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医学科普

癌变多阶段过程及其遗传学机制研究的进展

发表者:薛开先 人已读

 

 

   本文为薛开先主编:肿瘤表遗传学(科学出版社 2010,待出版)的第11章中的第一部分.

 

过去的10年全球癌症发病率增加19%,在国内除原有消化系统肿瘤学如食管癌、胃癌和肝癌等仍高发外,近年来与生活方式、激素密切相关的肿瘤如肺癌、大肠癌、乳腺癌和前列腺癌等的发病率迅速上升。据WHO专家预测,至2020年肿瘤发病人数将达到2000万人,成为人类的第一死因。恶性肿瘤难以控制,与目前癌变机制尚未完全阐明,人类无法采取更为有效的、针对性的防治措施密切相关[1-4]江苏省肿瘤医院肿瘤内科薛开先

目前癌变机制的主流理论是以体细胞突变、克隆演进为基础的多阶段癌变学说,由于近10多年来在肿瘤表遗传学、肿瘤干细胞理论和细胞间隙连接通讯等研究领域取得了重大突破,根据积累的新的事实,不少作者对体细胞突变理论提出质疑;另一方面,体细胞突变理论本身也取得进展,这些加深对肿瘤病理发生过程的理解,并提出重新调整对致癌因子分类[5-9]。本章将简要述评这些研究进展。

 

第一节 癌变是复杂的多阶段过程

癌变(carcinogenesis或tumorigenesis)是正常细胞转化为癌细胞的全过程。在这一漫长的过程中,细胞经历有序连续的多阶段过程,在内外环境因素作用下,通过遗传
改变的不断积累,紊乱细胞分裂、凋亡和组织自稳性的正常调控,获得生存优势,克隆扩增和演进,最终演变为高度恶性的肿瘤[9-11]

一、癌症是遗传与环境互作的结果

    目前对遗传与环境在肿瘤发生中作用,仍有不同的观点。尽管肿瘤发生的最初病因难以确定,但通过肿瘤流行病学、移民和大样本双生子流行病学等观察表明,大部分癌症是由环境因素为主引起的,少数起因于遗传因素,据估计由癌相关基因种系突变为主引起的家族性或遗传性癌综合征约占全部癌症的1-2%;发病与中低癌易感基因密切相关的癌家族,所患的相关癌症具有明显的家族集聚性,可占全部肿瘤的10%以上;更多的是由低癌易感基因参与的、无明显家族聚集的癌症的发生,与环境因素相互作用引起癌症,但所占比例无明确数据。因此通常流行病学家认为,在引发癌症中环境比遗传更重要[12-14]

    从事肿瘤研究的大多数专家认为,癌症是突变积累的结果,广义的基因突变包括了发生在核苷酸和染色体水平的遗传学改变,表现为DNA序列和染色体水平的结构和数目的改变,其中包括各类基因突变、缺失和扩增等,以及染色体缺失、重复、易位和非整倍体等改变等;近10多年来由于肿瘤表遗传学取得一系列突破性进展,已进入主流生物学和医学,许多作者把表遗传学改变作为癌变机制的一部分, 表遗传学改变和遗传学一样,可使原癌基因活化成癌基因,肿瘤抑制基因功能被灭活(表11-1),这些是癌变的中心生物学过程,结果细胞增殖、凋亡和分化失控,导致肿瘤的发生[15-17]

引发癌症的环境因素十分多样,物理因素如电离辐射的X射线和紫外线等;化学因素最为繁多,多数以复合物的形式存在,生物因素包括多种DNA、RNA病毒,某些细菌、真菌和寄生虫等。通过生活方式、职业环境和医疗行为影响暴露人群;国际癌症研究署(International Agency for Research on Cancer,IARC)根据对人类致癌性 (流行病学调查和病例报告)和对实验动物致癌性的资料,对上述各类理化、生物等待评因子分为四组五等。在2009年1月IARC正式公布了所评价的935种因子中,对人类具有致癌和可能致癌作用的有416种,较2002年分布的同类报告增加了32种[18]

