肿瘤分子生物学讲义

1肿瘤分子生物学第一节概述一、肿瘤及肿瘤分子生物学的概念肿瘤（tumor）是一类疾病的总称，它们的基本特征是细胞增殖与凋亡失控，扩张性增生形成新生物。肿瘤可分为良性肿瘤（benigntumor）和恶性肿瘤（malignanttumor）。良性肿瘤生长缓慢，虽可增长至相当大的体积，但仍保留正常细胞的某些特性，通常在瘤体外有完整的包膜，手术切除后患者预后良好。绝大多数良性肿瘤基本上是无害的，不引起或很少引起宿主损伤。不过有极少数良性肿瘤因其靠近生命中枢或能合成大量生物活性物质也可能杀伤宿主。例如，脑膜上生长缓慢的良性肿瘤通过压迫使得生命中枢萎缩破坏，最终导致宿主死亡；胰岛细胞良性肿瘤可以分泌大量胰岛素而引起体内胰岛素过量，导致低血糖和死亡。恶性肿瘤统称为癌症（cancer），它不同于良性肿瘤的最重要的特性是能侵袭周围组织，疾病晚期癌细胞发生远端转移，破坏受侵袭的脏器，最终使机体衰亡，但如能在侵袭转移前切除癌瘤，一般预后明显改善。由于技术水平的限制，目前临床诊断的癌症患者多处于中晚期。加上不良生活方式如吸烟、过度饮酒、不合理饮食习惯，以及环境污染增加等因素，在刚过去的20世纪，世界各国许多常见癌症的发病率在总体上呈上升趋势，或维持在高水平，在我国的情况亦大致如此。目前除几种较少见的癌症如妇科的宫颈癌、绒癌等的死亡率有明显下降外，多数常见恶性肿瘤死亡率还处于令人忧心的高位态势下。有研究者预测，在21世纪癌症仍将是危害人类健康的主要疾病之一，故应引起预防、临床和基础研究者的高度关注。恶性肿瘤几乎在所有类型的细胞中均可发生。根据组织学来源，癌症的起源可分为三种：癌（carcinoma）起源于上皮细胞，大部分成人癌症属此类；淋巴瘤起源于脾和淋巴结等的淋巴细胞；肉瘤（sarcoma）起源于间叶组织如结缔组织、骨和肌肉等。以上在各种实质性组织、脏器中发生的癌症属实体肿瘤（solidtumor）。白血病起源于骨髓造血细胞，恶性细胞存在于流动的血液中，属液体肿瘤（liquidtumor）。2肿瘤分子生物学，就是用分子生物学的理论和技术来研究肿瘤的一门科学，是医学和生物学的一门交叉学科二、肿瘤的生物学特征1、癌症是体细胞遗传病就本质而论，癌症是一种遗传学疾病或体细胞遗传学疾病，可简称为遗传病。在癌细胞中发生的遗传学变异有：基因内的碱基替代、缺失、插入和基因扩增等，以及染色体的数量和结构的改变，如非整倍体、易位等；表遗传学改变有：DNA甲基化型式改变、组蛋白修饰和染色质改型等。这些改变引起了肿瘤抑制基因灭活和原癌基因的活化，它们所产生的恶性表型通过有丝分裂能在细胞世代间传递。上述过程均发生在体细胞，这是占全部癌症中绝大多数的、散发性癌症的发生模式。遗传性癌综合征不同于其他一些遗传病，它遗传的仅是癌易感性，还需要体细胞的多次击中才能产生恶性表型。基因组内存在两类癌相关基因：一类基因直接调控细胞增殖与凋亡、运动与黏着，以及细胞基质的改型等，并参与细胞的信号转导，结果得以维持正常组织细胞的自稳性。当这些基因缺陷造成上述过程失衡，随着细胞各种恶性特征的积累，最终癌症发生。这些基因包括癌基因、肿瘤抑制基因中把关基因（gatekeepergene）；另一类基因并不直接调控细胞的增殖和凋亡，而是影响第一类癌相关基因的突变速率的管护基因（caretakergene），这包括各类DNA修复基因，还包括代谢酶多态性在内的一组修饰基因（modifiergene）。2、癌细胞的恶性生物学特征（1）失去了对中止细胞增殖信号和细胞分化信号的反应，并可传出自主的细胞生长、增殖信号。（2）逃避了细胞凋亡和衰老，是细胞永生。当正常细胞受到严重损伤和营养缺乏时，就发生凋亡并自动解体；而癌细胞并不一定会发生凋亡。体外培养的正常细胞，即使没有受到损伤，约分裂50后也会自动停止分裂，最终细胞死亡（细胞衰老）；而癌细胞能无限制地增殖，获得了永生化。这可能与调控细胞凋亡基因的缺陷和端粒酶恢复活性相关；有作者认为，细胞增殖的失控与必需的凋亡抑制相结合，构成了进一步恶性演进的最小平台。