《癌生物学》第七章(1)抑癌基因与肿瘤细胞表型

“原癌基因编码的蛋白质通过多种途径参与接收和加工细胞外环境来源的生长刺激信号,一旦这类基因发生突变,其释放的生长刺激信号就处于失控状态,导致肿瘤细胞的不可控生长。20世纪70年代和80年代期,与癌基因的已知性质相悖的肿瘤细胞遗传学实验证据逐渐增多,这暗示着存在另一类功能不同的细胞生长调控基因限制或抑制细胞增殖。这类抗生长基因称为抑癌基因(TSG), 这类基因的失活或丢失参与肿瘤形成。”

1、细胞融合实验显示肿瘤表型是隐性

 

病毒基因组被转入正常细胞后,这些基因将起决定性作用(第3章),这是因为病毒癌基因会使正常细胞基因失效。也就是说病毒基因具有所谓的显性表型特性,因此能够引起细胞转化,这提示肿瘤细胞的生长与正常(野生型)细胞生长相比是显性表型,即正常细胞的生长是隐性的。
然而大多数人类肿瘤并不是肿瘤病毒感染的结果,所以对这些肿瘤病毒的研究结果可能与了解人类肿瘤发生并无本质的相关性这使得人们需要重新寻找肿瘤遗传学的根本性问题。
细胞融合技术非常适合于将维持正常生长的等位基因与导致恶性增殖的等位基因放入同一体系,观察他们表型的外显能力。在这一实验过程中,将两种不同表型的细胞(经常是不同基因型)进行共同培养。然后用一种试剂使单层相邻细胞的细胞膜发生融合。融合试剂通常是化学试剂(如聚乙二醇)或病毒糖蛋白(如副黏病毒科的Sendai病毒表面糖蛋白)。融合剂可以使两个相互靠近且细胞膜相互接触的细胞融合成一个拥有同一个细胞膜的双核大细胞,即合体细胞。如果大量单层细胞相互之间碰巧非常接近,那么它们就可能融合为一个拥有巨大细胞膜的多核细胞。

图7-1-1:实验性的细胞融合

 

携带多个细胞核的细胞通常无法存活,而双核细胞却往往可以存活并继续生长。当进入有丝分裂期,两个核膜破裂,两对染色体进入有丝分裂期,最终产生的每个子代细胞会形成一个单独的细胞核,这个细胞核内含有来源于两个亲本细胞的染色体
利用细胞融合技术可以获得来源于不同物种的杂交细胞,甚至包括人鸡细胞的杂合体。将G1期细胞与M期细胞融合,可以观察哪个细胞周期起决定性作用。将未分化的细胞与分化细胞融合,以确定哪种细胞表型起决定性作用。
然而,我们只关注正常细胞与肿瘤细胞的杂合体细胞将如何生长大量实验证据表明,当肿瘤细胞与正常细胞融合后,将产生的四倍体或亚四倍体杂交细胞注射入合适的宿主动物体内,发现这些细胞将失去肿瘤形成能力。这个出乎意料的结果使肿瘤与正常细胞表型的理论得到了补充和完善:非肿瘤病毒来源的肿瘤细胞与正常细胞融合后,其恶性表型是隐性的。

图7-1-2:肿瘤遗传表型的显隐性:细胞触合技术检验肿瘤细胞表型的显隐性,理论上有两种结果

2肿瘤细胞隐性表型特性的遗传学解释

 

我们可以这样假设:正常细胞携带可以限制或抑制其增殖的基因。在肿瘤发展过程中,不断发展的肿瘤细胞丢失或失活了一个或多个这样的基因。一旦这些生长抑制基因丢失或失活,肿瘤细胞就会不再受这些生长抑制基因的调控而加速增殖。然而,当肿瘤细胞与正常细胞融合后,这些完整的野生型生长抑制基因将发挥作用,使肿瘤细胞的增殖至少是其肿瘤形成能力停止。由于这些基因的野生型能够拮抗肿瘤细胞表型,因此被命名为抑癌基因(TSG)
抑癌基因的存在一直饱受争议。
支持该观点的证据显示,通过一系列突变使基因失活要比通过突变使其激活容易得多。例如,只有ras原癌基因的第12位、13位和61位密码子的点突变才可以使其激活。而对于一个抑癌基因或者对其他任何基因而言,其蛋白编码区很多位点的点突变,或这些基因序列中的核酸片段随机缺失都可以使该蛋白失活。
反对抑癌基因存在的理论认为,如果抑癌基因突变失活能够促进肿瘤细胞的生长,但由于这些等位基因是隐性的,那么理论上一个等位基因的失活对肿瘤细胞应该没有任何影响,因为隐性突变的等位基因与显性野生型的等位基因共存。只有当肿瘤细胞中某特定抑癌基因的一对野生型等位基因同时失活后,此细胞才能持续增殖。两次独立的遗传学改变发生在同一对等位基因上,是一个极其繁杂的过程,在肿瘤形成时间内要使抑癌基因的两个等位基因都失活几乎是不可能的。

3、视网膜母细胞瘤解决抑癌基因的遗传学困惑

 