关于环境对肿瘤发生贡献大小各家看法不一,一般认为80-90%的肿瘤与环境密切相关,主要因素有不良的生活方式和有害环境的暴露,其中包括吸烟、过量饮酒和食用红肉、
煎烤霉变食品、慢性感染、不良情绪和紧张生活(应激)、过少体力活动,以及环境污染等。现有的大量证据表明,约25-30%肿瘤可归因于烟草,30-35%与饮食相关,15-20%
可归因于感染,余下的可归因于环境污染、辐射、应激和活动少等。可见,针对上述各种肿瘤诱发因素,只要注意戒烟、少红肉、适度饮酒,避免阳光直晒,增加水果蔬菜和
全谷物的消费和体力活动,并定期接种疫苗和体检,大部分人类癌症是可以预防的;然而现实还存在不少障碍,克服重医轻防的思想,深入癌变机制的研究,人类还有很长的
抗癌之路[13,19,20]

表型1-1 常见癌相关基因在肿瘤中的遗传学和表遗传学改变举例

癌相关基因

遗传学改变

DNA 甲基化

主要肿瘤类型

肿瘤抑制基因

p53

突变、等位基因丢失和

杂合性缺失

高甲基化

脑、乳腺和骨肉瘤等

RB

突变、等位基因丢失和缺失

高甲基化

视网膜母细胞瘤

APC

突变

高甲基化

结肠、小肠、胃和甲状腺癌

MSH2 MLH1

突变

高甲基化

结肠和子宫癌

PTEN

突变和杂合性缺失

高甲基化

神经胶质瘤和子宫肿瘤

P21 (CDKN1A)

突变

高甲基化

鳞状上皮细胞癌和黑色素瘤

INK4A, ARF

缺失

高甲基化

黑色素瘤和骨肉瘤

ATM

突变

高甲基化

白血病、淋巴瘤和脑瘤

BRCA1 BRCA2

突变、杂合性缺失、缺失

和等位基因丢失

高甲基化

乳腺和卵巢

癌基因

MYC

扩增

低甲基化

肺、乳腺、大肠、头颈癌

和骨肉瘤

RAS-家族

突变

低甲基化

肺、结肠和胰腺癌

急性髓细胞样白血病

FOS

扩增

低甲基化

骨肉瘤

EGFR (ERBB2)

扩增

高甲基化

成胶质细胞瘤、头颈癌

和骨肉瘤

MET

突变等位基因重复

乳头状肾癌

FGFR1

扩增

低甲基化

横纹肌肉瘤

 

事物的产生、发展与消亡都有其内在规律,外因是变化的条件,内因是变化的依据,外因通过内因起作用,癌变过程概莫能外。癌变之起因虽多为环境因素,但它们必需通过引起原癌基因的活化、肿瘤抑制基因的灭活,使细胞增殖与凋亡的失衡,经过多阶段过程,最终才能形成转移性癌。在这一漫长的致癌过程中,环境是癌变的外因,癌相关基因的遗传学和表遗传学改变则是癌变的内在依据或机制,环境致癌因子通过遗传机制的改变才能使细胞癌变;两者间对癌变的相对贡献随具体情况可有变化,如在家族性癌综合征遗传因素相对起主要作用,但环境因素对发病年龄和病情可有一定的影响;在一些明确由环境污染引发的肿瘤中,环境因素虽起重要作用,但它们一方面必需通过遗传机制才能引起细胞的癌变,另一方面由代谢、DNA修复和免疫功能等相关基因的遗传多态性,对致癌因子引发肿瘤的易感性亦有重要影响,否则就不能解释,为什么生活在同一污染环境中的人群,一些人患癌而另一些人不患癌,而且病情、疗效各异。因此,癌症是环境因素和遗传因素相互作用的结果,并可能在特定时空环节上相对重要性是可以转化的[13,14]

二、癌变是一个复杂的多阶段过程

多阶段致癌是肿瘤生物学的重要概念,也是肿瘤的本质特征之一。在这一有序、连续的多阶段过程中,每一个新阶段启动必需有附加的遗传学或表遗传学改变,从而获得生存优势,克隆扩增;这一癌变过程的多阶段性还反映了在正常组织与高度恶性组织之间,存在处于不同恶性状态、具有特定表型的各个中间过渡阶段[21-24]

