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1、第九章 疾病与人类健康9. 1 肿瘤与癌症癌（cancer）是一群不受生长调控而繁殖的细胞，也称恶性肿瘤。与此相对应的良性肿瘤是一群仅局限在自己的正常位置，且不侵染周围其它组织和器官的细胞。因此，绝大多数癌是由肿瘤细胞经过一系列突变转化而来的 。1经典单基因病。至今已发现6，000余种，主要病因是某个基因位点上产生了缺陷等位基因。多基因病。涉及多个基因及调控这些基因表达的环境因子之间的相互作用。大多数人类疾病，特别是危害较大的高血压、糖尿病、骨质疏松、精神及神经病等，都属于这一范畴。2获得性（acquired）基因病。主要是由病原微生物感染引起的传染病，虽然不符合经典的“世代遗传”方式，但基本
2、上是病原微生物基因组与人类基因组相互作用的结果，都涉及基因结构与表达模式的改变。 34癌基因（oncogene）：促进细胞增生，这类 基因往往常发生功能 突变。抑癌细胞（tumor suppressor gene, TSGs）: 抑制细胞生长。抑癌基因的活性下降（功能缺失突变）是引起癌变的另一个原因。 59. 1. 1 反转录病毒致癌基因Rous在1910年发现带有单链RNA肉瘤病毒（一种反转录病毒）的鸡肉瘤无细胞滤液能在鸡体内诱发新的肉瘤。6该病毒基因组为6-9kb，RNA上的基因数目很少，被包裹在由gag和env两个基因编码的蛋白质外壳中，其中env基因指导外壳蛋白的合成，gag基因则指导
3、“鞘”蛋白的合成，这些“鞘”蛋白好像“道钉”一样“箍”在外壳的表面，维持外壳蛋白结构的稳定性。7该反转录酶再以病毒RNA为模板，转录出单链DNA分子，利用宿主DNA聚合酶指导合成第二条DNA链，以双链DNA形式整合到宿主细胞基因组中。被整合的反转录病毒DNA分子称为原病毒（provirus），它能指导病毒mRNA的合成，并利用宿主细胞中的蛋白质合成机器，翻译生成病毒外壳蛋白等，最后组装成病毒颗粒。 8图9-2 反转录病毒颗粒示意图 9DNA病毒包括乙型肝炎病毒、SV40和多瘤病毒、乳头瘤病毒、腺病毒、疱疹病毒和痘病毒。RNA病毒主要是反转录病毒。反转录病毒致癌基因（retrovirus onc
4、）可能是研究最多的病毒基因，它们能使靶细胞发生恶性转化。10反转录病毒的复制是由其自身基因组上pol基因编码的反转录酶指导完成的。当该病毒感染细胞时，pol基因就被宿主的RNA聚合酶II转录，产生pol mRNA，并在宿主核糖体上合成包括反转录酶、整合酶等多个病毒复制和整合所需要的酶类。 11图9-3 反转录病毒基因结构示意图 12该反转录酶再以病毒RNA为模板，转录出与病毒RNA序列互补的单链DNA分子，并以此为模板，利用宿主DNA聚合酶指导合成第二条DNA链，以双链DNA形式整合到宿主细胞基因组中。 13图9-4 反转录病毒插入引起c-myc基因活化的几种可能途径 。14最早研究的致癌基因
5、可能是劳斯氏（Rous）肉瘤病毒中的V-Src基因，编码被称为p60Src的蛋白质。该蛋白是514个氨基酸的磷酸化蛋白，其C端250个氨基酸是活性区域，负责将磷酸基团移到酪氨酸残基上，可使多个靶蛋白发生磷酸化而影响其功能，加速细胞癌变的过程。 15图9-5 劳斯氏肉瘤病毒基因结构及c-Src原癌基因的转变 16V-onc基因的起源研究发现，反转录病毒基因组中所带有的 onc基因并非来自病毒本身，而是这些病毒在感染动物或人体之后获得的细胞原癌基因。动物或人原癌基因经病毒修饰和改造后，成为病毒基因组的一部分并具有了致癌性，其作用的靶分子也往往发生改变。 17癌基因（oncogene）可分为两大类：
