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恶性肿瘤生长的分子机制概述---多阶段基因突变学说 从分子生物学的角度，恶性肿瘤可视为基因的疾病，是因某些染色体上的DNA损伤致使基因突变的结果，导致细胞的生长失控、缺乏分化而异常增生，并可侵犯正常组织和器官，最终可散布全身。肿瘤是由基因突变而导致异常增生的单个细胞，这种异常增生细胞克隆出来的后裔所形成。然而，肿瘤的克隆性起源并不意味着产生肿瘤的原始细胞从一开始就已获得了恶性细胞的所有特征。相反，恶性肿瘤的发生是一个多阶段逐步演变的过程，肿瘤细胞是通过一系列进行性的改变而逐渐变成恶性的。在这种克隆性演化过程中，常积累一系列的基因突变，可涉及不同染色体上多种基因的变化，包括:癌基因（oncogenes）、肿瘤抑制基因（tumor suppressor genes）、细胞周期调节基因（cell cycle regulator genes）、细胞凋亡基因（cell apoptosis genes）及维持细胞基因组稳定性的基因（包括：DNA修复、DNA复制及染色体分离基因）等。这些基因的变化，有的是从种系细胞（germ-line cells）由遗传得来，有的则是从体细胞（somatic cells）由环境因素引起而后天获得的，故癌症有遗传性（hereditary）和散发性（sporadic）之别。在肿瘤进展过程中，肿瘤细胞群中常有另外的基因突变发生，授予细胞选择性优势，例如更快速的生长，或具有侵犯和转移的特性，使它们在肿瘤细胞群中占据优势（成为显性），该过程称为克降性选择。通过克隆性选择，肿瘤变得更快速生长和增加恶性表型。 从接角致癌剂到癌症的临床症状出现，常有一个相当长的潜伏期，对人的致癌过程中，可长达4-30年之久，平均15-20年，故大多癌症发生在生命的晚期。这也正说明癌症的发生是由多种基因异常在多年的阶段中积累的结果。在实验动物中，潜伏期可仅1-2周或长达2-12个月以上。潜伏期的长短也反映了机体寿命的一个可估计的阶段。通过几咱动物实验性致癌模型：如小鼠或兔耳皮肤涂煤焦油，随后再施加创伤或涂巴豆油诱发皮肤癌；或让大鼠先用2-乙酰氨基芴，再用苯巴比妥诱发肝癌，以及在这些实验性研究的基础上，再加上对人类癌症的流行病不研究，提出了癌症多阶段发病的概念，把致癌过程分为三个阶段：启动期（initiation）,促进期(promotion)和进展（progression）期。这个概念适用于大多数人和实验性致癌情况。表1-1列举了在人类中多阶段至癌的例子。 表1-1 在人类中多阶段致癌的例子 启动期 促进期 癌前病变 进展期 癌症类型 ＃ 此表引自Pitot,H.C.:Multistage carcinogenesis.所列内容仅为代表性，并非详尽无遗，某一因子在某一期的作用并不排斥它在另一期中作用 * “自发性”在此指由某种周围环境中的处源性因子，或内源性因子引起 由环境因素和遗传因素引起的大多数人类肿瘤中，肿瘤发生的多阶段特性都很明显。但在有些实验性肿瘤中，特别由大剂量化学致癌剂、电离辐射或生物因子诱发的肿瘤中，促进期可以被完全绕过，甚至启动期和进展期可以融为一期。连续各期之间的过渡可以被不同的因子所加强或抑制。各期均涉及细胞和基因水平上不同的机制，并显示不同的生物学特征。 一、 启动 癌症的启动是指致癌剂在细胞的基因组中引起某些不可逆的变化（突变）。