腫瘤細胞遺傳學

1、腫瘤是一大類疾病，種類在100種以上，涉及到人體的多個臟器和組織,,據(jù)衛(wèi)生部統(tǒng)計中心近年來的統(tǒng)計資料，惡性腫瘤已居我國城市居民主要死因的第一位，居農(nóng)村居民死因的第二位。,腫瘤：一群生長失去正常調(diào)控的細胞形成的新贅生物（neoplasm）85%為癌(carcinoma)2%為肉瘤(sarcoma)5%為淋巴瘤(lymphoma) 3%為白血病(leukemia),What is cancer ?,間葉組織（結(jié)締組織、脂肪、

2、肌肉、脈管、骨、軟骨）,造血組織,脾、淋巴結(jié),上皮細胞,致癌因子,盡管人們都接觸各種致癌因子，但并非人人都發(fā)生腫瘤，這表明還存在個體的易感性。個體易感性在很大程度上是遺傳因素決定的。,腫瘤與遺傳,由此可見：,腫瘤的發(fā)生是環(huán)境和遺傳因素共同決定的。,Lynch癌家族部分系譜,典型的癌家族——G家族：歷經(jīng)80余年（1895～1976）共5次調(diào)查，傳7代共10個支系，842名后裔中有95名癌癥患者，分別為結(jié)腸癌、子宮內(nèi)膜癌、腺癌等。,Ald

3、red Scott Warthin,Henry Lynch,腫瘤細胞遺傳學,染色體異常與腫瘤基因改變與腫瘤腫瘤發(fā)生的遺傳學說遺傳性惡性腫瘤舉例,I. 染色體異常與腫瘤,幾乎所有腫瘤細胞都有染色體異常，此乃癌細胞最重要的特征之一。染色體受到環(huán)境中物理、化學和生物等因素直接或間接的損傷是發(fā)生腫瘤的基礎(chǔ)。,(一) 腫瘤染色體理論的提出,1914，腫瘤的染色體理論,腫瘤細胞是具有染色體異常的有缺陷的細胞染色體畸變是引起正常細胞向惡性

4、轉(zhuǎn)化的主要原因,腫瘤細胞來源于正常細胞,Theodor Boveri,(二)腫瘤細胞的染色體異常,起源細胞46,,stem line干系,side line旁系,,突變因子,腫瘤細胞的染色體，受內(nèi)、外環(huán)境因素影響不斷發(fā)生變異、演化，形成多種不同的核型。其中，細胞獲得增長優(yōu)勢,并變成占主導地位的細胞系，稱為干系。,2.腫瘤染色體的結(jié)構(gòu)異常,腫瘤細胞,斷裂,缺失,環(huán)狀染色體,微小體,雙著絲粒染色體,易位,重復,,標記染色體（mark

5、er chromosome),超二倍體,亞二倍體,多倍體,1.染色體數(shù)目異常類型,費城染色體（Philadelphia chromosome, Ph） 1960年, 在美國費城的慢性粒細胞白血病患者骨髓和外周血淋巴細胞中，發(fā)現(xiàn)一個很小的近端著絲粒染色體，小于G組染色體, 被稱為Ph染色體。 95% 原因： der(22) t(9；22)(q34；q11.2) 易位

6、 結(jié)果導致9q+ 和22q-（ Ph）,,,Henrietta Lacks,HeLa細胞,HeLa細胞基因組,t（9；22）（q34；q11） 9q+和22q-（ Ph1）（95%）,,14q+染色體,在90%的Burkitt淋巴瘤（非洲兒童惡性淋巴瘤）病例中可以見到一個長臂增長的14號染色體（14q+）。這是一條8號染色體長臂末端的一段（8q24）易位到14號染色體長臂末端（14q32），形成了8q-和14q+兩個異常

7、染色體。c-myc基因易位到14號染色體的免疫球蛋白重鏈基因附近，置于免疫球蛋白H鏈基因的啟動子控制之下，從而基因轉(zhuǎn)錄活性明顯增高。增多的myc蛋白使一些控制生長的基因活化，最終導致細胞惡變,癌基因(oncogene)：能引起細胞惡性轉(zhuǎn)化的基因。,II. 基因改變與腫瘤,如何發(fā)現(xiàn)癌基因的呢 ?,1910年，洛克菲勒研究院一個年輕的研究員Rous發(fā)現(xiàn)，雞肉瘤細胞裂解物在通過除菌濾器以后，注射到正常雞體內(nèi)，可以引起肉瘤， 首次提出雞肉瘤