6、一类是病毒癌基因（viral oncogene，V-onc），编码病毒癌基因的主要有DNA病毒和RNA病毒。第二类是细胞转化基因（C-onc），它们能使正常细胞转化为肿瘤细胞，这类基因与病毒癌基因有显著的序列相似性。18根据反转录病毒转化细胞的能力，可分为：1、急性转化型1）感染动物后，很短时间（几天或几周）就出现实体瘤或白血病。2）所带的癌基因一般位于病毒基因组内部，也可位于基因组的3端，但不会插入结构基因内部。3）具有体外转化细胞的能力。192、非急性转化型。感染寄主后，需要较长时间（几个月，几年或数十年)才会致癌。20研究发现，反转录病毒基因组中所带有的onc基因并非来自病毒本身，而是这
7、些病毒在感染动物或人体之后获得的细胞原癌基因 。在肿瘤细胞中，“生长控制点”不起作用，所以瘤细胞一直处于细胞周期循环之中 。21细胞数量培养时间（天）癌细胞+血清生长因子癌细胞-血清生长因子正常细胞-血清生长因子正常细胞+血清生长因子22图9-6 上表皮癌的发生过程示意图 239. 1. 2 原癌基因（细胞转化基因）产物及分类除病毒感染诱发细胞癌变外，许多非病毒因子 （如放射性物质、化学试剂亚硝酸、烷化剂等）也能诱导细胞转化。这些因子没有把致癌基因或其他致癌的遗传信 息带入细胞，而通过某种激活机制改变了细胞 内原有的遗传信息，使细胞发生恶性转化。研 究证明，致癌因子导致基因突变 。24图9-7
8、 黄曲霉素（aflatoxin）导致细胞发生癌变的分子机制 25根据原癌基因产物在细胞中的位置，分为3类：1、与膜结合的蛋白，主要有erbB、neu、fms、mas和Src基因产物；2、可溶性蛋白，包括mos、sis和fps基因产物；3、核蛋白，包括myc、ets、jun和myb等。26根据这些蛋白的功能，它们又常被分为6大类，即蛋白激酶类、生长因子类、生长因子受 体类，GTP结合蛋白类、核蛋白类和功能未知类（表9-2）。 279. 1. 3 原癌基因的表达调控原癌基因在正常细胞中通常以单拷贝形式存在，只有低水平的表达或根本不表达。在很多情况下，原癌基因的结构发生了点突变或插入、重排、缺失及扩
9、增等，改变其转录活性。28图9-8 细胞中原癌基因转变为癌基因的主要途径 291.点突变研究发现，ras基因编码了一个分子量为2.1104癌蛋白（p21），从人类膀胱癌细胞系T24 DNA中克隆的Ha-ras基因能够诱发NlH/3T3细胞转化，而从正常细胞DNA中克隆的该原癌基因没有这种功能。30人类肺癌细胞系Hs242的转化基因与Ha-ras高度相似，在这个基因中导致转化活性的遗传损伤是第二个外显子中引起p21蛋白第61位谷氨酰胺被亮氨酸所替代的一个点突变，进而引起蛋白质构象的改变，使细胞获得转化活性。31图9-9 ras基 因的点突变 及转化活性 分析 。322. LTR插入。LTR是逆转
10、录病毒基因组两端的长末端重复序列（long terminal repeat），含有强启动子序列，当LTR插入原癌基因启动子区域或邻近部位后，可从根本上改变基因的正常调控规律。LTR插入到c-myc 5上游启动子附近，使c-myc的转录水平大大增加。333. 基因重排。正常情况下，c-myc定位于8q24，免疫球蛋白重链基因（IgH）定位于14q32，轻链基因（Ig）定位于22q12，轻链k基因（Igk）定位于2p11，。在Burkitt淋巴瘤中，c-myc易位至IgH、Igk或Ig的位点，使Ig基因与c-myc相连在一起，Ig基因启动子使原来不表达的c-myc高表达。34在正常人体细胞中，非受
11、体型酪氨酸蛋白激酶基因abl位于第9号染色体上，表达量极低，不会诱发癌变。在慢性骨髓瘤病人细胞中，该基因却被转移到第22号染色体上，与bcr基因相融合，表达量大为提高。 35图9-10 abl原癌基因通过选择性染色体重排转变成细胞癌基因 364. 缺失。很多原癌基因5上游区存在负调控序列，一旦该序列发生缺失或突变，就丧失抑制基因表达调控的能力。如Burkitt淋巴瘤中C-myc可因负调控序列的缺失或LTR插入破坏其结构而增强表达。5. 基因扩增。使每个细胞中基因拷贝数增加，从而直接增加可用的转录模板。 379. 1. 4 基因互作与癌基因表达1. 染色体构象对原癌基因表达的影响。基因表达不仅取