已确定的致癌剂包括致癌的化学物质、电离辐射、特殊病毒以及内源性代谢反应产生的氧自由基等，它们可以造成DNA、细胞膜或蛋白质的损伤，引起基因突变或改变基因表达，或基因以外的变化（epigecomic changes），如异常的DNA甲基化，导致细胞过度增殖和去分化，从而引起致癌过程。不同致癌剂可作用于DNA分子的不同部位，并引起DNA结构的不同变化，或形成DNA的加合物（adducts）。在DNA复制过程中，这些加合物可引起编码的错误或非指导性复制，从而引起突变。此外，有些致癌剂可通过破坏核苷酸、引起嘧啶残基的交联、嘌呤自发地脱落及胞嘧啶自发地脱氨基变成尿嘧啶，或通过苷酸划配等引起DNA损伤。DNA的损伤通常可通过不同的DNA修复机制修复，该修复包括：碱基切除、核苷酸切除、直接逆转、重组修复及错配修复等（表1-2）。 表1-2 由化学和放射致癌剂引起的DNA主要的结构变化和修复途径 致癌剂 DNA结构变化 修复途径 这些因子在细胞内可引起许多基因的突变，包括前癌基因和肿瘤抑制基因。它们可通过简单的转换、颠换、或小的缺失，也可由基因列的改变、插入基因序列组内，基因的扩增，或两个正常基因融合产生一嵌合的基因等机制而发生。在关键的基因中诱发突变，是导致瘤发生的启动事件。甚至极低剂量的致癌剂也可引起启动，而这种低剂量是人们往往会接触到的。因此，在人和动物体内常自发地或诱发地产生启动细胞，使启动成为一种常见的事件。 启动细胞并非已转化的细胞，它们并没有生长的自主性或独特的表型特征。然而，它们又不同于正常细胞，常伴有干细胞的特征，当受促进因子刺激时会引起肿瘤发生。故启动细胞的鉴定，常藉确定促进期或进展期病变的特征，或藉启动细胞后裔的克隆性来推论。例如前述两种经仔细研究过的多阶段致癌模型：在小鼠皮肤癌模型中，化学致癌剂启动的靶细胞是表皮干细胞，一各称为“暗细胞”特殊形态的基底角化细胞，可能代表这种靶细胞。而最早可以被识别的病变，如表皮乳头状瘤是单克隆性的。在大鼠肝癌模型中，表达胚胎型谷胱甘肽S-转移酶的肝细胞是一种启动细胞，其局灶性生长也是单克隆性的，表明这些细胞已启动。迄今在所有启动期无共同的突变形式，也无鉴定单个启动细胞的客观指标，这些均有待进一步研究。 二、 促 进 启动性致突变作用在细胞内的表达大多需要随捕捞接触促进剂。促进剂是通过刺激细胞增生而不是诱发突变而对肿瘤发生起作用，它本身无或仅有极微弱的致癌作用，但反复使用能增加细胞分裂，使启动细胞产生肿瘤发生早期所需的增生细胞群，并可形成良性肿瘤。它们的作用相对短暂，且在细胞和组织水平上是可逆的。 肿瘤促进剂包括许多能改变基因表达的物质：最经典的例子是佛波酯（phorbol ester）,它们通过激活蛋白激酶C刺激细胞增生而起作用。小鼠皮肤癌的研究显示：致癌剂虽能致突变而启动，但肿瘤并不发生，直到用佛波酯 处理突变的细胞增生后才长出肿瘤。其他许多合成的和自然的化学物质，如多肽、固醇类激素及生长因子等，均通过受体机制介导它们的作用，或改变基因表达的特性、或刺激细胞的繁殖、或抑制细胞的凋亡而起到肿瘤促进剂的作用。特别侃雌激素，在人类某些癌症的发生中作用为肿瘤的促进剂而受重视。如停经后长期应用雌激素使子宫内膜癌的危险增加，需要给予孕酮来对抗雌激素的作用，以减少这种危险。表1-3列举已知的促进剂-受体相互作用的例子。 