3（3）失去细胞的区域性限制，具有了侵袭和转移能力。例如在体外培养的正常细胞中增殖至彼此接触时，就停止生长和分裂（结出抑制），故细胞呈单层生长，而癌细胞失去了接触抑制，继续分裂而呈多层重叠生长；同时癌细胞表面的识别能力和黏着性发生了改变，使癌细胞不能像不同的正常组织细胞那样保持彼此分开，而能侵入临近组织。（4）自主的血管生成能力，这保证了肿瘤体积增大后和新形成转移肿瘤的血液供应，以维持癌细胞生长和增殖之所需。上述这些癌细胞的恶性特性，使它们能在没有增殖信号的情况下，自主地无限制增殖，当达到一定的体积时就可能侵袭邻近组织，癌细胞还可能脱落进入血液和淋巴液，发生远端转移并扩增，最终导致宿主死亡。3、癌的单克隆起源和异质性除少数例外，癌是原始的、单个癌细胞增殖的后代，即癌为单克隆起源。这一观点已被普遍接受，部分是依据来自X染色体上基因表达的观察。妇女有两条X染色体，在卵裂的后期其中一条X染色体随机失活，如一位基因杂合子的妇女患癌，若是多克隆起源，癌细胞则可能有两种等位基因表达的产物；若是单克隆起源，则癌细胞仅有一种等位基因表达产物，而研究结果证实了癌为单克隆起源。由于与DNA修复和细胞分裂等一系列相关基因的缺陷，使癌细胞基因组和染色体的稳定性下降，于是在肿瘤演进过程中，就可能不断产生新的癌细胞干系，它们彼此间免疫系统和治疗等因子作用下，如不能被全部杀灭，就可能选择了恶性程度更高的癌细胞干系，它们继续重复突变、扩增和选择的过程，给治疗带来困难。三、常见肿瘤概述1.乳腺癌乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤，全世界每年约有120万妇女患乳腺癌。北美和北欧国家乳腺癌发病率最高，亚、非地区最低，南美及拉丁美洲居中。发达国家的发病率明显高于发展中国家。在国内，沿海发达地区发病率高于内陆地区，上海市为全国乳腺癌发病率最高的省份。4乳腺癌通常表现为一个无痛的小包块，此病在20~30岁十分罕见，但在绝经期和绝经期后发病率明显升高。乳房产生泌乳腺泡的干细胞群定位于小导管，也存留于老年人乳房的纤维间质中，这些干细胞是肿瘤发生的靶细胞。大多数乳腺癌就发生于这些腺泡小导管，大致可以有以下几种情况：绝大多数乳腺癌发展成无痛性孤立小结节，但有些小导管中的乳腺癌，则在小结节开始长大而尚未形成包块前，随血流从乳头渗出。随着乳腺癌的生长，浸润周围组织，最终使深部组织和皮肤粘连固定，从而引起皮肤凹陷，状似酒窝，如果侵袭乳头会造成乳头凹陷。癌肿进一步发展后，首先转移到腋窝淋巴结，然后再转移到肺、胸膜、脊柱和骨盆。患者通常需要取少量组织活检，亦即对瘤块组织进行冰冻切片检查。如果确诊是癌，可能就要切除乳房和腋窝淋巴结。仔细彻底检查这些活检标本，可以确定疾病的分期和乳腺癌的分型。分期非常重要，因为如果肿瘤未发生转移，通常可以治愈；如果累及的淋巴结超过两个，患者的预后就很差；如果转移的腋窝淋巴结少于两个，则愈后良好，治愈率可达50%。2.肺癌肺癌是人类常见的恶性肿瘤之一。从临床着眼，肺癌可分为两种治疗的类群和四种组织学类型：肺鳞癌、肺腺癌、大细胞肺癌合称为非小细胞肺癌（NSCLC），另一类为小细胞肺癌（SCLC）。NSCLC约占全部肺癌的75%，SCLC约占肺癌的25%。这两个类群肺癌均与吸烟有密切的关系。各类群肺癌的治疗方法都不太理想，这反映在其死亡率较高。每一类群肺癌初始诊断几乎都基于慢性咳漱、发热、呼吸困难、咳血、嘶哑或胸痛，而且患者常有长期吸烟史。NSCLC治疗成功的关键在于早期手术，因为其转移发生较晚。NSCLC的初始诊断处于早期，5年生存率近于75%；如初始诊断为不能切除的NSCLC，可用化疗或放疗，5年生存率为5%。SCLC的临床过程、治疗方法和对治疗的反应不同于NSCLC，它是实体瘤中最易转移的，而且很易致死。这种癌的播散发生早，手术很少作为主要方法。治疗主要靠联合化疗，无转移的病例可附加胸部照射。SCLC最初对这种治疗很敏感，但常常发生复发和抗性，2年生存率约为14~24%。