视网膜母细胞瘤是一种儿童眼部肿瘤,来源于光受体细胞的前体细胞,在出生至 68 岁的儿童中高发,在这个年龄段之后则较为罕见。这类肿瘤症候群表现为两种形式:
没有视网膜母细胞瘤家族史的孩子表现为单侧眼的单发肿瘤(单侧视网膜母细胞瘤),如果通过放疗或手术将肿瘤从患眼摘除,患儿视网膜母细胞瘤的复发风险或身体其他部位肿瘤的发病风险并不增高。对于这种没有家族史的患儿,我们通常将其认为是散发病例。
患有家族性视网膜母细胞瘤的儿童,一般表现为双侧多发(双侧视网膜母细胞瘤)。这些患儿在经手术或放疗治愈后,其青春期罹患骨肉瘤的概率比正常儿童高出500倍,并且在成年后身体其他部位的肿瘤易感性也明显增高。这些肿瘤患儿如果能够存活至成年期则通常具有正常的生育能力,但他们的后代中有一半的孩子将患有家族性视网膜母细胞瘤。

图7-1-3:遗传性视网膜母细胞瘤患者的家系谱:男性(方形)、女性(圆圈)、患者(绿色)、非患者(空白)。在家系谱中有一支出现了隔代遗传(箭头),代表了不完全外显,即该基因型未产生相应的表型,其可能的原因与复杂的生物学效应影响最终表型有关。值得一提的是,箭头所指男性一定是该等位基因的携带者,因为他的两个女儿均罹患此病。

 

家族性视网膜母细胞瘤符合孟德尔遗传定律中的等位基因显性遗传病的特点。实际上,家族性遗传的视网膜母细胞瘤与散发性病例并无不同。通过对儿童期家族性或散发性视网膜母细胞瘤的发病动力学的研究,Alfred Knudson在1971年提出,家族性肿瘤的外显率与单随机事件的发生概率一致,而散发性肿瘤的发病率则与双随机事件发生概率类似
上述发病动力学提示我们可能存在一个基因(后来的研究发现并证实其为Rb基因),其突变可以引起视网膜母细胞瘤。如果Rb基因突变以后所产生的致瘤性是隐性的,那么需要两个Rb等位基因同时被敲除才会使视网膜细胞发生不可控增殖,产生视网膜母细胞瘤。
从父母基因组遗传获得野生型Rb基因的儿童,其视网膜母细胞瘤的形成需要视网膜细胞相继发生两体细胞突变,才能使原有的两个功能性Rb等位基因均失活。而具有视网膜母细胞瘤家族史的儿童以受精卵种系遗传的方式,从父母获得一个突变的Rb等位基因,该突变的Rb基因存在于包括视网膜细胞在内的所有胚胎细胞中。这些视网膜细胞中只要有任意一个细胞发生一次体细胞突变就能使仅存的野生型等位基因也失活,使这个细胞内不再有任何功能性的Rb基因,从而最终进展为视网膜母细胞瘤。

图7-1-4:视网膜母细胞瘤形成动力学

4、肿瘤的起始需要清除抑癌基因的所有野生型拷贝

Rb基因的发现强调:只有这个基因的两个拷贝都被消除才能诱发肿瘤。但与此同时又引发了另外一个问题:在同一个细胞中连续发生两次突变的概率大约为1 0-12,发育中的视网膜只存在约106个细胞,从理论上讲,想要通过这样两次连续的突变清除掉一个抑癌基因的两个拷贝几乎是不可能的,那么这些细胞是如何先后清除掉自身抑癌基因的两个拷贝而最终发展成为散发性视网膜母细胞瘤呢?
一些遗传学家提出了合理的解释:当两个Rb等位基因中的一个由于某种类型的突变而失活时,其发生的频率与大多数突变事件相同,即约为10-6。发生这种突变的细胞将成为一个杂合子,且该杂合子细胞继续表现为野生型。但是当另外一个野生型Rb等位基因的失活并不是直接由第二次打击导致的突变所引起的时,会发生哪些情况呢?
 01.有丝分裂重组与携带野生型Rb等位基因的同源染色体在配对时交换部分遗传信息。正常情况下,绝大多数染色体重组发生在减数分裂期。但如果重组恰好发生在一条携带有野生型Rb等位基因的染色体臂和一条携带有突变型Rb等位基因的染色体臂进行配对时,携带野生型Rb等位基因的染色体臂可能与其配对的、携带突变型 Rb 基因的同源染色体臂发生互换。

图7-1-5:有丝分裂重组能够导致Rb基因的突变杂合性缺失(LOH)

 

这种重组方式的重要意义在于,其发生率为10-5-10-4/细胞代,与上面提到的发生率为l0-6/细胞代的突变失活相比,更容易使细胞失去野生型的Rb基因拷贝。
02.基因转换:在染色体DNA的复制过程中,延伸的DNA子链可以暂时脱离原有的模板链而与同源染色体中另外一条互补的DNA母链杂交,并以这条互补链为模板,继续复制直到它重新回归到原有的模板链(这种机制又被称为复制选择)。如果这种基因转换复制正好发生在已失活的Rb基因所在的染色体区,那么子代DNA链的Rb基因就会发生杂合性缺失。这种基因转换的发生频率在每代细胞复制过程中甚至要高于有丝分裂重组。

图7-1-6:基因转换

03.色体不分离:在多种肿瘤中,有丝分裂过程中染色体的分离不当引起染色体整条丢失。在子代细胞内,染色体不分离所产生的3条染色体中的一条将被随机丢失,从而导致携带两个同型基因拷贝的染色体被最终保留下来。

图7-1-7:染色体不分离与杂合性缺失

参考书目:《The Biology of Cancer》(Second Edition)  R.A.Weinberg  著,詹启敏 等  译  
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