , 〕 , 〔 〕 , 〔 〕 , “ 〔 〕 , 〔 】 , 〕 , 〔了〕 岌 , 之 , , , 〔 〕 , 〔 〕 五 , 〕 , 〔 〕 , 〕 , , ‘