1.动物模型研究  
1915年首先用煤焦油反复涂擦兔耳,成功诱发了皮肤癌,证实了化学品可以致癌;1947年建立的小鼠皮肤致癌模型,直至目前仍被用来研究上皮细胞癌发生的机制,并评价修
饰因子的作用。在传统的两阶段致癌模式中,一次用亚致癌剂量的起动剂如二甲基苯并蒽dimethylben(a)anthracene DMBA)处理小鼠皮肤局部,随后反复在该处涂抹肿
瘤促进剂如十四烷酰佛波醋酸酯tetradecanoylphorbol-13-acetate TPA),3个月后通常形成乳头状瘤;如中断用TPA处理,乳头状瘤消退;如形成乳头状瘤后,继续
用TPA处理一段时间,即使不再用TPA处理,其中一部分乳头状瘤仍可演进;如用启动剂进一步处理,可诱发肉瘤[13,21,25]。可见,癌变存在连续、又相对可区别的多阶段过
程;肿瘤的发生是致癌剂或起动剂与促进剂相互作用的结果,因为在这一模型中单独用致癌剂或促进剂处理,均不能诱发肿瘤;促进剂的反复处理十分重要,在乳头状瘤形成
后,如中断促进剂的处理,乳头状瘤可自行消失,同时还提示促进剂的作用在一定范围内是可逆的[21-24]

过去半多世纪的研究人们认识到,癌变过程除了传统的肿瘤启动和促进阶段外,癌变还需要增生细胞从良性向恶性状态转变和进一步的演进,侵袭与转移是新增遗传学和表遗传学改变的表现。如此在理论上癌变可分为四个阶段:肿瘤的启动或起始、促进、恶性转变和演进 [21,24]

2.人类肿瘤研究    
癌变多阶段过程在人类的研究必需是间接的。当人体暴露于致癌因子到临床检出肿瘤,需要经过长达20-50年的时间;大部分人类成年肿瘤的发病率与年龄呈指数函数增加,
这提示肿瘤的演进需经过一系列连续的过程,有作者认为至少要经过4-6个阶段。这一多阶段过程在一些消化系统肿瘤已有较深入的研究[21,24,26]
组织病理学观察表明,胃肠道内壁是由单一肠上皮细胞形成,锚定在下面的基底膜上。癌变最早期的改变表现为增生(hyperplasia),此时因细胞过度增殖,细胞数量异常
增多,但所形成的肿块在组织学上与正常组织无明显差异;另一种与正常组织差异不大,但有进一步恶性演进倾向的改变是化生(metaplasia),其特征是组织中的一种正常
细胞层,被异位的、但仍正常细胞层所取代。化生多发生在上皮组织的过渡带中,如食管与胃、子宫与子宫颈连接处;食管癌变前的一个重要早期指征就是具有化生改变的
Barrett食管,此时食管中扁平上皮细胞被胃分泌型上皮细胞所取代,具有此种改变的患者,发展成食管癌的风险比正常人高30倍[21]
随着遗传学和表遗传学改变的积累,出现整个组织形态、结构改变的不典型增生或发育异常(dysplasia),此时细胞形态异常,如核染色加深,核质比增大,细胞分裂
能力增强,细胞数量显著增多。不典型增生为良性肿瘤与癌变前的过渡状态[21]
上皮组织中细胞扩张性生长,同时细胞形态发生明显改变,形成肉眼可见的肿块,称之为腺瘤或息肉等,这些细胞尽管有时体积可很大,但决不会穿过基底膜,属良性肿瘤
;如良性肿瘤获得进一步的遗传学改变,可发生恶性转变,形成原位癌(in situ cancer);当肿瘤继续演进突破基底膜、侵袭邻近的基质层并远端转移时,则成为具有
侵袭(invasion和转移(metastasis能力的高度恶性肿瘤或癌[21]
3.癌变的多阶段过程  
癌变过程通常分为4个阶段:肿瘤启动(起始)、肿瘤促进、恶性转变和肿瘤演进。自发或诱发的遗传学和表遗传学改变,导致细胞基因组不稳定性增加,细胞生长、分裂和
凋亡的失控,并在克隆选择中恶性程度渐增,最终完成癌变过程[14,21,24]

  肿瘤启动  启动是癌变的第一阶段,是不可逆的遗传学损伤的结果。这些遗传学损伤可以是自发的,即由细胞内在因素引起,如低频率的DNA复制和染色体分裂错误,以及细胞代谢过程产生的活性氧离子等引发的DNA损伤;也可是环境中各类理化、生物致癌因子所引起的DNA结构和序列的改变,环境中化学致癌物多以复合物形式存在(表11-2),其中有效致癌成分修饰DNA结构形成加合物,在DNA复制时可引发突变;动物模型的研究表明,在

表11-2 人类化学致癌物例证

组织器官

化学致癌物

辅致癌物

重金属:As,Cd,Cr,Ni等; 双氯甲醚

 