表1-3在多阶段致癌中促进剂与受体相互作用的例子 促 进 剂 * TPA：Tetradecanoylphorbol acetate,十四烷酰佛波醇乙酯；TCDD：2，3，7，8-tetrachoroibenzo-p- dioxin;BHT:Butylated hydroxytoluene;BHA:butylated hydroxyanisole;EGF:表皮生长因子 迄今，在实验性研究中用得较多的促进剂是佛波酯类，如TPA，它与其受体蛋白激酶C在细胞膜上相互作用。此酶是信息转导途径中的关键成分，介导生长因子及其受体的作用。其活化可引起许多底物磷酸化，并通过一系列反应导致加强或抑制基因表达。因此，特蛋的促进剂只能促进启动细胞的特异亚群的繁殖和克隆性发育。这种选择性促进的效应可以相加。经常接触多种肿进剂，如食物、激表及外源性化学促进剂，它们的产应可相加，引起启动细胞的克隆性扩增和异常的分化，从而致癌。 三、 进 展 癌症的进展是指由良性肿瘤转变为恶性肿瘤，并进一步演变成更具恶性表型的肿瘤的过程，表现为：自主性和异质性增加，生长加速，侵袭性加强，出现浸润和转移的恶性生物学行为及对抗癌药物的耐药性等。当细胸怀工始失去维持核型稳定的能力和显示染色体异常时，它们即进入进展期。起初，这种改变可以非常微细而难以鉴定，但当用染色体分带技术仔细研究时，可以发现核型的畸变，并随肿瘤的继长而出现越来越多的核型畸变和染色体不稳定性。由核型不稳定性引起的许多分子生物学和细胞功能改变有：异倍体中其因组结构的变化、染色体易位、转座因子（如LINE-1,Alu,RSR）的移动加强、染色体内的节段缺失、基因和染色单体扩增、DNA转染效率增强；核型不稳定性引起的功能改变有：“胎儿基因”表达、激素和生长因子的异位表达和产生、前癌基因和细胞性癌基因的活化和抑制、细胞表面MHC抗原表达的丧失、对药物和生物异源物质的抵抗性加强、肿瘤抑制基因功能丧失。 核型不稳定性的后果不仅可加强肿瘤细胞的生长，而且可引起细胞代谢调节机的改变，并使肿瘤细胞能逃避机体的免疫监视，及对抗癌药物的耐药性等。核型不稳定性的机制是多方面的：既有DNA的破坏和基因突变的修复机制缺陷；也有前癌基因（如c-mos,c-myc）、肿瘤抑制基因（如p53,Rb）和细胞周期调节基因（如周期素、cdks、蛋白激酶及磷酸化酶的基因）的产物水平和结构改变。迄今已克隆十余种人类DNA修复基因，它们的缺陷或突变可引起核型的不稳定性，有的表现为某些常染色体隐性遗传性疾并诱发某些癌症：如色素沉着性干皮病和皮肤病（XP基因），毛细血管扩张-共济失调症和恶性淋巴瘤（ATM基因），Fanconi贫血和白血病（FA基因）；有的则能过错配修复基因（Mismatch repair egnes）,如hMSH2、hMLH1、hPMS1、hPMS2等的突变经起微卫星体不稳定性（Microsatellite Instability,MSI）,在基因组中出现短的重复序列（二，三，或四核苷酸重复序列如CACACACA……）的变化。这种现象在90％遗传性非息肉症性结肠癌（HNPCC）患者中出现；也曾在某些散发性癌症患者中检出，特别是起源于包括结肠、子宫内膜、胰腺、食管和胃等内胚层组织的癌。有不同癌症中发现MSI的现象，对癌症作用一种“增变表型（mutator phenotype）”提供了有力的证据，说明错配修复基因的突变降低了纠正DNA复制错误的能力。MSI可作为整个基因组中DNA复制错误增多的一种指标，是肿瘤中基因不稳定性一项灵敏的标志。