北大基础分子生物学课件09疾病与人类健康

第八讲疾病与人类健康经典单基因病。至今已发现6，000余种，其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。这些病的发生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。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。8.1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。良性肿瘤则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。图8-1肿瘤组织示意图CellandMolecularBiology,Fig16.6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+血清生长因子出生-3940-5960-79出生-死亡Allsites男1/621/121/31/2女1/521/111/41/3Breast女1/2351/251/151/8Prostate男1/100001/531/71/6Colon-rectum男1/15001/241/291/18女1/19001/1491/331/18Lung-bronchus男1/25001/781/781/12女1/29001/1061/251/18美国人群癌症概率统计癌基因（oncogene）可分为两大类：一类是病毒癌基因（viraloncogene，V-onc），编码病毒癌基因的主要有DNA病毒和RNA病毒。DNA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（retrovirusonc）可能是研究昀多的病毒基因，它们能使靶细胞发生恶性转化。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。表8-1部分C-onc和V-onc基因编码区比较基因C-onc中的密码子数V-onc中的密码子数不相同氨基酸数相似性/（%）V-onc中缺失的区域Mos3693691197无Ha-ras189189398无K-ras189189796无Sis2202201892无Myc417417299无Src5335141697C端Fms9809302099C端ErbB12106009983N端、C端ErbA4083962295N端Myb6403721197N端、C端8.1.1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。这种病毒的基因组只有6-9kb。RNA上的基因数目很少，它们被包裹在由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“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。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，昀后组装成病毒颗粒。图8-4反转录病毒插入引起C-myc基因活化的几种可能途径肉瘤病毒V-Src基因，编码有514个氨基酸的p60Src磷酸化蛋白，其C端250个氨基酸是活性区域，负责将磷酸基团转移到酪氨酸残基上。它的作用主要是使多个靶蛋白发生磷酸化，从而影响它们的功能，加速细胞癌变的过程。科学家发现，一种存在于细胞基部质膜附着点内被称为枢纽蛋白（vinculin）的细胞骨架蛋白的磷酸化可能是引起细胞癌变的中心环节。质膜附着点的主要作用是通过细胞膜固着蛋白，将细胞固定在所处的表面，肌动蛋白纤丝也依附在上面。位于附着点内的枢纽蛋白则起着连接肌动蛋白纤丝束和细胞膜固着蛋白的作用。正常情况下，该蛋白上的酪氨酸残基只有轻度的磷酸化。转化细胞中，由于p60Src结合在附着点内靠近或位于枢纽蛋白处，使这一蛋白的磷酸化水平提高了20倍以上，明显降低了枢纽蛋白连接肌动蛋白纤丝束和细胞膜固着蛋白的功能，导致肌动蛋白纤丝束松散，细胞粘附能力减弱，容易发生脱落和转移。V-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。图8-5劳斯氏肉瘤病毒基因结构及C-Src原癌基因的转变。（A）鼠白血病毒(上)和劳斯氏肉瘤病毒（下）基因组及所编码的主要蛋白质。（B）病毒感染后引起宿主细胞原癌基因转变成癌基因。图8-6上表皮癌的发生过程示意图实验表明，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。8.1.2原癌基因产物及其分类除了病毒感染外，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。这些因子并没有把致癌基因或其他致癌的遗传信息带入细胞，而仅仅通过某种激活机制改变了细胞内原有的遗传信息(内源基因发生突变)，使细胞发生恶性转化。8.1.3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、缺失及扩增等，改变其转录活性。图8-8细胞中原癌基因转变为癌基因的主要途径1.点突变研究发现，ras基因编码了一个分子量为2.1×104癌蛋白（p21），从人类膀胱癌细胞系T24DNA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。如人类肺癌细胞系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。所以，p21分子某些部位发生单个氨基酸替代足以引起蛋白质构象的改变，并使细胞获得转化活性。2.LTR插入。LTR是逆转录病毒基因组两端的长末端重复序列（longterminalrepeat），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-myc5’上游启动子附近，使c-myc的转录水平大大增加。3.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λ基因（Igλ）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Igλ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。在正常人体细胞中，非受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。图8-10abl原癌基因通过选择性染色体重排转变成细胞癌基因4.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。8.1.4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。基因与基因之间的间隔距离被定义为“基因领域”（geneterritory）。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（geneterritorialeffect）。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，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。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昀小距离相差甚远，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。2.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：①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；②癌基因产物模拟了已结合配体的生长因子受体，从而在无外源生长因子时提供了促进细胞分裂的信号；③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。3.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。p53基因，Guardianofthegenome.1990年，科学家首次发现p53是一个肿瘤抑制基因。缺失该基因时，患Li-FraumeniSyndrome。此外，病人极易患乳腺癌，脑癌和白血病。p53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。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。p53基因中昀常见的单碱基突变所造成的氨基酸改变.p53基因与细胞癌变a.正常情况下，细胞分裂与p53基因无关；b.如果细胞中的ＤＮＡ受损伤，p53基因被激活，使细胞受阻于Ｇ１阶段直到ＤＮＡ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，细胞可能直接死于有丝分裂过程中，也可能带着损伤继续分裂，从而导致发生恶性肿瘤．DNA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)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CRb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。CDK4/cyclinD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4.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，通过细胞膜受体系统或其它直接途径被传递至细胞内，再通过多种蛋白激酶的活化，对转录因子进行修饰，然后激活一系列基因转录。图8-11许多原癌基因参与细胞信号转导过程香烟食物中的污染物黄曲霉素B1太阳光照射脱氨内源生理代谢，如肝脏解毒功能等脱氨图8-7黄曲霉素（Aflatoxin）导致细胞发生癌变的分子机制生长因子如PDGF(sis)生长因子受体如EGF受体(erbB)蛋白质激酶或激酶活化蛋白细胞周期调控蛋白如CyclinD转录调控因子如Myc,Myb等细