(小细胞和鳞状细胞)

吸烟和柴油废气

石棉

胸膜间皮

石棉

 

口腔

无烟烟草

酱草

 

熟石灰[Ca(OH)2]

食管

烟草烟雾

乙醇

黄曲霉毒素B1

乙型肝炎病毒

  (血管肉瘤)

氯乙烯

乙醇

膀胱

芳香胺如联苯胺等

 

急性淋巴细胞性白血病

 

大多数情况下DNA加合物的量与诱发的肿瘤成正相关,而在没有加合物形成的组织中很少诱发肿瘤。一般认为,致癌剂加合物的形成对化学致癌是必需的,但对于肿瘤启动不是充分的和前提,因为这类遗传学损伤可被细胞内各类DNA修复系统恢复正常;只有未被的修复的DNA损伤,引起的原癌基因的活化、肿瘤抑制基因的灭活才是核心的肿瘤起始事件,这些改变使启动细胞具有了癌变倾向[14,21,21,26]

肿瘤促进  肿瘤促进阶段,启动细胞在促进剂的作用下更快地生长和分裂,并选择性地克隆扩增,形成细胞群体。由于突变的速率与细胞分裂的速率成正比例,因此随着起动细胞的扩增,这一细胞群就处于进一步遗传学改变和恶性变的风险之中[21,24,26]

肿瘤促进剂多为非诱变剂,单独使用并无致癌性,一般无需代谢激活即可发挥其生物学效应。这类因子能降低肿瘤起动因子的剂量和暴露组织的发瘤潜伏期,或增加形成肿瘤的数量。如一种化学品或因子兼有肿瘤起动和促进作用称之为完全致癌剂,如苯并芘和4-氨基联苯等[21,24,26]

巴豆油作为促进剂,广泛用于小鼠皮肤致癌模型,其中有效成分是十四烷酰法波(醇)醋酸酯,通过激活蛋白质激酶C ,磷酸化关键底物进而激发一连串的表遗传学改变,促进细胞生长、增殖。根据配体结合特性,鉴定了新型的肿瘤促进剂如二噁英、酚、糖精、香烟烟雾冷凝物和苯巴比妥等。在人癌激素、吸烟和胆酸等成分都参与肿瘤的促进作用;肿瘤促进通常是可逆的,例如仃止吸烟后肺损伤可被逆转[21,24,26]

恶性转变   恶性转变是由癌前细胞转变为表达恶性表型的细胞,这些恶性特征主要有:① 细胞不受正常调控,自主生长、增殖;② 成功逃避细胞凋亡和衰老,细胞永生(immortal);③失去了细胞的区域性限制、具有了侵袭和转移能力;④自主的血管生成能力等[14]

癌前细胞的恶变过程需要进一步的遗传学改变;对于细胞恶变的发生,肿瘤促进剂的总量不如屡次重复给药重要,一旦给药中断,良性或癌前病变就会退化;部分癌前细胞恶性转化的结果,将促进癌前损伤的细胞分裂的速度,增加分裂细胞的量,其结果由于DNA合成保真性的下降,产生新的遗传学改变。如恶性转变较低,用DNA损伤因子处理癌前细胞,则可显著增加恶性转变[212426]

肿瘤演进  肿瘤演进包括恶性表型的进一步表达,以及与时俱增的侵袭和转移能力。肿瘤转移与肿瘤细胞能分泌蛋白酶侵袭邻近组织,使原发癌超出原来的占位[212426]。肿瘤演进的许多细节仍在深入研究中。

恶性表型的显著特征是倾向于基因组不稳定性和细胞增殖、凋亡失控,其间发生许多突变,再次引发原癌基因的激活和肿瘤抑制基因的失能;原癌基因激活主要通过两种机制,一是在ras基因家族、特定的位置如第12、13、59或61外显子的点突变;二是在myc、Her-2和raf等多基因家族的过度表达,常是由于该基因片段的扩增,或是该基因通过邻近一个强效的启动子区。肿瘤抑制基因的失能常通过双重机制,如最多见的是第一个等位基因是点突变,而第二个等位基因的失能,是通过缺失、重组基因突变、染色体不分开和表遗传学改变,在一些肿瘤抑制基因两次都可能是突变或表遗传学改变,从而使演进中癌细胞获得生长优势和局部侵袭的能力,最终远距离转移扩散[142426]