此外，细胞周期调节基因的突变也可导致更多的基因不稳定性，使癌细胞中积累更多的突变。通过上述变化，肿瘤进入越来越恶性的阶段。进展期是一个动态的过程，其与促进期的主要区别是出现核型不稳定性及由它演变而引起染色体异常。 表1-4总结了致癌过程中三期主要的生物学特征。 表1-4致癌过程中启动、促进和进展期的主要生物学特征 启 动 期 应该指出，虽然在动物实验性致癌模型中，致癌过程的划分常可明期，但在人的实际情况中，由于可同时或反复接触启动剂、促进剂或致癌剂，而且有如表1-1所示，一种因素可以起多种作用（如吸烟既有启动作用），因此可能会有反复的DNA损伤、促进、细胞克隆性扩增等循环地进行，肿瘤分期就不那么清楚。最近研发现，这种严格的划分已起出了它们的实际用途。致癌的分期有时并不一定按照以前描述的程序发生。重要的是要了解多阶段致癌机制后如何控制癌症：由于启动剂到处存在很难完全避免人们接触启动剂，因此不能完全消除它在人体中发生启动的可能性，目前最可能控制癌症发生的环节是对促进期进行化学预防，如改变生活方式（停止吸烟、合理饮食和生活习惯），以及予以促进剂的抑制剂（如维生素A类）、抑制促进期转变成进展期的抑制剂（如抗氧化剂）等。随着更多地了解肿瘤发生的分子机制，将能进一步增加防治癌症的效率。 表1-1 在人类中多阶段致癌的例子 启动期 促进期 癌前病变 进展期 癌症类型 ＃ 此表引自Pitot,H.C.:Multistage carcinogenesis.所列内容仅为代表性，并非详尽无遗，某一因子在某一期的作用并不排斥它在另一期中作用 * “自发性”在此指由某种周围环境中的处源性因子，或内源性因子引起 由环境因素和遗传因素引起的大多数人类肿瘤中，肿瘤发生的多阶段特性都很明显。但在有些实验性肿瘤中，特别由大剂量化学致癌剂、电离辐射或生物因子诱发的肿瘤中，促进期可以被完全绕过，甚至启动期和进展期可以融为一期。连续各期之间的过渡可以被不同的因子所加强或抑制。各期均涉及细胞和基因水平上不同的机制，并显示不同的生物学特征。 一、 启动 癌症的启动是指致癌剂在细胞的基因组中引起某些不可逆的变化（突变）。已确定的致癌剂包括致癌的化学物质、电离辐射、特殊病毒以及内源性代谢反应产生的氧自由基等，它们可以造成DNA、细胞膜或蛋白质的损伤，引起基因突变或改变基因表达，或基因以外的变化（epigecomic changes），如异常的DNA甲基化，导致细胞过度增殖和去分化，从而引起致癌过程。不同致癌剂可作用于DNA分子的不同部位，并引起DNA结构的不同变化，或形成DNA的加合物（adducts）。在DNA复制过程中，这些加合物可引起编码的错误或非指导性复制，从而引起突变。此外，有些致癌剂可通过破坏核苷酸、引起嘧啶残基的交联、嘌呤自发地脱落及胞嘧啶自发地脱氨基变成尿嘧啶，或通过苷酸划配等引起DNA损伤。DNA的损伤通常可通过不同的DNA修复机制修复，该修复包括：碱基切除、核苷酸切除、直接逆转、重组修复及错配修复等（表1-2）。 表1-2 由化学和放射致癌剂引起的DNA主要的结构变化和修复途径 致癌剂 DNA结构变化 修复途径 这些因子在细胞内可引起许多基因的突变，包括前癌基因和肿瘤抑制基因。它们可通过简单的转换、颠换、或小的缺失，也可由基因列的改变、插入基因序列组内，基因的扩增，或两个正常基因融合产生一嵌合的基因等机制而发生。在关键的基因中诱发突变，是导致瘤发生的启动事件。