肿瘤形成机制与生物学特征

人类肿瘤包含了6个在多步骤发展过程中获得的生物学功能。这些标志物组成了一个从理论上说明复杂新生物疾病的基本原理。它们包括:1维持增殖信号2逃避生存抑制信号3抑制细胞死亡程序4持续DNA复制5诱导血管生成6激活侵袭和转移癌细胞最值得争论的基本特征之一是它们持续慢性增殖的能力。正常组织-小心地控制着生长启动信号的产生和释放。癌细胞-上调这些信号而获得持续增殖的能力。这些启动信号大多数是由结合在细胞表面受体上的生长因子来传输的，典型特征是包含了细胞内酪氨酸激酶区域。正常组织中开启的增殖信号源头难以精确地鉴定和定位。对于这个机制的部份理解是与以下事实并存的1、是通过一个短暂的而且是空间调节的方式从一个细胞向它的周围细胞传递；这种旁分泌信号在实验中难以评价。2、另外生长因子的生物利用度的调节通过以下方式进行：隔离细胞周围空间和细胞基质，活化蛋白酶、硫酸酯酶以及其它对这些酶类的释放和活化有关的网络。3、这是一个高度特异性和局限性的方式。1、肿瘤丝裂原信号调控2、体细胞突变活化依赖的下游途径3、破坏增殖信号的负反馈机制癌细胞可以通过多种代替途径获得持续增殖的信号：1、它们可能自已产生生长因子配体，从而通过表达同源受体作出反应，结果导致自分泌增殖剌激。2、癌细胞可能发送信号到肿瘤相关间质细胞，刺激间质细胞提供了各种生长因子给癌细胞。3、癌细胞表面的受体蛋白水平上调，对数量有限的配体生长信号产生高度的反应性表现。4、同样的结果出现在受体分子结构改变中，使配体依赖的启动更为方便。癌细胞基因组的高通量DNA测序显示了在某些人类肿瘤中存在体细胞突变，这预示着通常由活化的生长因子受体激活的信号回路的基本激活。我们目前已经知道40%的人类黑色素瘤包含活化的变异影响了B-Raf蛋白，导致了通过Raf到丝裂原蛋白激酶的信号途径活化(DaviesandSamuels2010)。相似地，PI3K亚基变异在一些肿瘤类型中也已经检出，这些亚基使PI3K信号途径高度活化，其中包括了关键的Akt/PKB转导蛋白(JiangandLiu,2009;YuanandCantley,2008)。近的研究结果突出了负反馈链的重要作用，正常情况下它的启动是用于减缓各种类型的信号，从而使细胞内回路的信号流得到稳定的调节。(WertzandDixit,2010;CabritaandChristofori,2008;Amitetal.,2007;Mosessonetal.,2008).这一类型负反馈调节的原型包括Ras癌蛋白：致癌变异影响了ras基因而减弱了GTP酶活性，这个机制平时是用于确保活化的信号传递是短暂的。相似的负反馈机制在增殖信号回路中的多个节点中启动。一个重要的例子是PTEN磷酸化酶，它通过降解PIP3而抵消PI3K的功能。PTEN的无功能变异放大了PI3K的信号并启动多种癌症实验模型的肿瘤生成；在人类肿瘤中，PTEN的表达通常是通过启动子甲基化完成的(JiangandLiu,2009;YuanandCantley,2008).早期研究癌基因的作用概念：癌基因表达增加癌细胞增值速度.最近的研究：由RAS，MYC和RAF等癌蛋白剌激的信号过度表达可以引起来自细胞的抵抗反应，特别是诱导细胞衰老或/和死亡。例如，培养的细胞表达高水平的Ras癌蛋白可能进入非增殖但能存活的状态，称为衰老；相反的，如果细胞表达低水平Ras可能避免衰老而进入增殖。这些相互矛盾的表现反应了不同的细胞防御机制，以减弱细胞经历过高水平的特定类型信号。癌细胞内的致癌信号可能表现为高水平信号表达和抗增殖防御机制的妥协。主要这些使衰老或凋亡诱导回路失去功能而适应高水平的致癌信号。1、抑制抑癌基因表达机制。2、逃避细胞接触抑制机制。成打的肿瘤抑制子可以在不同途径上限制细胞的生长和增殖，很多这些基因已经通过小鼠实验以获得或失去功能来确实真正是肿瘤抑制子。两种典型的肿瘤抑制子编码RB（视网膜母细胞相关）和TP53蛋白；它们在两个关键的细胞调节互补回路中起着中央控制节点的作用，控制着决定细胞增殖或代替以活化衰老和凋亡程序。