4.癌变是多途径过程 

癌变过程的复杂性还表现在癌变过程中存在多种可替代的遗传学途径,最终形成高度恶性的肿瘤[142829]

目前的多数研究表明,大多数肿瘤是单细胞起源,这就意味着在启动癌变、克隆扩增的细胞中,子代细胞多次发生了遗传学和表遗传学改变,导致一组原癌基因活化和肿瘤抑制基因灭活,这些对癌变过程有着原发和关键效应的基因改变,以一定的时间、顺序发生,就构成了癌变或癌的遗传学途径(cancer genetic pathway)。由于发生上述关键改变基因的种类、数量、时序的组合不同,就有了多种可替代的癌变遗传学途径(多途径),这就不仅使不同的类型的癌,还使不同个体所患相同类型的癌,具有不同的恶性生物学特性,并构成了可望预测肿瘤临床行为的分子谱(molecular profile)[14,30,31]

对大肠癌发生的遗传学途径进行了较为系统的研究,很能反映该问题逐渐深入认识的过程。根据早期研究曾提出了一条线性演进的模式,即熟知的大肠癌发生遗传学途径:

正常细胞→APC失能→K-ras获能→18q肿瘤抑制基因失能→p53失能→大肠癌

后来的研究表明,这一模式过于简单化,事实上按这一途径发生的大肠癌,仅占全部大肠癌中一小部分;认为大肠癌的发生至少存在三种不同的途径:CIN、MSI和CIN-MSI(表11-3)[14,32,33]

 

 

 

表11-3 大肠癌的的主要遗传学途径

 

基因组不稳定性类型

CIN

MSI

CIN-MSI

核型

非整倍体/多倍体

近二倍体

近二倍体

常见体细胞

突变/灭活

APC, KRAS, SMAD4

TP53突变

TGFRII, IGFFIIR, BAX, BRAF, MSH3, MSH6,E2F4; APC, KRAS SMAD4, and TP53突变  

APC, KRAS突变

与途径相关的家族

性大肠癌综合征

FAP (APC 缺陷)

HNPCC (主要通过 MSH2 or MLH1缺陷; 很少

MSH6, PMS2,PMS1缺陷/MMR缺陷)

MAP ( MUTYH缺陷/BER缺陷)

注:染色体不稳定性 chromosomal instability CIN, 微卫星不稳定性 microsatellite instability MSI

随着表遗传学发展,最近有作者综合遗传学和表遗传学研究进展,提出在散发性大肠癌至少存在3种不同的遗传学途径,它们有不同的癌前病变和治疗反应
(图11-1)。癌前疾病分别为锯齿状腺瘤和管状腺瘤的途径,两者遗传学改变的区别明显:前者为BRAF基因突

 

正常结肠组织

CIMPP

BRAF

锯齿状腺瘤

MLH1

MSI

近心端结肠癌

预后好

需辅助治疗?

CIMP

KRAS

APC

绒毛状腺瘤

CIMP

结肠癌

预后差,对5-Fu等化疗药无反应

APC

管状腺瘤

T

P53

CIN

典型结肠癌

远端结肠

 

 

 

图11-1 大肠癌发生的多遗传学途径及其临床意义

 

变和MSI,表遗传学改变CIMP(CpG island methylator phenotype CpG岛促甲基化表型)阳性;而后者为APC、P53基因突变、CIS和CIMP阴性;绒毛状腺瘤演进途径情况比较复杂,有时癌前病变亦可是锯齿状腺瘤,为主是RAS基因突变,还可有APC、偶可有BRAF基因突变,CIMP阳性。这三种途径形成的大肠癌对治疗反应有差异,因而预
后有不同。据估计这三种途径在大肠癌中发生率分别为:锯齿状腺瘤途径为10-20%,绒毛状腺瘤途径为10-30%,管状腺瘤为50-70%[34]。。
癌相关基因的遗传学和表遗传学改变参与人胃癌变的多阶段过程,构成了两种不同组织学发生类型:分化良好或肠型的与低分化或弥漫型胃癌有不同的癌变途径,进一步在
肠型癌变中又可分成3各不同的遗传学途径[35]。以DNA甲基化为指标,在口咽癌发生的早期,根据吸烟和病毒感染两种病因,亦存在两种不同的分子途径[36]

