肿瘤的细胞生物学

肿瘤的细胞生物学山东大学医学院细胞生物学研究所李霞2011年9月当代癌症已成为威胁人类健康的第一位疾病。每年新出现的癌症病人全世界为500－750万，中国为180－200万。人类对肿瘤的研究经历了一个漫长的过程。一、肿瘤的概述肿瘤（tumor）：是机体遗传和环境致癌因素以协同或序贯的方式，引起遗传物质DNA损伤、突变，同时伴随有多个癌基因激活和肿瘤抑制基因失活，使正常细胞不断增生、转化而形成的新生物。常表现为局部肿块。肿瘤细胞具有异常的形态、代谢和功能。它生长旺盛，常呈持续性生长。肿瘤的发生是一个长期的、多阶段、多基因改变累计的过程，具有多基因控制和多因素调节的复杂性。分为：良性肿瘤恶性肿瘤癌（carcinoma）：内外胚层来源肉瘤（sarcoma）：中胚层来源（间叶组织）、血液系统病变（白血病）神经母细胞瘤、肝母细胞瘤、畸胎瘤组织学特点良性恶性分化与异型性分化良好，无明显异型性分化不良，常有异型性排列与极性排列规则，极性保持良好极性紊乱，排列不规则细胞数量稀散，较少丰富而致密核膜通常较薄通常增厚染色质细腻，较少通常深染，增多核仁不增多，不变大粗大，数量增多核分裂相不易见到核分裂增多，或出现不典型核分裂功能代谢除分泌性肿瘤以外，一般代谢正常核酸代谢旺盛，酶谱改变，常产生异常代谢对机体影响除生长在要害部位外，一般影响不大无论发生在何处，对机体影响很大，甚至导致人死亡良性增生恶性增生良性与恶性增生对照示意图Benigntumorsarisewithgreatfrequencybutposelittleriskbecausetheyarelocalizedandsmall良性肿瘤局限在包膜中生长与正常组织有清楚的分界线MalignanttumorsgenerallyinvadesurroundingtissueandspreadthroughoutthebodyAlterationsincell-cellinteractionsandtheformationofnewbloodvesselsareassociatedwithmalignancy恶性肿瘤呈侵袭性生长与正常组织无分界线肿瘤是一种细胞病。肿瘤发生的本质是细胞的遗传物质——基因组DNA，所携带的遗传信息发生病理改变而造成的细胞病。亦即由于多个基因的结构或功能改变的积累而导致细胞的增殖失控和分化异常，以致突变细胞获得两种基本特性：1.不衰老、不凋亡、不断增殖，即不该增长仍不停的增长，该死而不死；2.侵袭到不该到的部位。这两个特性相结合造成肿瘤细胞的转移、播散。肿瘤细胞可将上述特性遗传给其子代细胞,即在细胞水平进行遗传。但不在个体水平遗传。肿瘤是什么样的疾病肿瘤与一般的遗传病不同：它并不在一个家族中代代相传肿瘤遗传病__________________________________________________________遗传学改变体细胞体细胞及生殖细胞家族遗传性无有遗传学素质有*环境影响对肿瘤发生具有关键性作用不由环境决定__________________________________________________________*存在先天性肿瘤相关的遗传学改变，为肿瘤的发生奠定了一定的基础，使后代具有易于发生肿瘤的倾向，有些肿瘤具有家族聚集现象。肿瘤细胞分子生物学的早期实验研究（20世纪60年代中晚期）------DNA转染实验小鼠的正常成纤维细胞系(3T3细胞)，被人类肿瘤细胞的DNA转染后，发生恶性转化，接种于小鼠而成瘤。此实验证明了遗传物质的致瘤性。◆肿瘤学的主要研究方法1.光镜观察2.组织化学、细胞化学、免疫组织化学3.超微结构观察4.分子生物学技术PCR、核酸分子杂交、DNA测序、杂合性缺失、染色体组型检测等致癌过程是机体内在因素及外界因素联合作用，体细胞中基因改变并积累的多阶段过程的结果。