細胞的癌變

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  在個體發育過程中,大多數細胞能夠正常完成細胞分化。但是,有的細胞由於受到致癌因子的作用,不能正常完成細胞分化,因而變成了不受機體控制的、連續進行分裂的惡性增殖細胞,這種細胞就是癌細胞。細胞的畸形分化,與癌細胞的產生有直接關係。   細胞的癌變是長期接觸放XX性物質,或接觸化學物質,或感染某些病毒就有可能使正常細胞轉變為癌細胞。

癌變特徵

  與正常細胞相比,癌變后的細胞有些獨具的特徵:   1、癌細胞的形態結構發生了變化   例如,培養中的正常成纖維細胞呈扁平梭狀每當這種細胞癌變以後,就變成了球形。   2、能夠無限增殖。   在人的一生中,體細胞能夠分裂50~60次,而癌細胞卻不受限制,可以長期增值下去。   3、癌細胞的表面也發生了變化。   由於細胞膜上的糖蛋白等物質減少,使得細胞彼此之間的黏著性減小,因而容易移動,轉移至其他組織器官中分裂,生長,這就是醫學上所說的癌細胞轉移。癌細胞轉移是患者死亡的重要原因。為防止正常細胞的癌變,應盡量避免接觸各種致癌物質,還要保持健康心態注意增強體制,養成良好的生活習慣。

致癌因子外因

  目前認為,致癌因子大致分為三類:物理致癌因子,化學致癌因子病毒致癌因子。   物理致癌因子:主要指輻XX,如紫外線、XXX線等。   化學致癌因子:有數千種之多,無機化合物如石棉,砷化物,鉻化物,鎘化物等,有機化合物如聯苯胺、烯環烴、亞硝胺黃曲霉素等都是化學致癌因子。   病毒致癌因子(也稱生物致癌因子):是指能使細胞發生癌變的病毒、致癌病毒能夠引起細胞發生癌變,主要是因為它們含有病毒癌基因以及與致癌有關的核酸序列。它們通過感染人的細胞后,將其基因組整合進人的基因組中,從而誘發人的細胞癌變,如Rous肉瘤病毒等。

(內因)

  目前,一些科學家已經證明人和動物體內普遍存在癌基因,正常處於抑制狀態。原癌基因一旦被激活,就有可能發生癌變。   1.單個癌變細胞的形態特點   主要表現在細胞核上,可歸納為五大特徵:   (1)核大:癌細胞核可比正常大1-5倍。   (2)核大小不等:由於各個癌細胞核XX程度不一致,同一視野的癌細胞核,大小相差懸殊。   (3)核畸形核膜增厚:癌細胞核可出現明顯的畸形,表現為細胞核形態不規則,呈結節狀、分葉狀等,核膜出現凹陷、皺褶,使核膜呈鋸齒狀。   (4)核深染:由於癌細胞核染色質增多,顆粒變粗,核深染,有的可呈墨水滴樣,同時因核內染色質分佈不均,核的染色深淺不一。   (5)核質比例失常:癌細胞核XX明顯,超過細胞體積的XX,故核質比例失常。並且癌細胞分化愈差,核質比例失常愈明顯。此外,細胞核染色質邊移,出現巨大核仁,異常核分裂,以及細胞體積XX,且大小不等,並出現梭形、蝌蚪形、星形等異常形態,亦可作為癌細胞的輔助診斷依據。   此外還有   (6)癌細胞具有豐富的遊離核糖體。   (7)癌細胞的表面發生了變化,由於細胞膜上的糖蛋白等物質減少,使得細胞彼此之間黏著性顯著降低,容易在體內分散和轉移。   2.成堆癌變細胞的排列特點   成片鱗癌細胞,仍可帶有一定程度的鱗狀上皮的排列特點,如平鋪的鵝卵石樣,但極性消失,排列不規則;腺癌可出現不規則的腺腔樣排列;未分化癌則表現為束狀(單行)排列及鑲嵌樣(成片)排列等特徵,這些可作為診斷癌細胞和進行癌細胞分類的依據。   (二)塗片的「陽性背景」   由於腫瘤組織,特別是浸潤癌和分化差的癌,易發生出血壞死。因此,塗片中常常可見成片的紅細胞和壞死細胞碎片,這種背景往往提示塗片可能為陽性,所以稱陽性背景。早期癌塗片背景多數乾淨,不易見到壞死細胞碎片。出血壞死並非腫瘤所獨有,在某些嚴重的炎症病變中也可出現,所以在沒找到癌細胞之前,決不能單憑陽性背景的有無,而診斷癌或排除癌。   衰老細胞的主要特徵   1. 在衰老的細胞內水分減少,結果使細胞萎縮,體積變小,細胞新陳代謝的速度減慢。   2.衰老的細胞內,有些酶的活性降低。   3.細胞內的色素會隨著細胞衰老而逐漸積累。   4.衰老的細胞內呼吸速度減慢,細胞核體積XX,染色質固縮,染色加深。   5.細胞膜通透XX改變,使物質運輸功能降低。