    综上所述,癌症的病因十分复杂多样,有物理、化学和生物因素等,仅致癌化学品就有数百种之多;癌变牵涉到多重癌相关基因的改变,实际在癌组织中可检出基因的改变可达数十种甚至更多,目前尚无法对每一个基因改变,确定对癌变是原发或继发的;病因癌相关基因改变的不同组合,就构成了癌变的不同的遗传学途径,已有研究也揭示是多样的;肿瘤发生是微进化系统,在内外环境因素选择下,必然产生更多样和恶性程度更高的的癌细胞。可见癌变是一个十分复杂、多样的多阶段过程,这些就决定了晚期癌症的难治性,早期防治的重要性;以及癌变机制和肿瘤防治研究的长期性,人类面临着巨大的挑战。

 

第二节        体细胞突变理论的产生与发展

一、体细胞突变理论的形成

20世纪人类对肿瘤发生机制的认识,经历了曲折的过程。在19世纪末就已描述肿瘤细胞有丝分裂和染色体异常;20世纪初期已认识到,一些肿瘤呈现家族性的显性或隐性
的易感性;发现放射线、某些化学品和特定病毒的致癌作用;随后发现许多环境因素可引发体细胞和生殖细胞的染色体畸变和基因突变,然而在20世纪上半叶肿瘤发生的体
细胞突变理论并没有被广泛接受。此间内众说纷纭,有免疫缺陷说、分化失常说和病毒说等[14,36]
1960年代后期至今,分子生物学和基因工程技术的快速发展,肿瘤细胞、分子遗传学和基因组学的研究不断深入,发现致癌剂能直接作用于DNA,形成加合物;某些家族性
癌综合征是由肿瘤抑制基因种系突变所引起。随着证据的积累,使人们认识到原癌基因的活化和肿瘤抑制基因的灭活,在癌变过程中起着中心的生物学作用;1980年代后,
肿瘤病因学和分子流行病学等的研究表明,人类癌症的主要危险因素是环境因素,而与此相关的代谢酶等修饰基因的遗传多态性,决定了个体对这些因素的肿瘤易感性[3-9]
近10多年来癌症研究进入全新的表遗传学(epigenetics)领域,许多实验事实证明,癌相关基因可遗传的表遗传学改变,与遗传学改变一样具有同样重要的意义。所有上述
进展使肿瘤研究有了更坚实的遗传学基础[10-15,37,38]

根据肿瘤的体细胞突变理论, 肿瘤是从单个体细胞、经突变积累的多阶段过程而形成;每一个癌细胞均有形成新肿瘤的能力。这一理论在一段时间内所以得到普遍接受, 因为获得了不同方面证据的支持, 主要有: ① 实验证明, 多数肿瘤是单细胞克隆起源; ② 肿瘤细胞存在大量的基因突变和染色体畸变, 所引起原癌基因的活化和肿瘤抑制基因的灭活, 可导致正常细胞周期和凋亡的失控。先后发现了30 多种肿瘤抑制基因和100 多种癌基因;③ 家族或遗传性癌综合征多为肿瘤抑制基因种系突变所引起; ④ 在一定环境条件下个体肿瘤易感性, 是由个体基因型的多态性所决定;⑤ 大部分致癌剂是诱变剂,并发现致癌剂与DNA分子结合形成加合物。上述肿瘤分子遗传学的研究促进了整个分子生物学的发展; 同时还在一定程度上也促成了人类基因组计划和后续计划的提出和实施[5,14,21,36]