除了诱导和持续的正性剌激生长信号的标志性能力外，癌细胞能够抑制抑癌基因从而逃避负性调节。RB蛋白：整合来自胞内和胞外的不同信号，决定细胞是否通过细胞生长和分裂周期。RB途径存在功能性缺陷的癌细胞缺乏了细胞周期进程的关键性守门员的功能，它的缺席允许细胞持续增殖。TP53：接受来自功能区在胞内的操作系统的压力和不正常感受器的输入信号：如果基因组损伤的级别过度，或如果核苷酸库水平，生长启动信号，乳糖，或氧合水平不在最佳状态，TP53将使细胞周期进程停止直至这个状态正常化。另一种代替方法，当这个细胞亚系统的警戒信号到了无可挽回或损伤无法弥补时，TP53将触发凋亡。值得注意的是，活化的TP53的效应是复杂的而且是环境依赖性的，依细胞类型以及细胞压力严重性和压力抵抗情况，还有基因组损伤而变。虽然两种经典的增殖抑制-TP53和RB-具有重要的调节细胞增殖的功能，多个的证据表明它们各自作为一个更大的网络的部份，这些网络有着一个更为复杂的调控机制。例如，本来期望Rb功能的缺失将允许这些细胞以及它们传代细胞的分化周期持续进行；一些Rb缺乏细胞株进展成肿瘤，但令人惊讶的是没有出现细胞增殖异常。在这些嵌合体小鼠体内的缺乏Rb细胞参与了相对正常组织形态；唯一成为肿瘤的是晚期垂体(LipinskiandJacks,1999)。相似地，TP53缺乏的小鼠发育正常，表现为大量的正常细胞和组织稳态，而在生命的晚期再次发展成不正常，表现成白血病和肉瘤GhebraniousandDonehower,1998)。以上两个例子应该可以说明导致缺乏这些关键性增殖抑制子细胞持续不正常复制的启动和冗余机制。40年来的研究证明二维培养中密集的正常细胞群体形成细胞与细胞之间的接触，产生汇合的细胞单层。这种“接触抑制”在各种培养的癌细胞中被废除了，这表明接触抑制是体内启动的用于确保正常组织稳态的机制，这是在致癌过程中被废除的。直到最近，生长控制的机制基础仍不明确。然而，接触抑制的机制开始发现。机制之一包含了NF2基因的产物，一直作为肿瘤抑制基因，因为它的缺失触发了人类成纤维瘤病的一种形式。Merlin蛋白，NF2的胞质产物，通过成对的细胞表面粘附分子（如E-cadherin）到跨膜酪氨酸激酶(如EGF受体)形成接触抑制。以这种方式，Merlin蛋白加强了钙粘蛋白介导的细胞与细胞间的粘附性。另外，通过分离生长因子受体，Merlin蛋白限制它们有效地发射丝裂原信号的能力(Curtoetal.,2007;Okadaetl.,2005)。第二种接触抑制的机制包括LKB1表皮极性蛋白，它们可以组织表皮结构并帮助维持组织完整性。例如，当组织中Myc癌基因上调时，LKB1抑制Myc癌基因的促有丝分裂效应使表皮结构处于静息状态；相反，当LKB1的表达受抑制时，表皮完整性变得不稳定，而表皮细胞对Myc诱导的转化变得更敏感。LKB1同时已经确定是一个抑癌基因，在某些人类肿瘤中缺失(Shaw,2009)，这可能反应它的正常功能是作为不正当增殖的抑制子。人类癌症中这两种接触介导的生长抑制缺失的频率仍需要继续研究；毫无疑问的是其它由接触介导的可以阻止增殖的机制仍需经进一步研究确认。这些清楚的机制使细胞可以构建和维持组织结构的复杂性，成为对不正常增殖信号的抑制和平衡的重要方式。TGF-b最出名的是它的抗增殖效应，而目前人们更仔细研究癌细胞如何逃避这些效应而较少研究简单地关闭这些信号回路(IkushimaandMiyazono,2010;assague´,2008;BierieandMoses,2006)。在很多晚期肿瘤，TGF-β信号已经偏离细胞增殖抑制，而是用于激活一种细胞程序，称为表皮向间质的转换（EMT），这使细胞的特征与高度恶性相关，相关细节将在下文阐述。在最近的20年，细胞凋亡这一概念，通过程序性细胞死亡充当癌症发展的自然屏障，已经建立了进行令人信服的功能性研究。凋亡机制是由上游调节子和下游效应子共同构成的。