癌變是複雜的多階段過程

  癌變(carcinogenesis或tumorigenesis)是正常細胞轉化為癌細胞的全過程。在這一漫長的過程中,細胞經歷有序連續的多階段過程,在內外環境因素作用下,通過遺傳改變的不斷積累,紊亂細胞分裂凋亡和組織自穩性的正常調控,獲得生存優勢,克隆擴增和演進,最終演變為高度惡性的腫瘤。

一、癌症是遺傳與環境互作的結果

  目前對遺傳與環境在腫瘤發生中作用,仍有不同的觀點。儘管腫瘤發生的最初病因難以確定,但通過腫瘤流行病學、移民和大樣本雙生子流行病學等觀察表明,大部分癌症是由環境因素為主引起的,少數起因於遺傳因素,據估計由癌相關基因種系突變為主引起的家族性或遺傳性綜合征約占全部癌症的1-2%;發病與中低癌易感基因密切相關的癌家族,所患的相關癌症具有明顯的家族集聚性,可占全部腫瘤的10%以上;更多的是由低癌易感基因參與的、無明顯家族聚集的癌症的發生,與環境因素相互作用引起癌症,但所占比例無明確數據。因此通常流行病學家認為,在引發癌症中環境比遺傳更重要。   從事腫瘤研究的大多數專家認為,癌症是突變積累的結果,廣義的基因突變包括了發生在核苷酸染色體水平遺傳學改變,表現為DNA序列和染色體水平的結構和數目的改變,其中包括各類基因突變、缺失和擴增等,以及染色體缺失重複易位非整倍體等改變等;近10多年來由於腫瘤表遺傳學取得一系列突破性進展,已XX主流生物學和醫學,許多作者把表遺傳學改變作為癌變機制的一部分,表遺傳學改變和遺傳學一樣,可使原癌基因活化成癌基因,腫瘤抑制基因功能被滅活(表11-1),這些是癌變的中心生物學過程,結果細胞增殖、凋亡和分化失控,導致腫瘤的發生。   引發癌症的環境因素十分多樣,物理因素如電離輻XX的XXX線和紫外線等;化學因素最為繁多,多數以複合物的形式存在,生物因素包括多種DNA、RNA病毒,某些細菌真菌寄生蟲等。通過生活方式職業環境和醫療行為影響暴露人群;國際癌症研究署(International Agency for Research on Cancer,IARC)根據對人類致癌性流行病學調查病例報告)和對實驗動物致癌性的資料,對上述各類理化、生物等待評因子分為四組五等。在2009年1月IARC正式公布了所評價的935種因子中,對人類具有致癌和可能致癌作用的有416種,較2002年分佈的同類報告增加了32種。   關於環境對腫瘤發生貢獻大小各家看法不一,一般認為80-90%的腫瘤與環境密切相關,主要因素有不良的生活方式和有害環境的暴露,其中包括吸煙、過量飲酒和食用紅肉、煎烤霉變食品慢性感染、不良情緒和緊張生活(應激)、過少體力活動,以及環境污染等。