二、癌体细胞突变理论研究的进展
近年来体细胞突变理论虽不断受到质疑,但其研究进展也很迅速,修正和发展了体细胞突变理论的许多观点。
1.基因组不稳定性
癌症是由提供恶性表型的一系列癌相关基因突变所引起,而基因组不稳定性被认为是提供突变积累的内在关键机制,促进并加速肿瘤的启动和演进因此认为它是癌变的动力。
近10多年来这一方面的研究倍受关注[39-42]
基因组不稳定性可大致分为与增突变表型相关的微卫星不稳定性(microsatellite instability MIN),以及与总染色体畸变相关的染色体不稳定性
(chromosome instability CIN)。染色体不稳定性是体细胞肿瘤抑制基因和原癌基因突变积累的典型途径;种系的DNA损伤反应蛋白基因的突变和CIN途径,显著地
增加了患多种遗传性癌综合征的风险[43-47]
染色体不稳定性是大部分癌症基因组不稳定性的主要形式,表现为增加了染色体结构畸变和数量(整条或片段)异常得失的速率,是癌症和癌前疾病的重要特征[48,49]
根据目前研究主要与下列途径或
过程异常有关: ⑴ 有丝分裂关卡在维持基因组稳定性中起中枢作用,当动粒-纺锤体附着有缺陷,有丝分裂失去纺锤体关卡的监测,直接进入后期,引发染色体畸变;当中心体扩增,
引发多极有丝分裂,产生非整倍体;⑵ 端粒的长度和端粒酶的活性对维持秩序染色体结构也起重要作用,并有促进或抑制肿瘤形成的作用;⑶ 细胞周期中的激酶基因组稳定性中也
起重要作用,
例如Aurora激酶A属高度保守的、调节有丝分裂的丝氨酸/苏氨酸激酶家族,其遗传变体增加基因组不稳定性;当它过度表达促进皮肤癌的恶性演进[48-53]
微卫星不稳定性由错配修复(mismatch repair MMR)缺陷缺陷引起,其特征是因聚合酶在整个基因组微卫星位点的滑动,引起的串联重复单位数量的增减,使重复序列长度发生变化。
具有这类特征的肿瘤
显示增突变表型(mutator phenotype),是DNA修复基因灭活的结果。已知主要有三种DNA三损伤修复机制:核苷酸切除修复、碱基切除修复和错配修复,其中MMR通过修复DNA复制错误
,抑制同源序列间的重组,
在维护基因组稳定性中起中心作用。这一复制后修复机制消除碱基间的错配,以及在DNA合成过程中产生的插入/缺失环,把DNA生物合成的保真度提高100-1000倍,错误率降低至10-9
,种系的MMR基因突变就引发
遗传性非息肉性结肠直肠癌约占全部大肠癌的2%[40,46]。MSI也见于散发性胃癌,是在体细胞MLH1启动子的高甲基化结果;出现的少量突变是增突变表型的结果[54]

表遗传学异常同样可以引起基因组不稳定性,这是启动子区的高甲基化,沉默相关肿瘤抑制基因表达的结果。积累的资料表明,表遗传学异常改变常是癌变过程之前的早期事件,如hMLH1高甲基化沉默其表达,引发基因组不稳定性,并可能是15% MSI相关的、散发性大肠癌的病因因素[37,40]

2.单倍体不足与“两次击中”理论

人群中罕见的遗传性家族癌综合征,是由高外显率肿瘤抑制基因的一个等位基因种系(germ line)缺陷所引起,如视网膜母细胞瘤的易感基因RB1的种系缺陷,使它们存在于携带者所有的体细胞中,根据Knudson’s“两次击中”的理论,还需另一个正常等位基因发生突变、缺失或高甲基化,RB1肿瘤抑制基因的功能被灭活,这个体细胞才可能启动癌变过程。这类基因突变表现为相关癌的高外显率,以及常染色体显性遗传的特征;另有一些与DNA修复反应蛋白基因缺陷相关的家族性癌综合征,表现常染色体隐性遗传的特征[14,55]

    近年来研究表明,肿瘤抑制基因等位基因不总是完全显隐性关系,当一个等位基因不足以提供两个野生型等位基因的全部功能时,就发生单(倍)体不足
(haploinsufficiency或单(倍)体功能不全的现象(11-4)
但不是绝对的,可能是部分的或完全的情况,这取决于组织类型、其他上位相互作用和环境因素等。单体功能不全的肿瘤抑制基因,一次击中即可诱发肿瘤发生。这是对
“两次击中”理论的修正,深化了对癌变机制的认识[56-58]

表11-4 单体不足肿瘤抑制基因的举例

基因

与遗传性人癌的关联性

与散发性人癌的关联性

单体不足表型

Apc

家族性腺瘤结肠息肉病综合征中的突变

散发性大肠、胃、胰、卵巢等癌症中的突变

v-Ha-ras活化的细胞系          在裸鼠的致瘤性

Pten

在几种罕见的常染色体性

错构综合征中突变

多种散发性癌症的突变

鼠类TRAMP-i诱发的小鼠前列腺腺癌、小鼠前列腺上皮内肿瘤

Rb

家族性视网膜母细胞瘤

中的突变

多种散发性肿瘤如视网膜母细胞瘤、小细胞肺癌和骨肉瘤等

在小鼠胚胎干细胞中标志的持

 
 
3.癌基因成瘾性

近年来癌基因成瘾性(oncogene addiction)的研究受到关注,积累的证据表明,某些特

表11-5 癌基因成瘾性的临床研究

靶向癌基因

癌症

阻断因子

HER-2

乳腺癌

Trastuzumab (联合化疗)