8、可能是由病毒引起的。,0.2 ?m孔徑細菌過不去但病毒可以通過,從病毒癌基因到細胞原癌基因的研究歷程：,Rous sarcoma virus, RSV,the first cancer-causing retrovirus,1958年，Stewart和Eddy分離出一種病毒，注射到小鼠體內(nèi)可以引起肝臟、腎臟、乳腺、胸腺、腎上腺等多種組織器官的腫瘤，因而把這種病毒稱為多瘤病毒。,50年代末、60年代初，癌病毒研究成了一個極具想像力的研究

9、領(lǐng)域，主流科學家開始進入癌病毒研究領(lǐng)域,polyoma virus,這期間， Temin發(fā)現(xiàn)RSV有不同亞型，且引起細胞惡變程度不同，推測RNA病毒將其遺傳信息傳遞給了正常細胞的DNA 。,這與Crick提出的中心法則是相違背的讓事實屈從于理論還是堅持基于實驗的結(jié)果？,VS,Temin發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶，1975年獲諾貝爾獎,Temin,Crick,修正中心法則,DNA RNA Protein,

10、,,,,Transcription,Translation,Replication,Replication,Temin的實驗設(shè)計：,實驗設(shè)計簡單而巧妙：將合成DNA所需的“原料”，即 A、T、C、G四種脫氧核苷酸，與破壞了外殼的RSV一起在體外40℃的條件下溫育一段時間結(jié)果在試管里獲得了一種新合成的大分子，它不能被RNA酶破壞，但卻可以被DNA酶所分解，證明這種新合成的大分子是DNA用RNA酶預先破壞RSV的RNA，再重復上述的試

11、驗，則不能獲得這種大分子，說明 這個DNA大分子是以RSV的RNA為模板合成的,1969年，一個日本學者里子水谷來到Temin的實驗室，這 是一個非常擅長實驗的年輕科學家。按Temin的設(shè)想，他們開始尋找RSV中存在“逆轉(zhuǎn)錄酶”的證據(jù),據(jù)說，1975年Temin因發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶而獲諾貝爾獎時，Bishop懊惱不已，因為早在1969年他就認為Temin的RNA?DNA的“前病毒理論”有可能是正確的，并且也進行了一些實驗，但不久由于資深同事

12、的規(guī)勸而放棄了這方面的努力。但Bishop馬上意識到：逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)為逆轉(zhuǎn)錄病毒致癌的研究提供了一條新途徑。,一個RSV，三個諾貝爾獎！??！,啟示：Bishop說:“許多人引以為豪的是一天工作16小時，工作安排要以分秒計……可是工作狂是思考的大敵，而思考則是科學發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵”,科學的本質(zhì)和藝術(shù)一樣，都需要直覺和想像力請給自己一些思考的時間吧！,1. 癌基因的分類及功能,癌基因的激活機制可分為三種：,2. 癌基因的激活機制,? 各種類

13、型基因突變?nèi)鐗A基替換、缺失或插入，都能導致原癌基因表達異常，引起細胞癌變。,①基因突變,失活的RAS,GDP,活性的RAS,GTP,,,,細胞cAMP水平增高，導致細胞增殖,,細胞cAMP水平降低，細胞增殖停止,信息傳導的蛋白類,ras基因,與膜結(jié)合的GTP結(jié)合蛋白,機體內(nèi)的正常過程。,突變：導致GTP無法轉(zhuǎn)化為GDP，從而引起細胞持續(xù)分裂。,失活的RAS,GDP,活性的RAS,GTP,,,,細胞cAMP水平增高，導致細胞增殖,,細胞c