現有的大量證據表明,約25-30%腫瘤可歸因煙草,30-35%與飲食相關,15-20%可歸因於感染,餘下的可歸因於環境污染、輻XX、應激和活動少等。可見,針對上述各種腫瘤誘發因素,只要注意戒煙、少紅肉、適度飲酒,避免陽光直曬,增加水果蔬菜和全穀物的消費和體力活動,並定期接種疫苗體檢,大部分人類癌症是可以預防的;然而現實還存在不少障礙,克服重醫輕防的思想,深入癌變機制的研究,人類還有很長的抗癌之路。   表型1-1 常見癌相關基因在腫瘤中的遺傳學和表遺傳學改變舉例   
癌相關基因遺傳學改變DNA 甲基化主要腫瘤類型
腫瘤抑制基因
p53突變、等位基因丟失和
雜合性缺失
高甲基化腦、乳腺骨肉瘤
RB突變、等位基因丟失和缺失高甲基化視網膜母細胞瘤
APC突變高甲基化結腸小腸、胃和甲狀腺癌
MSH2 MLH1 突變高甲基化結腸和XX癌
PTEN突變和雜合性缺失高甲基化神經膠質瘤和XX腫瘤
P21 (CDKN1A)突變高甲基化鱗狀上皮細胞癌和黑色素瘤
INK4A,ARF 缺失高甲基化黑色素瘤和骨肉瘤
ATM 突變高甲基化白血病淋巴瘤腦瘤
BRCA1BRCA2 突變、雜合性缺失、缺失
和等位基因丟失
高甲基化乳腺和卵巢
癌基因
MYC擴增低甲基化肺、乳腺、大腸頭頸癌
和骨肉瘤
RAS-家族突變低甲基化肺、結腸和胰腺癌
急性髓細胞樣白血病
FOS 擴增低甲基化骨肉瘤
EGFR (ERBB2) 擴增高甲基化成膠質細胞瘤、頭頸癌
和骨肉瘤
MET突變等位基因重複XX狀腎癌
FGFR1 擴增低甲基化橫紋肌肉瘤
事物的產生、發展與消亡都有其內在規律,外因是變化的條件,內因是變化的依據,外因通過內因起作用,癌變過程概莫能外。癌變之起因雖多為環境因素,但它們必需通過引起原癌基因的活化、腫瘤抑制基因的滅活,使細胞增殖與凋亡的失衡,經過多階段過程,最終才能形成轉移性癌。在這一漫長的致癌過程中,環境是癌變的外因,癌相關基因的遺傳學和表遺傳學改變則是癌變的內在依據或機制,環境致癌因子通過遺傳機制的改變才能使細胞癌變;兩者間對癌變的相對貢獻隨具體情況可有變化,如在家族性癌綜合征遺傳因素相對起主要作用,但環境因素對發病年齡病情可有一定的影響;在一些明確由環境污染引發的腫瘤中,環境因素雖起重要作用,但它們一方面必需通過遺傳機制才能引起細胞的癌變,另一方面由代謝、DNA修復免疫功能等相關基因的遺傳多態性,對致癌因子引發腫瘤的易感性亦有重要影響,否則就不能解釋,為什麼生活在同一污染環境中的人群,一些人患癌而另一些人不患癌,而且病情、療效各異。因此,癌症是環境因素和遺傳因素相互作用的結果,並可能在特定時空環節上相對重要性是可以轉化的。