BCR/ABL

慢性髓细胞样白血病

Imatinib (单体化疗)

C-KIT

胃肠间质肿瘤

Imatinib (单体化疗)

EGFR

非小细胞肺癌

Gefitinib, erlotinib

(单体化疗)

VEGF

乳腺癌、大肠癌、肾癌

Bevacizumab (联合化疗)

VEGFR, RAF

肾癌

Sorafenib (单体化疗)

 

定的肿瘤细胞需要很高活性的癌基因才能存活,在这个意义上癌细胞成瘾了;尽管人癌形成

可历时数十年,积累很多基因的遗传学和表遗传学改变,然而在一些肿瘤的研究发现,只要

一个或少数几个上述基因的异常被逆转,就能显著抑制癌细胞生长,在一些情况下还可改善患者的生存率(表11-5)。癌基因成瘾性的概念的引入,主要是强调某些癌为了维持其恶性表型对一个或少数基因的显著依赖性,这有助于研究、制定新的肿瘤治疗策略[59-62]

4.驱动突变与过客突变  
近年来肿瘤基因组测序和重测序的研究表明,大部分人类肿瘤存在数千基因的突变,这是癌细胞基因组不稳定性和增突变表型,以远超过正常细胞基因突变的速率,发生突变及
其不断积累的结果。
进一步研究揭示,在大量的体细胞突变中,其中大部分突变是在正常或癌细胞DNA复制和细胞增殖过程中产生的,功能上为中性,不被选择,不参与癌变过程有如“过客”,称之
为“过客”突变
( "passenger" mutations;而驱动突变(driver mutation)能提供所在细胞的生长优势,是肿瘤发生的病因因素,能被正选择,驱动正常细胞向增殖癌细胞的转化。已有
多肿瘤、大量标
本的系统的癌基因组的测序研究表明,肿瘤演进过程多样,与肿瘤发生相关的基因比以往预测的数量更多,有证据表明约120基因的驱动突变在研究的癌症发生中发挥作用[63-65]
如何在癌细胞的大量突变中,区别驱动突变与过客突变,已成为即将实施的大规模癌DNA再测序计划的关键。因蛋白质激酶与肿瘤发生高度相关,并可能是癌细胞内显效的治疗靶位,
故有作者研究了
这类基因的改变对癌起动和演进的影响,这些有助于理解癌变机制和设计个性化治疗,即靶向个性化的独特的突变谱;近有初步报告显示,能在蛋白激酶中区别这两类突变的方法,
这一领域研究进展值得关注[65-67]
    5.癌基因组筛查与突变组合模式
肿瘤的恶性表型不是由个别基因决定的,而是许多基因协同作用的结果,因此应筛查癌基因组突变,研究癌变相关途径间的协调,成为理解癌变机制的关键。基因组技术的进步,
使这类研究成为可能。近年来的
研究结果表明,参与癌变的突变基因是由少数常见突变基因和许多罕见突变的基因组成;虽然任何肿瘤突变基因数有限,因有大量的罕见突变基因存在,使甚至同一类型的两个
肿瘤间有很大的异质性。这就解释了
为什么个别肿瘤对化疗的反应有时有很大的差异[68,69]
在癌变过程中频发突变的是原癌基因和肿瘤抑制基因,它们参与细胞周期调控、信号传导和应激反应等过程;不同组织来源癌的突变组合特征是异质的;一些在不同途径起作用的
基因可在同一癌症中发生,而在同
一途径起作用的基因极少在同一标本发生突变。这些显示了在癌变中体细胞基因突变的组合模式,这为进行中的癌基因组计划提供指导性信息,同时亦提示癌变类似于达尔文学说的
进化过程[70]
然而某些组合的突变模式不适用上述原则,而显示组织特异性的改变,例如在大肠癌Ras和Wnt途径的基因倾向于同时发生,而胰腺癌则是交互排他式发生。在不同癌标本中突变间的
相互关系显示了突变事件的时序和
途径间的联接,这些有助于鉴定治疗的靶向[70];进一步途径分析提示,大量癌相关基因的功能集聚在少数信号途径中,这就是简化的癌变机制的图象,并使靶向治疗癌症有可能性
只要针对失控的信号途径本身,
而不是个别突变基因[69]

 

 

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发表于:2010-09-21 15:47

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