14、AMP水平降低，細胞增殖停止,阻斷,ras基因,? 基因組內(nèi)原癌基因自身擴增導致過度表達；由于相應基因產(chǎn)物增加，使細胞惡性轉(zhuǎn)化。,②基因擴增,? 雙微體(double minute, DM) 擴增的重復DNA片段從染色體斷裂下來，因無著絲粒隨機釋放至胞漿，呈環(huán)狀，經(jīng)染色后成一對連在一起的雙點狀結(jié)構(gòu)。,? 染色體重排主要是染色體易位和插入，常導致原癌基因易位至一個強大的啟動子、增強子或轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)元件附近，或形成融合基因，使原來無活性

15、或低表達的基因激活變?yōu)楦弑磉_，細胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化。,Ph染色體t (9q34；22q11),burkitt淋巴瘤t (8q24；14 q32),,③染色體重排,慢性髓細胞性白血病(CML)：染色體9 (C-ABL) ? 染色體22 (BCR)，形成融合基因BCR-ABL。,C-MYC基因被免疫球蛋白增強子所激活,,原癌基因激活的可能途徑,腫瘤抑制基因(tumor suppressor gene),又稱為抑癌基因或抗癌基因，它們的功能是抑

16、制細胞的生長和促進細胞的分化。當兩個等位基因都因突變或缺失而喪失功能，即處于純合失活狀態(tài)時，細胞就會因正常抑制的解除而惡性轉(zhuǎn)化。目前已發(fā)現(xiàn)的腫瘤抑制基因有十幾種。許多人類遺傳性腫瘤綜合征常常有腫瘤抑制基因的缺失或失活。,腫瘤抑制基因－Rb基因,Rb基因是在研究Rb家系時發(fā)現(xiàn)的，是最早發(fā)現(xiàn)的腫瘤抑制基因，其發(fā)病符合二次突變學說。Rb基因定位于13q14.1，編碼蛋白質(zhì)（prb）有928個氨基酸組成，其分子量為110KD。Prb是一

17、種核磷酸蛋白質(zhì)。Prb的主要作用是調(diào)節(jié)細胞周期。其調(diào)節(jié)細胞周期的能力與prb磷酸化狀態(tài)有關(guān)。,(1) 脫磷酸化Rb蛋白（活性）與轉(zhuǎn)錄因子E2F結(jié)合，抑制基因的轉(zhuǎn)錄活性(2) 磷酸化Rb蛋白（失活）與E2F解離，釋放E2F(3) E2F啟動基因轉(zhuǎn)錄(4) 細胞進入增生階段 (G1?S)因此，Rb蛋白在控制細胞生長方面發(fā)揮重要作用一旦Rb基因突變可使細胞進入過度增生狀態(tài),RB基因的功能,腫瘤抑制基因-P53,P53在人類50

18、%的腫瘤都存在突變，如結(jié)腸癌、乳腺癌、肝癌、肺癌等。P53基因定位于17p13.1，長20kb，含有11個外顯子，編碼393個氨基酸，其分子量為53KD。野生型的P53蛋白是核內(nèi)一種磷酸化蛋白，作為轉(zhuǎn)錄因子可與特異的DNA序列結(jié)合。P53是基因組保衛(wèi)者： 一定的外界刺激如DNA損傷、應急等可引起細胞內(nèi)p53蛋白水平升高，激活一系列下游靶基因的轉(zhuǎn)錄，誘導細胞周期G1期阻斷、誘導細胞調(diào)亡、誘導細胞分化、保護基因組的完整性以及

19、抑制腫瘤細胞的生長等。,III.腫瘤發(fā)生的遺傳學理論,單克隆起源假說二次突變假說多步驟損傷假說,單克隆起源假說(monoclonal origin hypothesis),腫瘤細胞是單個突變細胞增殖而來的單克隆增殖細胞群。,例證：,,Burkitt淋巴瘤中的所有淋巴瘤細胞都發(fā)生相同的染色體重排。,t（8；14）（q24；q32）、t（2；8）（p12；q24）、t（8；22）（p24；p11）,q32,,,8 2,視網(wǎng)膜母細胞

20、瘤 （RB）,遺傳性 非遺傳性（散發(fā)型） 家族史 無 雙側(cè) 單側(cè)(約90%） 早發(fā) 晚發(fā),,,腫瘤的二次突變學說,20世紀70年代，Knudson,同是一種腫瘤,為什么既有遺傳型又有散發(fā)型?發(fā)病年齡又不同呢?,1971年, Knudson提出二次突變學說(two hits theory)，用來解釋腫瘤發(fā)生中遺傳因素的作用方式。