二、癌變是一個複雜的多階段過程

  多階段致癌是腫瘤生物學的重要概念,也是腫瘤的本質特徵之一。在這一有序、連續的多階段過程中,每一個新階段啟動必需有附加的遺傳學或表遺傳學改變,從而獲得生存優勢,克隆擴增;這一癌變過程的多階段性還反映了在正常組織與高度惡性組織之間,存在處於不同惡性狀態、具有特定表型的各個中間過渡階段。   1.動物模型研究1915年首先用煤焦油反覆塗擦兔耳,成功誘發了皮膚癌,證實了化學品可以致癌;1947年建立的小鼠皮膚致癌模型,直至目前仍被用來研究上皮細胞癌發生的機制,並評價修飾因子的作用。在傳統的兩階段致癌模式中,一次用亞致癌劑量的起動劑如二甲基苯並蒽(dimethylben(a)anthracene DMBA)處理小鼠皮膚局部,隨後反覆在該處塗抹腫瘤促進劑如十四烷酰佛波醋酸酯(tetradecanoylphorbol-13-acetate TPA),3個月后通常形成XX狀瘤;如中斷用TPA處理,XX狀瘤消退;如形成XX狀瘤后,繼續用TPA處理一段時間,即使不再用TPA處理,其中一部分XX狀瘤仍可演進;如用啟動劑進一步處理,可誘發肉瘤。可見,癌變存在連續、又相對可區別的多階段過程;腫瘤的發生是致癌劑或起動劑與促進劑相互作用的結果,因為在這一模型中單獨用致癌劑或促進劑處理,均不能誘發腫瘤;促進劑的反覆處理十分重要,在XX狀瘤形成后,如中斷促進劑的處理,XX狀瘤可自行消失,同時還提示促進劑的作用在一定範圍內是可逆的。過去半多世紀的研究人們認識到,癌變過程除了傳統的腫瘤啟動和促進階段外,癌變還需要增生細胞從良性向惡性狀態轉變和進一步的演進,侵襲與轉移是新增遺傳學和表遺傳學改變的表現。如此在理論上癌變可分為四個階段:腫瘤的啟動或起始、促進、惡性轉變和演進。   2.人類腫瘤研究 癌變多階段過程在人類的研究必需是間接的。當人體暴露于致癌因子到臨床檢出腫瘤,需要經過長達20-50年的時間;大部分人類成年腫瘤的發病率與年齡呈指數函數增加,這提示腫瘤的演進需經過一系列連續的過程,有作者認為至少要經過4-6個階段。這一多階段過程在一些消化系統腫瘤已有較深入的研究。組織病理學觀察表明,胃腸道內壁是由單一腸上皮細胞形成,錨定在下面的基底膜上。癌變最早期的改變表現為增生(hyperplasia),此時因細胞過度增殖,細胞數量異常增多,但所形成的腫塊在組織學上與正常組織無明顯差異;另一種與正常組織差異不大,但有進一步惡性演進傾向的改變是化生(metaplasia),其特徵是組織中的一種正常細胞層,被異位的、但仍正常細胞層所取代。化生多發生在上皮組織的過渡帶中,如食管與胃、XX與XX頸連接處;食管癌變前的一個重要早期指征就是具有化生改變的Barrett食管,此時食管中扁平上皮細胞被胃分泌型上皮細胞所取代,具有此種改變的患者,發展成食管癌的風險比正常人高30倍。隨著遺傳學和表遺傳學改變的積累,出現整個組織形態、結構改變的不典型增生或發育異常(dysplasia),此時細胞形態異常,如核染色加深,核質比XX,細胞分裂能力增強,細胞數量顯著增多。不典型增生為良性腫瘤與癌變前的過渡狀態。上皮組織中細胞擴張性生長,同時細胞形態發生明顯改變,形成肉眼可見的腫塊,稱之為腺瘤息肉等,這些細胞儘管有時體積可很大,但決不會穿過基底膜,屬良性腫瘤;如良性腫瘤獲得進一步的遺傳學改變,可發生惡性轉變,形成原位癌(in situ cancer);當腫瘤繼續演進突破基底膜、侵襲鄰近的基質層並遠端轉移時,則成為具有侵襲(invasion)和轉移(metastasis)能力的高度惡性腫瘤或癌。3.癌變的多階段過程癌變過程通常分為4個階段:腫瘤啟動(起始)、腫瘤促進、惡性轉變和腫瘤演進。自發或誘發的遺傳學和表遺傳學改變,導致細胞基因組不穩定性增加,細胞生長、分裂和凋亡的失控,並在克隆選擇中惡性程度漸增,最終完成癌變過程。腫瘤啟動啟動是癌變的第一階段,是不可逆的遺傳學損傷的結果。這些遺傳學損傷可以是自發的,即由細胞內在因素引起,如低頻率的DNA複製和染色體分裂錯誤,以及細胞代謝過程產生的活性氧離子等引發的DNA損傷;也可是環境中各類理化、生物致癌因子所引起的DNA結構和序列的改變,環境中化學致癌物多以複合物形式存在(表11-2),其中有效致癌成分修飾DNA結構形成加合物,在DNA複製時可引發突變;動物模型的研究表明,在   表11-2 人類化學致癌物例證   