8515020406080100CancerEtiologyEnvironmentalHereditaryEnvironmentalvs.HereditaryCancer二、引起细胞恶性转化的因素CellsinmulticellularorganismsarecontinuallyreceivingsignalsfromeachotherandtheirenvironmentThisleadstoproliferation,differentiationorevencelldeath(apoptosis)asappropriatetotheneedsoftheorganismasawholeIncancer,thisnormalbalancegoesawryCancerGenes（一）外界因素1、化学因素有些化学致癌物可直接致癌；有些则在体内发生转变后才具有致癌作用。它们都可引起DNA序列的局部改变，如点突变。（1）烷化剂：如有机农药、硫芥、乙酯杂螨醇等，可致肺癌及造血器官肿瘤等。（2）多环芳香烃类化合物：如煤焦油中的3，4-苯并芘。与煤烟垢、煤焦油、沥青等石油物质经常接触的工人易患皮肤癌与肺癌。（3）氨基偶氮类：为染料类，易诱发膀胱癌、肝癌。其致癌性是由于其体内代谢产物。（4）亚硝胺类：与食管癌、胃癌和肝癌的发生有关。（5）真菌毒素和植物毒素：如黄曲霉易污染粮食可致肝癌，也可致肾、胃与结肠的腺癌。苏铁素、黄樟素及蕨类毒素也可致肝癌。（6）其他：金属（镍、铬、砷）可致肺癌等。氯乙烯能诱发人肝血管肉瘤。二氯二苯基、三氮乙烷（DDT）、苯均可致肝癌。2、物理因素通常引起染色体的断裂或部分染色体的易位及基因突变。（1）电离辐射：由于X线防护不当所致的皮肤癌、白血病等。此外，吸入放射污染污染粉尘可致骨肉瘤和甲状腺肿瘤等。（2）紫外线：可引起皮肤癌，尤对易感性个体（着色性干皮病）作用明显。（3）其他：烧伤深瘢痕长期存在易癌变，皮肤慢性溃疡可能致皮肤鳞癌。石棉纤维与肺癌有关。滑石粉与胃癌有关。这些可能与局部物理刺激有关。很多致癌因素都可引起DNA损伤。肿瘤发生的几率与暴露于致癌物时间的迟早和长短相关。3、生物因素一些肿瘤与病毒、细菌及寄生物的感染相关。已知的致癌病毒有：DNA病毒：HBV（肝癌）HPV（宫颈癌、阴茎癌、食管癌）EBV（鼻烟癌…亚洲、Burkitt’s淋巴瘤…非洲）HIV（Kaposi‘ssarcoma）RNA（逆转录）病毒：HCV（肝癌），HIV+EBV(卡玻氏肉瘤)此外寄生虫与肿瘤有关幽门螺杆菌与人胃MALT淋巴瘤和胃腺癌的发生有关如埃及血吸虫可致膀胱癌、华枝睾吸虫与肝癌有关，日本血吸虫病对大肠癌有促癌作用。RNA肿瘤病毒是通过激活细胞的原癌基因来起作用的。RNA病毒原癌基因结构异常癌变随机插入protein1protein21.病毒复制，细胞死亡。2.致癌病毒的慢性感染与其他致癌因素联合作用导致癌变。机制：（1）病毒DNA整合到宿主细胞的基因组引起插入性突变，活化原癌基因，引起细胞转化、癌变。(2)DNA病毒在宿主细胞内的表达产物，与抑癌基因产物通过蛋白质－蛋白质分子间的相互作用相结合而使抑癌基因失活。不同致癌病毒的作用机制不同。病毒感染细胞的两种后果（二）内在因素1、遗传因素遗传素质(Geneticpredisposition),例如，染色体杂合性丢失(LOH)，某抑癌基因缺失或失活。与人类癌症的关系虽无直接证据，但癌症有遗传倾向性，即遗传易感性（hereditarysusceptibility。2、内分泌因素与肿瘤发生有关的激素，较明确的为雌激素和催乳素与乳腺癌有关，子宫内膜癌与雌激素也有关。3、免疫因素先天或后天免疫缺陷者易发生恶性肿瘤，如获得性自身免疫性疾病（AIDS，艾滋病）易患恶性肿瘤。丙种球蛋白缺乏症病人易患白血病和淋巴造血系统肿瘤，肾移植长期使用免疫抑制剂的病人，肿瘤发生率较高。