甚至极低剂量的致癌剂也可引起启动，而这种低剂量是人们往往会接触到的。因此，在人和动物体内常自发地或诱发地产生启动细胞，使启动成为一种常见的事件。 启动细胞并非已转化的细胞，它们并没有生长的自主性或独特的表型特征。然而，它们又不同于正常细胞，常伴有干细胞的特征，当受促进因子刺激时会引起肿瘤发生。故启动细胞的鉴定，常藉确定促进期或进展期病变的特征，或藉启动细胞后裔的克隆性来推论。例如前述两种经仔细研究过的多阶段致癌模型：在小鼠皮肤癌模型中，化学致癌剂启动的靶细胞是表皮干细胞，一各称为“暗细胞”特殊形态的基底角化细胞，可能代表这种靶细胞。而最早可以被识别的病变，如表皮乳头状瘤是单克隆性的。在大鼠肝癌模型中，表达胚胎型谷胱甘肽S-转移酶的肝细胞是一种启动细胞，其局灶性生长也是单克隆性的，表明这些细胞已启动。迄今在所有启动期无共同的突变形式，也无鉴定单个启动细胞的客观指标，这些均有待进一步研究。 二、 促 进 启动性致突变作用在细胞内的表达大多需要随捕捞接触促进剂。促进剂是通过刺激细胞增生而不是诱发突变而对肿瘤发生起作用，它本身无或仅有极微弱的致癌作用，但反复使用能增加细胞分裂，使启动细胞产生肿瘤发生早期所需的增生细胞群，并可形成良性肿瘤。它们的作用相对短暂，且在细胞和组织水平上是可逆的。 肿瘤促进剂包括许多能改变基因表达的物质：最经典的例子是佛波酯（phorbol ester）,它们通过激活蛋白激酶C刺激细胞增生而起作用。小鼠皮肤癌的研究显示：致癌剂虽能致突变而启动，但肿瘤并不发生，直到用佛波酯 处理突变的细胞增生后才长出肿瘤。其他许多合成的和自然的化学物质，如多肽、固醇类激素及生长因子等，均通过受体机制介导它们的作用，或改变基因表达的特性、或刺激细胞的繁殖、或抑制细胞的凋亡而起到肿瘤促进剂的作用。特别侃雌激素，在人类某些癌症的发生中作用为肿瘤的促进剂而受重视。如停经后长期应用雌激素使子宫内膜癌的危险增加，需要给予孕酮来对抗雌激素的作用，以减少这种危险。表1-3列举已知的促进剂-受体相互作用的例子。 表1-3在多阶段致癌中促进剂与受体相互作用的例子 促 进 剂 * TPA：Tetradecanoylphorbol acetate,十四烷酰佛波醇乙酯；TCDD：2，3，7，8-tetrachoroibenzo-p- dioxin;BHT:Butylated hydroxytoluene;BHA:butylated hydroxyanisole;EGF:表皮生长因子 迄今，在实验性研究中用得较多的促进剂是佛波酯类，如TPA，它与其受体蛋白激酶C在细胞膜上相互作用。此酶是信息转导途径中的关键成分，介导生长因子及其受体的作用。其活化可引起许多底物磷酸化，并通过一系列反应导致加强或抑制基因表达。因此，特蛋的促进剂只能促进启动细胞的特异亚群的繁殖和克隆性发育。这种选择性促进的效应可以相加。经常接触多种肿进剂，如食物、激表及外源性化学促进剂，它们的产应可相加，引起启动细胞的克隆性扩增和异常的分化，从而致癌。 三、 进 展 癌症的进展是指由良性肿瘤转变为恶性肿瘤，并进一步演变成更具恶性表型的肿瘤的过程，表现为：自主性和异质性增加，生长加速，侵袭 性加强，出现浸润和转移的恶性生物学行为及对抗癌药物的耐药性等。当细胸怀工始失去维持核型稳定的能力和显示染色体异常时，它们即进入进展期。起初，这种改变可以非常微细而难以鉴定，但当用染色体分带技术仔细研究时，可以发现核型的畸变，并随肿瘤的继长而出现越来越多的核型畸变和染色体不稳定性。