組織器官化學致癌物輔致癌物
重金屬:As,Cd,Cr,Ni等; 雙氯甲醚
(小細胞和鱗狀細胞吸煙和柴油廢氣石棉
胸膜間皮石棉
口腔無煙煙草
醬草
石灰[Ca(OH)2]
食管煙草煙霧乙醇
黃曲黴毒素B1乙型肝炎病毒
血管肉瘤氯乙烯乙醇
膀胱芳香胺如聯苯胺等
急性淋巴細胞性白血病
大多數情況下DNA加合物的量與誘發的腫瘤成正相關,而在沒有加合物形成的組織中很少誘發腫瘤。一般認為,致癌劑加合物的形成對化學致癌是必需的,但對於腫瘤啟動不是充分的和前提,因為這類遺傳學損傷可被細胞內各類DNA修復系統恢復正常;只有未被的修復的DNA損傷,引起的原癌基因的活化、腫瘤抑制基因的滅活才是核心的腫瘤起始事件,這些改變使啟動細胞具有了癌變傾向。   腫瘤促進腫瘤促進階段,啟動細胞在促進劑的作用下更快地生長和分裂,並選擇性地克隆擴增,形成細胞群體。由於突變的速率與細胞分裂的速率成正比例,因此隨著起動細胞的擴增,這一細胞群就處於進一步遺傳學改變和惡性變的風險之中。   腫瘤促進劑多為非誘變劑,單獨使用並無致癌性,一般無需代謝激活即可發揮其生物學效應。這類因子能降低腫瘤起動因子的劑量和暴露組織的發瘤潛伏期,或增加形成腫瘤的數量。如一種化學品或因子兼有腫瘤起動和促進作用稱之為完全致癌劑,如苯並芘和4-氨基聯苯等。   巴豆油作為促進劑,廣泛用於小鼠皮膚致癌模型,其中有效成分是十四烷酰法波(醇)醋酸酯,通過激活蛋白質激酶C ,磷酸化關鍵底物進而激發一連串的表遺傳學改變,促進細胞生長、增殖。根據配體結合特性,鑒定了新型的腫瘤促進劑如二惡英、酚、糖精香煙煙霧冷凝物和苯巴比妥等。在人癌激素、吸煙和膽酸等成分都參與腫瘤的促進作用;腫瘤促進通常是可逆的,例如仃止吸煙后肺損傷可被逆轉。   惡性轉變 惡性轉變是由癌前細胞轉變為表達惡性表型的細胞,這些惡性特徵主要有:① 細胞不受正常調控,自主生長、增殖;② 成功逃避細胞凋亡和衰老,細胞永生(immortal);③失去了細胞的區域性限制、具有了侵襲和轉移能力;④自主的血管生成能力等。   癌前細胞的惡變過程需要進一步的遺傳學改變;對於細胞惡變的發生,腫瘤促進劑的總量不如屢次重複給葯重要,一旦給葯中斷,良性或癌前病變就會退化;部分癌前細胞惡性轉化的結果,將促進癌前損傷的細胞分裂的速度,增加分裂細胞的量,其結果由於DNA合成保真性的下降,產生新的遺傳學改變。如惡性轉變較低,用DNA損傷因子處理癌前細胞,則可顯著增加惡性轉變。   腫瘤演進腫瘤演進包括惡性表型的進一步表達,以及與時俱增的侵襲和轉移能力。腫瘤轉移腫瘤細胞能分泌蛋白酶侵襲鄰近組織,使原發癌超出原來的佔位。腫瘤演進的許多細節仍在深入研究中。   惡性表型的顯著特徵是傾向於基因組不穩定性和細胞增殖、凋亡失控,其間發生許多突變,再次引發原癌基因的激活和腫瘤抑制基因的失能;原癌基因激活主要通過兩種機制,一是在ras基因家族、特定的位置如第12、13、59或61外顯子點突變;二是在myc、Her-2和raf等多基因家族的過度表達,常是由於該基因片段的擴增,或是該基因通過鄰近一個強效的啟動子區。腫瘤抑制基因的失能常通過雙重機制,如最多見的是第一個等位基因是點突變,而第二個等位基因的失能,是通過缺失、重組基因突變、染色體不分開和表遺傳學改變,在一些腫瘤抑制基因兩次都可能是突變或表遺傳學改變,從而使演進中癌細胞獲得生長優勢和局部侵襲的能力,最終遠距離轉移擴散。   4.癌變是多途徑過程   癌變過程的複雜性還表現在癌變過程中存在多種可替代的遺傳學途徑,最終形成高度惡性的腫瘤。   