AgeandCancer•Notelogscaleforincidencerate乳腺肿瘤的生长速度CancerRatesinUS各种致癌因素引起肿瘤的大致频率----癌基因与抑癌基因*原癌基因(proto-oncogene,c-onc):其所编码的蛋白质为细胞存活、增殖、分化及信号转导等正常生命活动所必需，属于管家基因。*癌基因(oncogene)：原癌基因活化则变为癌基因。*抑癌基因(tumorsuppressorgene)：其所编码的蛋白质对于肿瘤的发生及恶性行为具有抑制作用。三、细胞的恶性转化促进细胞增殖生长因子生长因子受体信号转导分子促进细胞周期运转转录因子抑制细胞凋亡原癌基因表达产物的基本功能细胞表面的粘附分子:如cadherin阻断细胞周期运行的检验点控制蛋白质:如p53蛋白、CKI家族抑制性细胞增殖信号通路中的受体及细胞内的信号转导分子：转录因子促进细胞凋亡的蛋白质DNA修复酶抑癌基因表达产物的基本功能常见的抑癌基因*突变(mutation):基因的结构发生了改变*易位(translocation)及重排:基因的位置发生了改变，两个基因的一部分发生相互交换，可导致原癌基因的活化。*扩增(amplification)：原癌基因的拷贝数增多，导致基因产物增多而活化。*甲基化和去甲基化:原癌基因去甲基化导致表达增强活化成为癌基因；抑癌基因甲基化致表达减弱而失活。原癌基因活化和抑癌基因失活的方式细胞增殖失控：不顾一切的不断增殖分裂细胞分化异常：不具有正常功能，具备异常功能逃避细胞凋亡：不衰老(端粒酶活性高)，该死亡时不死亡。细胞迁移能力增强具有侵袭正常组织的能力具有转移至远处器官的能力具有对化疗药物和放射治疗的抵抗性原癌基因活化和抑癌基因失活的后果Cancer:GeneralEtiologyandPathogenesisRbbindwithE2FtranscriptionfactorEg:抑癌基因的失活与肿瘤发生RBgenep53gene不同肿瘤通常具有不同的遗传学改变肿瘤发生的分子机制不仅在不同组织的不同性质的肿瘤不同，即使同种组织的同种肿瘤也不尽相同。癌变过程可大致分为三个阶段：*起始阶段(Initiation):细胞获得不死性(myc等核内作用基因)*促成阶段(promotion)：获得成瘤性(ras等核外作用基因为主)*进展阶段(progression)：获得侵袭转移性(nm23,E-钙粘素等抑癌基因失活)癌变过程一个多步骤的漫长的渐进过程偶然发生的突变细胞细胞的恶性变是多步骤的渐进过程正常上皮（抑癌基因APC丢失）上皮过度增生形成小的息肉（原癌基因k-ras活化）小的良性腺瘤（抑癌基因DCC丢失）大的腺瘤（抑癌基因p53丢失）癌瘤（新的突变或丢失）转移性癌例如，干细胞的增殖分化异常导致肿瘤。细胞的恶性转化一般发生在具有增殖能力的细胞体内存在DNA损伤修复机制人类基因组原本是相当稳定的。这是因为细胞中存在感知和修复DNA损伤的一系列复杂的机制。因而，在正常情况下基因的突变即使发生也可修复，多基因系列突变的积累并非易于实现。因此，避免经常暴露致癌因素的作用下，可以防止癌症的发生。DNA体内存在的天然抗癌机制*DNA损伤修复机制：细胞的恶性变源于外界因素引起的DNA损伤，细胞内存在修复DNA损伤的机制。损伤的DNA若能及时修复，则不致引起癌变。*停止DNA受损的细胞进入细胞增殖周期的机制：抑癌基因常可通过监控点(checkpoint)调控而停止细胞的增殖，从而防止进一步的突变。*诱导未能修复的损伤细胞走向凋亡的机制：启动细胞凋亡运行机制，使严重损伤的细胞自杀走向凋亡。*免疫监视和免疫杀伤机制：通过免疫监视发现突变的细胞；通过特异性和非特异性免疫杀伤机制来消灭已经癌变的细胞。肿瘤细胞的异形性恶性肿瘤细胞在形态、功能和代谢等方面与其起源的组织细胞均有不同程度的差异，这种差异称为异型性（atypia）或称恶性表型（malignantphenotype）。◆瘤细胞的多形性：四、肿瘤细胞形态、结构的异常◆核的异型性：瘤细胞核大小、形状、染色不一致，分裂像增多。◆胞质的改变：由于核糖体增多，而变为嗜碱性