21、,1. 遺傳性病例中，第一次突變發(fā)生于生殖細胞或由父母遺傳而來，結(jié)果患兒出生時每一個細胞均帶有一個突變，成為突變的雜合子；2. 在此基礎(chǔ)上，若在出生后體細胞發(fā)生第二次突變，兩次突變累加，即可完成始動（initiation)，而從良性細胞變成惡性細胞。,二次突變學說:,3. 惡性細胞在一定條件下，形成增殖優(yōu)勢，即可完成促進階段，形成惡性細胞克隆。4. 在非遺傳性病例中，兩次突變都是體細胞突變，而且必須在同一個體細胞中兩次發(fā)生獨立才能完

22、成始動的過程。這種機會比較少，需要經(jīng)過漫長過程的積累。,二次突變學說(two hits theory):,,散發(fā)性和遺傳性Rb功能喪失的機理,腫瘤發(fā)生的多步驟損傷學說,腫瘤的發(fā)生過程中，涉及多個基因的聯(lián)合作用，每個基因的改變只完成其中的一個步驟。,1983，Land等,,,,,,,,,,,,,,,,,,多步驟損傷學說（multistep lesion theory）：1. 細胞癌變往往需要多個腫瘤相關(guān)基因的協(xié)調(diào)作用，經(jīng)過多個階段的演變

23、，不同階段涉及不同腫瘤相關(guān)基因的激活與失活。2. 基因的失活在時間上有先后順序，在空間位置上也有一定的配合，這些基因共同作用，最終形成腫瘤的表型。,轉(zhuǎn)錄水平的改變：啟動子插入 DNA擴增,轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的改變：基因突變 基因融合,,癌基因活化形式,正常結(jié)腸細胞,,APC,MCC,,細胞生長增強,,Ki-ras,腺瘤Ⅰ,,ras突變,腺瘤Ⅱ,,10q缺失,DCC,腺瘤Ⅲ,,17q缺失,p53,癌,其中ras為癌基因，p5

24、3、APC和MCC為抑癌基因。,結(jié)腸癌形成模式圖,APC-----結(jié)腸癌基因 原癌基因DCC-----結(jié)腸癌缺失的基因，抑癌基因,Bloom 綜合征,①臨床特征,身材矮小，慢性感染，免疫功能缺陷，日光敏感性面部紅斑和輕度顏面部畸形，且多在30歲前發(fā)生各種腫瘤和白血病。,IV. 遺傳性惡性腫瘤舉例,? Bloom綜合征患者具有顯著的染色體或基 因組不穩(wěn)定性的遺傳學特征。主要表現(xiàn)在：,(二) Bloom綜合征患者的 細胞遺傳學改變,?

25、微核是位于細胞質(zhì)中的邊緣清晰的濃染小體，內(nèi)含DNA，是無著絲粒的染色體斷片丟失在胞質(zhì)中形成的結(jié)構(gòu)。,,1. 微核(micronuclear)率增加,? 姐妹染色單體交換(sister chromatid exchange, SCE)：指姐妹染色單體同源部位發(fā)生的片段互換。,⒉ 姐妹染色單體交換率增高,? 體外培養(yǎng)的Bloom綜合征細胞株染色體易發(fā)生斷裂并形成結(jié)構(gòu)畸變，4％-27％的培養(yǎng)細胞中可以看到染色體斷裂和重排，如四射體。,3. 染

26、色體結(jié)構(gòu)畸變增加,圖 示染色體斷裂與重排,圖 示四射體,⒈ Bloom綜合征基因定位 Bloom綜合征是一種AR遺傳病，致病基因BLM定位在15q26.1。,(三) Bloom綜合征的分子遺傳學基礎(chǔ),⒉ BLM基因產(chǎn)物及其生物學功能 ? BLM基因產(chǎn)物是RecQ DNA解鏈酶家族中的一員。,⒊ BLM基因突變 ? BLM基因突變→RecQ DNA解鏈酶活性降低或缺乏，細胞表現(xiàn)為有絲分裂過程中的染色體重排增加，染色