目前的多數研究表明,大多數腫瘤是單細胞起源,這就意味著在啟動癌變、克隆擴增的細胞中,子代細胞多次發生了遺傳學和表遺傳學改變,導致一組原癌基因活化和腫瘤抑制基因滅活,這些對癌變過程有著原發和關鍵效應的基因改變,以一定的時間、順序發生,就構成了癌變或癌的遺傳學途徑(cancer genetic pathway)。由於發生上述關鍵改變基因的種類、數量、時序的組合不同,就有了多種可替代的癌變遺傳學途徑(多途徑),這就不僅使不同的類型的癌,還使不同個體所患相同類型的癌,具有不同的惡性生物學特性,並構成了可望預測腫瘤臨床行為的分子譜(molecular profile)。   對大腸癌發生的遺傳學途徑進行了較為系統的研究,很能反映該問題逐漸深入認識的過程。根據早期研究曾提出了一條線性演進的模式,即熟知的大腸癌發生遺傳學途徑:   正常細胞→APC失能→K-ras獲能→18q腫瘤抑制基因失能→p53失能→大腸癌   後來的研究表明,這一模式過於簡單化,事實上按這一途徑發生的大腸癌,僅占全部大腸癌中一小部分;認為大腸癌的發生至少存在三種不同的途徑:CIN、MSI和CIN-MSI(表11-3)。   表11-3 大腸癌的的主要遺傳學途徑   
基因組不穩定性類型
CINMSICIN-MSI
核型非整倍體/多倍體二倍體近二倍體
常見體細胞
突變/滅活
APC,KRAS,SMAD4,
TP53突變
TGFRII,IGFFIIR,BAX,BRAF,MSH3,MSH6,E2F4; APC,KRAS SMAD4,and TP53突變 APC,KRAS突變
與途徑相關的家族
性大腸癌綜合征
FAP (APC 缺陷HNPCC (主要通過 MSH2 or MLH1缺陷; 很少
MSH6,PMS2,PMS1缺陷/MMR缺陷)
MAP ( MUTYH缺陷/BER缺陷)
注:染色體不穩定性 chromosomal instability CIN, 微衛星不穩定性 microsatellite instability MSI   隨著表遺傳學發展,最近有作者綜合遺傳學和表遺傳學研究進展,提出在散發性大腸癌至少存在3種不同的遺傳學途徑,它們有不同的癌前病變和治療反應癌前疾病分別為鋸齒狀腺瘤和管狀腺瘤的途徑,兩者遺傳學改變的區別明顯:前者為BRAF基因突變和MSI,表遺傳學改變CIMP(CpG island methylator phenotype CpG島促甲基化表型)陽性;而後者為APC、P53基因突變、CIS和CIMP陰性絨毛狀腺瘤演進途徑情況比較複雜,有時癌前病變亦可是鋸齒狀腺瘤,為主是RAS基因突變,還可有APC、偶可有BRAF基因突變,CIMP陽性。這三種途徑形成的大腸癌對治療反應有差異,因而預後有不同。據估計這三種途徑在大腸癌中發生率分別為:鋸齒狀腺瘤途徑為10-20%,絨毛狀腺瘤途徑為10-30%,管狀腺瘤為50-70%。癌相關基因的遺傳學和表遺傳學改變參與人胃癌變的多階段過程,構成了兩種不同組織學發生類型:分化良好或腸型的與低分化或瀰漫型胃癌有不同的癌變途徑,進一步在腸型癌變中又可分成3各不同的遺傳學途徑。以DNA甲基化為指標,在口咽癌發生的早期,根據吸煙和病毒感染兩種病因,亦存在兩種不同的分子途徑。   綜上所述,癌症的病因十分複雜多樣,有物理、化學和生物因素等,僅致癌化學品就有數百種之多;癌變牽涉到多重癌相關基因的改變,實際在癌組織中可檢出基因的改變可達數十種甚至更多,目前尚無法對每一個基因改變,確定對癌變是原發或繼發的;病因癌相關基因改變的不同組合,就構成了癌變的不同的遺傳學途徑,已有研究也揭示是多樣的;腫瘤發生是微進化系統,在內外環境因素選擇下,必然產生更多樣和惡性程度更高的的癌細胞。可見癌變是一個十分複雜、多樣的多階段過程,這些就決定了晚期癌症的難治性,早期防治的重要性;以及癌變機制和腫瘤防治研究的長期性,人類面臨著巨大的挑戰。