按顺序，调节子分成两个主要的回路：1、一个是接受和传递胞外死亡诱导信号式（外部的凋亡程序，包括例如Fas配体/Fas受体），2、另外一个感知和综合一系列胞内起源的信号（内在程序）。它们每个最终都激活一个正常的潜在蛋白酶（分别是半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶8和9），从而开始一个级联的蛋白水解，包括凋亡执行阶段效应蛋白酶，这个阶段细胞渐渐分解后消失，这个效应由它的邻近细胞和专门的吞噬细胞完成。目前，内在凋亡程序更广泛地作为癌症致病的屏障。在调节子和效应子之间传递信号的“凋亡扳机”是通过平衡促进和抵抗凋亡的Bcl-2家族成员的调节蛋白来完成的(AdamsandCory,2007)。Bcl-2连同它最近的家族成员(Bcl-xL,Bcl-w,Mcl-1,A1)都是凋亡抑制子，通过与两个前凋亡触发蛋白(BaxandBak)结合并起抑制作用。当抗凋亡家族成员抑制减弱时，Bax和Bak破坏线粒体外膜的完整性，从而导致前凋亡信号蛋白的释放，它们中最主要的是细胞色素C。细胞色素C依次激活蛋白酶级联，通过它们的蛋白水解酶活性产生与凋亡程序相关的多种细胞改变。Bax和Bak与抗凋亡的Bcl-2样蛋白共用蛋白-蛋白相互作用区，称为BH3基序，能够介导它们的各种物理相互作用。相关蛋白（每个蛋白包含单个像BH3的基序）的亚家族与各种细胞感受器配对而异常活化；这些“BH-3only”的蛋白通过干扰抗凋亡Bcl-2蛋白或通过直接剌激这个家族的凋亡前成员而活化(AdamsandCory,2007;WillisandAdams,2005).对控制着凋亡程序信号回路的阐释揭示了凋亡在不同的生理压力下是如何被触发的，这些压力是癌细胞在肿瘤形成过程中遇到或者是抗癌治疗的结果。在凋亡诱导的压力中值得注意的是由于癌基因信号的提高导致的信号不平衡，就像早先所提及的那样，并且DNA损伤与高增殖相关。同时其他研究显示在成功进展到高度恶性和对治疗抵抗的肿瘤中凋亡是减弱的。(AdamsandCory,2007;Loweetal.,2004)。虽然触发凋亡的细胞状态仍没有完成列举，但是多个在肿瘤进展中起关键作用的异常感受器已经明确(AdamsandCory,2007;Loweetal.,2004)。最值得注意的是通过抑癌基因TP53起作用的DNA损伤感受器(JunttilaandEvan,2009)；TP53通过上调Noxa和Puma这两个“只有BH3”基序蛋白的表达诱导凋亡，从而相应地导致大量的DNA断裂和其它染色体的不正常。另一种替代方式是，不充分的生长因子信号（如淋巴细胞上的白细胞介素-3或上皮细胞上胰岛素样的生长因子1/2数量的不充足）能通过称为Bim含单个BH3基序蛋白诱导凋亡。肿瘤细胞发展出一系列可以限制或防止凋亡的类型。最普遍的是抑癌基因TP53功能的缺失，这个类型缺失了来自诱导凋亡回路的重要感受器。肿瘤可能获得相似的结果，这是通过增加抗凋亡调节子(Bcl-2,Bcl-xL)或生存信号(Igf1/2)，或下调凋亡前因子(Bax,Bim,Puma)或缩短胞外配体诱导的死亡途径。避免凋亡的机制的多样性反应了癌细胞株在发展成恶性状态过程中遇到的凋亡诱导信号的多样性。自吞噬与凋亡一样成为一种重要的细胞生理反应，正常细胞中的启动处于低的基础的水平，但在特定的细胞压力状态下能被强烈地诱导，最明显的压力状态是营养缺乏(LevineandKroemer,2008;Mizushima,2007).自吞噬程序使细胞内的细胞器(如核糖体和线粒体)被破坏，使分解代谢产物用于生物合成和能量代谢从而得到循环。当降解发生时，作为这个程序的一部份，胞内囊泡称为自吞噬体包裹胞内细胞器并把它们和溶酶体混和。以这种方式，低分子量的代谢的产物支持了多数癌细胞在压力和营养受限的环境中生存。与凋亡相似，自吞噬机制也有调节子和效应子复合物(LevineandKroemer,2008;Mizush-ima,2007)。后者是一种介导自吞噬体的形成并把它