3.肝癌肝癌相关病因的研究中，黄曲霉毒素、酒精的长期摄入，抗结核等药物的医5源性损伤，饮食中硒、钼等微量元素的缺乏，以及饮水污染等也属于肝癌发生的重要相关环境因子。肝细胞癌能合成α-甲胎蛋白，这是一种有用的肝癌标志物。肝癌可以是单个病灶，也可以是多个病灶，与周围的正常肝脏组织界限分明。有两种组织类型：一种由分化较好的肝细胞（肝实质细胞）组成，肝细胞排列在小梁（结缔组织纤维索）中，其中间为肝血窦（微小静脉）。其中有许多肿瘤细胞是功能性的，因为有一些结节能被胆汁染色（肿瘤的胆小管不与正常的胆管相连），而且含有多种可以通过组织化学方法检测出来的肝酶。另一种肝细胞癌是由小胆管发生的间变性腺癌。4.胃癌胃癌也是严重威胁人类健康的主要恶性肿瘤之一，我国每年胃癌新发病例占全部恶性肿瘤发病的17.2%，死亡率占全部肿瘤的20%以上，二者均高居首位。胃癌的临床分型分为早期胃癌和进展期胃癌。早期胃癌指癌组织限于黏膜层和黏膜下层，不论有无淋巴结的转移（亦有学者认为只要有淋巴结转移即应视为进展期）。对处于早期胃癌的始发阶段，直径小于5mm的胃癌称为微胃癌，介于5~10mm的为小胃癌，统称为微小胃癌，微小胃癌的术后10年生存率可达100%，说明早诊断早治疗在临床上的重要意义。进展期胃癌指癌组织浸润已达肌层或浆膜，故亦称为中、晚期胃癌，其中对局限于肌层者为中期，超出肌层者为晚期。胃癌的组织分型中的Lauren分型法将胃癌只分为肠型和弥漫型两种，肠型胃癌主要由类似肠道柱状细胞的腺上皮所组成，可伴有刷状缘，在有的病例中还可见杯状细胞，肠化时柱状细胞有黏液分泌，肿瘤附近的黏膜亦有广泛肠化，肿瘤的边界较清楚，恶性度相对较低；弥漫型胃癌可呈腺管状排列，但细胞黏着力差，癌细胞易形成对胃壁的广泛而弥漫浸润，许多细胞含黏液，呈典型印戒形，肿瘤边界不清。肠型胃癌常见于胃癌高发区人群，老人及男性多见，分化程度较高，术后预后相对较好；弥漫型胃癌多见于非胃癌高发区病人，常见于青壮年，恶性度高，预后较差。总体上讲，临床以肠型为多，相对弥漫型而言，肠型胃癌有一个相对较为清楚的发生发展过程。5.白血病白血病是由于造血干、祖细胞发生恶变，失去进一步分化、成熟的能力，使细胞阻滞在不同的造血阶段，从而导致一组异质性造血系统恶性肿瘤。白血病是6儿童和青少年中最常见的恶性肿瘤，我国的年发病率和死亡率约为3~4/10万，在各种肿瘤中居第六位。白血病的发病原因至今尚不明确，有许多因素可能与其发病有关，包括病毒因素、物理因素、化学因素、遗传因素等。胚胎的原始中胚层细胞分化成造血干细胞，后者又能分裂并分化成红系、粒系、单核系、淋巴系和巨核细胞系的干细胞。导致白血病的进程可以影响任何干细胞系或原始的多能造血干细胞。因此，此病起源于骨髓，继发性影响脾脏、淋巴结和肝脏。当恶性细胞增殖时，骨髓中正常的造血成分就被白血病细胞取代。为了维持现状，正常细胞在肝脏和脾脏克隆扩增（骨髓外造血）。继之，肝脾及其他器官也因长满白血病细胞而肿大。结果，产生功能性造血细胞的最后储库也丧失了，患者表现为骨髓衰竭。这些症状和体征包括：不能调动有效的防御机制抵抗细菌、真菌和寄生虫感染，不能停止因巨核细胞被取代而引起的毛细血管出血（如瘀点性出血——出现在皮肤和粘膜上的小紫血斑，伴随牙周出血）。当幼红细胞系被取代时就导致贫血。最终白血病细胞将在任何器官的基质中生长。虽然很难精确地描述特定器官的症状，但这些器官都肿大，触之有沉重感，而且白血病细胞的大量增殖可导致恶病质。四、肿瘤的研究简史20世纪人类对肿瘤本质的认识经历了曲折的过程。1914年Boveri首先提出癌变的染色体异常学说，但未被后人所接受，之后在很长一段时间内众说纷纭，有免疫缺陷说、分化失常说、病毒说和突变说等。70年代后至今，随着分子生物学和基因工程技术的快速发展，肿瘤细胞、分子遗传学和基因组学的研究不断深入，使人们认识到原癌基因的活化和肿瘤抑制基因的灭活，在癌变过程中起着中心的生物学作用。80年代后，肿瘤病因学和分子流行