體細胞突變理論的產生與發展

一、體細胞突變理論的形成

  20世紀人類對腫瘤發生機制的認識,經歷了曲折的過程。在19世紀末就已描述腫瘤細胞有絲分裂染色體異常;20世紀初期已認識到,一些腫瘤呈現家族性的顯性或隱性的易感性;發現放XX線、某些化學品和特定病毒的致癌作用;隨後發現許多環境因素可引發體細胞和XX細胞的染色體畸變和基因突變,然而在20世紀上半葉腫瘤發生的體細胞突變理論並沒有被廣泛接受。此間內眾說紛紜,有免疫缺陷說、分化失常說和病毒說等。1960年代後期至今,分子生物學基因工程技術的快速發展,腫瘤細胞、分子遺傳學基因組學的研究不斷深入,發現致癌劑能直接作用於DNA,形成加合物;某些家族性癌綜合征是由腫瘤抑制基因種系突變所引起。隨著證據的積累,使人們認識到原癌基因的活化和腫瘤抑制基因的滅活,在癌變過程中起著中心的生物學作用;1980年代后,腫瘤病因學分子流行病學等的研究表明,人類癌症的主要危險因素是環境因素,而與此相關的代謝酶等修飾基因遺傳多態性,決定了個體對這些因素的腫瘤易感性。近10多年來癌症研究XX全新的表遺傳學(epigenetics)領域,許多實驗事實證明,癌相關基因可遺傳的表遺傳學改變,與遺傳學改變一樣具有同樣重要的意義。所有上述進展使腫瘤研究有了更堅實的遺傳學基礎。   根據腫瘤的體細胞突變理論,腫瘤是從單個體細胞、經突變積累的多階段過程而形成;每一個癌細胞均有形成新腫瘤的能力。這一理論在一段時間內所以得到普遍接受,因為獲得了不同方面證據的支持,主要有: ① 實驗證明,多數腫瘤是單細胞克隆起源; ② 腫瘤細胞存在大量的基因突變和染色體畸變,所引起原癌基因的活化和腫瘤抑制基因的滅活,可導致正常細胞周期和凋亡的失控。先後發現了30 多種腫瘤抑制基因和100 多種癌基因;③ 家族或遺傳性癌綜合征多為腫瘤抑制基因種系突變所引起; ④ 在一定環境條件下個體腫瘤易感性,是由個體基因型的多態性所決定;⑤ 大部分致癌劑是誘變劑,並發現致癌劑與DNA分子結合形成加合物。上述腫瘤分子遺傳學的研究促進了整個分子生物學的發展; 同時還在一定程度上也促成了人類基因組計劃和後續計劃的提出和實施。