由核型不稳定性引起的许多分子生物学和细胞功能改变有：异倍体中其因组结构的变化、染色体易位、转座因子（如LINE-1,Alu,RSR）的移动加强、染色体内的节段缺失、基因和染色单体扩增、DNA转染效率增强；核型不稳定性引起的功能改变有：“胎儿基因”表达、激素和生长因子的异位表达和产生、前癌基因和细胞性癌基因的活化和抑制、细胞表面MHC抗原表达的丧失、对药物和生物异源物质的抵抗性加强、肿瘤抑制基因功能丧失。 核型不稳定性的后果不仅可加强肿瘤细胞的生长，而且可引起细胞代谢调节机的改变，并使肿瘤细胞能逃避机体的免疫监视，及对抗癌药物的耐药性等。核型不稳定性的机制是多方面的：既有DNA的破坏和基因突变的修复机制缺陷；也有前癌基因（如c-mos,c-myc）、肿瘤抑制基因（如p53,Rb）和细胞周期调节基因（如周期素、cdks、蛋白激酶及磷酸化酶的基因）的产物水平和结构改变。迄今已克隆十余种人类DNA修复基因，它们的缺陷或突变可引起核型的不稳定性，有的表现为某些常染色体隐性遗传性疾并诱发某些癌症：如色素沉着性干皮病和皮肤病（XP基因），毛细血管扩张-共济失调症和恶性淋巴瘤（ATM基因），Fanconi贫血和白血病（FA基因）；有的则能过错配修复基因（Mismatch repair egnes）,如hMSH2、hMLH1、hPMS1、hPMS2等的突变经起微卫星体不稳定性（Microsatellite Instability,MSI）,在基因组中出现短的重复序列（二，三，或四核苷酸重复序列如CACACACA……）的变化。这种现象在90％遗传性非息肉症性结肠癌（HNPCC）患者中出现；也曾在某些散发性癌症患者中检出，特别是起源于包括结肠、子宫内膜、胰腺、食管和胃等内胚层组织的癌。有不同癌症中发现MSI的现象，对癌症作用一种“增变表型（mutator phenotype）”提供了有力的证据，说明错配修复基因的突变降低了纠正DNA复制错误的能力。MSI可作为整个基因组中DNA复制错误增多的一种指标，是肿瘤中基因不稳定性一项灵敏的标志。此外，细胞周期调节基因的突变也可导致更多的基因不稳定性，使癌细胞中积累更多的突变。通过上述变化，肿瘤进入越来越恶性的阶段。进展期是一个动态的过程，其与促进期的主要区别是出现核型不稳定性及由它演变而引起染色体异常。 表1-4总结了致癌过程中三期主要的生物学特征。 表1-4致癌过程中启动、促进和进展期的主要生物学特征 启 动 期 应该指出，虽然在动物实验性致癌模型中，致癌过程的划分常可明期，但在人的实际情况中，由于可同时或反复接触启动剂、促进剂或致癌剂，而且有如表1-1所示，一种因素可以起多种作用（如吸烟既有启动作用），因此可能会有反复的DNA损伤、促进、细胞克隆性扩增等循环地进行，肿瘤分期就不那么清楚。最近研发现，这种严格的划分已起出了它们的实际用途。致癌的分期有时并不一定按照以前描述的程序发生。重要的是要了解多阶段致癌机制后如何控制癌症：由于启动剂到处存在很难完全避免人们接触启动剂，因此不能完全消除它在人体中发生启动的可能性，目前最可能控制癌症发生的环节是对促进期进行化学预防，如改变生活方式（停止吸烟、合理饮食和生活习惯），以及予以促进剂的抑制剂（如维生素A类）、抑制促进期转变成进展期的抑制剂（如抗氧化剂）等。随着更多地了解肿瘤发生的分子机制，将能进一步增加防治癌症的效率。 |