12、决于基因本身及其相邻区域的一级结构，也取决于其空间构象，即基因在染色体上的空间排列和染色质的结构。当两个基因相距太近时，往往不易形成有利于高效转录的空间结构。38基因与基因之间的间隔距离被定义为“基因领域”（gene territory）。同一DNA链上两个具有相同转录方向的基因间隔小于一定长度时，影响有效转录所必需的染色质结构的形成，从而使这两个基因中的一个或两个均不能转录或转录活性显著降低，产生所谓基因领域效应（gene territorial effect）。39正常人c-myc定位于第8号染色体，在其两侧分别存在强表达的基因，使c-myc处于两面受夹击的地位。在Burkitt淋巴瘤中，
13、由于发生基因重排，使c-myc基因一侧的强表达基因消失，从而消除了对c-myc的基因领域效应，使后者的转录活性增强。40小鼠细胞中，c-myc的5上游区域也存在一个强表达基因，全长15kb，距c-myc只有3kb。很显然，这一间隔距离太短，与基因有效转录应有的最小距离相差甚远，c-myc受基因领域效应的影响非常大，表达受抑制。在小鼠乳腺癌细胞中，上述间隔距离被显著拉长，激活c-myc转录。412. 原癌基因终产物对基因表达的影响。癌基因产物通过介质传递生长刺激信号的部 位有3处：癌基因产物本身模拟了生长因子，因而与 相应的受体作用，以自分泌的方式刺激细胞 生长；癌基因产物模拟了已结合配体的生长
14、因子 受体，从而在无外源生长因子时提供了促进 细胞分裂的信号；42癌基因产物作用于细胞内生长控制途径，解除此途径对外源刺激信号的需求。人血小板衍生生长因子（PDGF）与猴肉瘤病毒（SSV）的V-ras癌基因产物，上皮生长因子（EGF）与Src及V-erb癌基因产物之间都存在着极高的相似性，表明生长因子与癌基因转化有关。433. 抑癌基因产物对原癌基因的调控。因为抑癌基因产物能够抑制细胞的恶性增殖，所以它被认为是一种隐性癌基因。当细胞内由于某种原因造成这些基因的表达受抑制时，原癌基因就活跃表达，引起细胞癌变。44p53基因，Guardian of the genome1990年，科学家首次发现p
15、53是一个肿瘤抑制基因。缺失该基因时，患Li-Fraumeni Syndrome。此外，病人极易患乳腺癌，脑癌和白血病。45p53基因在星形细胞癌、乳癌、肺癌、肠癌及骨肉瘤中都有高频率缺失现象。从癌细胞中得到的p53基因，其保守序列区有单一位点的突变，推测可能由于这一突变导致p53基因产物结构与功能的改变，失去抑癌活性。46磷酸化DNA损伤磷酸化与BRCA2及 mRAD51协同作 用，通过同源重 组的方式完成双 链DNA损伤修复激活细胞周期调控 机制，停止DNA合 成，启动DNA损伤 修复。47p53基因中最常见的单碱基突变所造成的氨基酸 改变. 4849p53基因与细胞癌变a.正常情况下，细
16、胞分裂与p53基因无关；b.如果细胞中受损，p53基因被激活，使细胞受阻于阶段直到被修复或 启动细胞凋亡程序；c.如果细胞中p53基因的两个拷贝同时被破坏，细胞可能死于有丝分裂过程中，也可能带着损伤继续分裂，导致恶性肿瘤 50DNA损伤P53含量升高 ，G1停滞细胞在DNA修 复后继续分裂或者发生 细胞凋亡(a) (b)51没有p53基因 没有G1停滞带有DNA损伤的细 胞分裂，细胞的倍 性发生变化DNA损伤有丝分裂失败, 细胞死亡癌变C52Rb基因是从视网膜纤维瘤中克隆到的另一个抑癌基因，其功能是阻止处于G0/G1期的细胞进入S期，从而控制细胞增殖。正常Rb基因的表达几乎可抑制所有培养细胞的分裂。 53CDK4/cyclin D复 合物使pRb磷酸化非活性转录调控因子转录调控因子有活性基因表达，细胞顺利通 过一个细胞周期靶基因544. 外源信号对原癌基因表达的影响。细胞外信号（包括生长因子、激素、神经递质、药物等）作用于靶细胞后，通过细胞膜受体