二、癌體細胞突變理論研究的進展

  近年來體細胞突變理論雖不斷受到質疑,但其研究進展也很迅速,修正和發展了體細胞突變理論的許多觀點。   1.基因組不穩定性   癌症是由提供惡性表型的一系列癌相關基因突變所引起,而基因組不穩定性被認為是提供突變積累的內在關鍵機制,促進並加速腫瘤的啟動和演進,因此認為它是癌變的動力。近10多年來這一方面的研究倍受關注。基因組不穩定性可大致分為與增突變表型相關的微衛星不穩定性(microsatellite instability MIN),以及與總染色體畸變相關的染色體不穩定性(chromosome instability CIN)。染色體不穩定性是體細胞腫瘤抑制基因和原癌基因突變積累的典型途徑;種系的DNA損傷反應蛋白基因的突變和CIN途徑,顯著地增加了患多種遺傳性癌綜合征的風險。染色體不穩定性是大部分癌症基因組不穩定性的主要形式,表現為增加了染色體結構畸變和數量(整條或片段)異常得失的速率,是癌症和癌前疾病的重要特徵。根據目前研究主要與下列途徑或過程異常有關: ⑴ 有絲分裂關卡在維持基因組穩定性中起中樞作用,當動粒-紡錘體附著有缺陷,有絲分裂失去紡錘體關卡的監測,直接XX後期,引發染色體畸變;當中心體擴增,引發多極有絲分裂,產生非整倍體;⑵ 端粒長度端粒酶的活性對維持秩序染色體結構也起重要作用,並有促進或抑制腫瘤形成的作用;⑶ 細胞周期中的激酶基因組穩定性中也起重要作用,例如Aurora激酶A屬高度保守的、調節有絲分裂的絲氨酸/蘇氨酸激酶家族,其遺傳變體增加基因組不穩定性;當它過度表達促進皮膚癌的惡性演進。微衛星不穩定性由錯配修復(mismatch repair MMR)缺陷缺陷引起,其特徵是因聚合酶在整個基因組微衛星位點的滑動,引起的串聯重複單位數量的增減,使重複序列長度發生變化。具有這類特徵的腫瘤顯示增突變表型(mutator phenotype),是DNA修復基因滅活的結果。已知主要有三種DNA三損傷修復機制:核苷酸切除修復、鹼基切除修復和錯配修復,其中MMR通過修復DNA複製錯誤,抑制同源序列間的重組,在維護基因組穩定性中起中心作用。這一複製后修復機制消除鹼基間的錯配,以及在DNA合成過程中產生的XX/缺失環,把DNA生物合成的保真度提高100-1000倍,錯誤率降低至10,種系的MMR基因突變就引發遺傳性非息肉性結腸直腸癌約占全部大腸癌的2%。MSI也見於散發性胃癌,是在體細胞MLH1啟動子的高甲基化結果;出現的少量突變是增突變表型的結果。   表遺傳學異常同樣可以引起基因組不穩定性,這是啟動子區的高甲基化,沉默相關腫瘤抑制基因表達的結果。積累的資料表明,表遺傳學異常改變常是癌變過程之前的早期事件,如hMLH1高甲基化沉默其表達,引發基因組不穩定性,並可能是15% MSI相關的、散發性大腸癌的病因因素。   2.單倍體不足與「兩次擊中」理論   人群中罕見的遺傳性家族癌綜合征,是由高外顯率腫瘤抑制基因的一個等位基因種系(germ line)缺陷所引起,如視網膜母細胞瘤的易感基因RB1的種系缺陷,使它們存在於攜帶者所有的體細胞中,根據Knudson』s「兩次擊中」的理論,還需另一個正常等位基因發生突變、缺失或高甲基化,RB1腫瘤抑制基因的功能被滅活,這個體細胞才可能啟動癌變過程。這類基因突變表現為相關癌的高外顯率,以及常染色體顯性遺傳的特徵;另有一些與DNA修復反應蛋白基因缺陷相關的家族性癌綜合征,表現常染色體隱性遺傳的特徵。   近年來研究表明,腫瘤抑制基因等位基因不總是完全顯隱XX係,當一個等位基因不足以提供兩個野生型等位基因的全部功能時,就發生單(倍)體不足(haploinsufficiency)或單(倍)體功能不全的現象(11-4),但不是絕對的,可能是部分的或完全的情況,這取決於組織類型、其他上位相互作用和環境因素等。單體功能不全的腫瘤抑制基因,一次擊中即可誘發腫瘤發生。這是對「兩次擊中」理論的修正,深化了對癌變機制的認識。   表11-4 單體不足腫瘤抑制基因的舉例   
基因與遺傳性人癌的關聯性與散發性人癌的關聯性單體不足表型
Apc家族XX瘤結腸息肉病綜合征中的突變散發性大腸、胃、胰、卵巢等癌症中的突變v-Ha-ras活化的細胞系 在裸鼠的致瘤性
Pten在幾種罕見的常染色體性
錯構綜合征中突變
多種散發性癌症的突變鼠類TRAMP-i誘發的小鼠攝護腺腺癌、小鼠攝護腺上皮內腫瘤
Rb家族性視網膜母細胞瘤
中的突變
多種散發性腫瘤如視網膜母細胞瘤、小細胞肺癌和骨肉瘤等在小鼠胚胎幹細胞中標誌的持
3.癌基因成癮   近年來癌基因成癮性(oncogene addiction)的研究受到關注,積累的證據表明,某些特   表11-5 癌基因成癮性的臨床研究   
靶向癌基因癌症阻斷因子
HER-2乳腺癌Trastuzumab (聯合化療
BCR/ABL慢性髓細胞樣白血病Imatinib (單體化療)
C-KIT胃腸間質腫瘤Imatinib (單體化療)
EGFR非小細胞肺癌Gefitinib,erlotinib
(單體化療)
VEGF乳腺癌、大腸癌、腎癌Bevacizumab (聯合化療
VEGFR,RAF腎癌Sorafenib (單體化療)
定的腫瘤細胞需要很高活性的癌基因才能存活,在這個意義上癌細胞成癮了;儘管人癌形成   可歷時數十年,積累很多基因的遺傳學和表遺傳學改變,然而在一些腫瘤的研究發現,只要   一個或少數幾個上述基因的異常被逆轉,就能顯著抑制癌細胞生長,在一些情況下還可

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