😊 十、肿瘤的分子基础
😊 （一）细胞生长与增殖的调控
😊 1. 信号转导过程
正常细胞的生长与增殖通常依赖生长因子（growth factor）等外源性信号。这些信号与相应受体结合，引发细胞内特定分子（信号转导分子）有序的相互作用，最终产生特定效应（如细胞分裂），构成特定的信号通路（signaling pathway）。生长因子通过信号转导引起一些转录因子激活，后者促进特定基因（包括调节细胞周期的基因）的转录。
- Ras 蛋白属于「小 GTP 结合蛋白」：结合 GTP 时活化，并具有 GTP 酶活性，可将 GTP 水解为 GDP 而恢复无活性状态；这一 GTP 酶活性受 GTP 酶激活蛋白（GAP）控制
- 活化的 Ras 蛋白导致「丝裂原激活的蛋白激酶」（MAPK）通路活化。了解得最清楚的 MAPK 是胞外信号调节激酶（ERK）：Ras → Raf → MEK → ERK，激活的 ERK 再磷酸化激活下游效应分子，包括转录因子 c-Jun、c-Fos、c-Myc，后者促进细胞周期基因的转录
😊 2. 细胞周期的调控
细胞周期的进行依靠细胞周期蛋白（cyclin）与细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）复合物的推动。CDK 与相应的周期蛋白形成复合物并活化，使一些蛋白磷酸化。
- 周期蛋白 D-CDK4/6、周期蛋白 E-CDK2 复合物可使视网膜母细胞瘤蛋白（Rb 蛋白）由低磷酸化转变为高磷酸化
- G1 期时 Rb 蛋白处于低磷酸化状态，与转录因子 E2F 家族成员结合、阻止其转录激活作用；Rb 高磷酸化后 E2F 与 Rb 解离，促进 S 期基因转录。这是细胞由 G1 期进入 S 期的一个很重要的调控点
- CDK 的活性受周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CKI，如 p16、p21、p27 等）抑制；CKI 的表达受上游分子调控，例如 p21 的转录由 p53 控制，而 p53 在细胞周期调节、DNA 修复、凋亡等过程中均起关键作用
❤ （二）癌基因活化
概念
- 病毒癌基因（viral oncogene）：在研究肿瘤病毒（特别是反转录病毒）致瘤机制过程中发现，反转录病毒基因组中不为病毒复制所必需，但为病毒致瘤或导致细胞恶性转化所必需的基因。
- 原癌基因（proto-oncogene）
- 在正常细胞基因组中发现的与病毒癌基因十分相似的 DNA 序列。正常时并不导致肿瘤，其编码产物是对促进细胞生长增殖十分重要的蛋白质，如生长因子、生长因子受体、信号转导蛋白和转录因子等
- 细胞癌基因（cellular oncogene）：原癌基因发生某些异常、细胞发生恶性转化时称之，如 KRAS、CMYC；其编码的肿瘤蛋白/癌蛋白可持续刺激细胞自主生长
原癌基因转变为细胞癌基因的过程称原癌基因的激活，常见激活方式：
- 点突变（point mutation）——如 RAS 基因 。ras 基因 12 号密码子由 GGC 变为 GTC，导致 Ras 蛋白第 12 号氨基酸由甘氨酸变为缬氨酸；突变的 Ras 蛋白不能将 GTP 水解为 GDP，一直处于活性状态，不受上游信号控制而持续促进细胞增殖
- 基因扩增（gene amplification）——特定基因过度复制致拷贝数增加，使基因产物过量表达，如神经母细胞瘤中的 NMYC 扩增，乳腺癌、胃癌中的 HER2 基因扩增
- 染色体重排（chromosomal rearrangement）——包括染色体易位（translocation）和倒转（inversion），可导致原癌基因表达异常或结构与功能异常：
- 原癌基因被置于很强的启动子控制之下而转录增加、过度表达：例子是 Burkitt淋巴瘤， CMYC 易位，导致 CMYC 过度表达，其靶基因持续转录致细胞过度增殖
- 易位产生具有致癌能力的融合基因（嵌合基因）、编码融合蛋白：如慢性粒细胞白血病中经典的「费城染色体」（Ph 染色体）——9 号染色体上的原癌基因 ABL1 易位至 22 号染色体的 BCR 位点，形成功能异常的 BCR::ABL1 融合蛋白，导致细胞转化
❤ （三）肿瘤抑制基因功能丧失
肿瘤抑制基因（tumor suppressor gene）的产物限制细胞生长。当两个等位基因都发生突变或丢失（纯合型丢失）时其功能丧失，可导致细胞中生长抑制信号丢失或受阻而发生转化；基因启动子高甲基化也可导致其表达障碍。
❤ 1. RB 基因
- 是在对视网膜母细胞瘤的研究中发现的，其纯合型丢失见于所有视网膜母细胞瘤。RB 基因是人们认识到的第一个肿瘤抑制基因
- Rb 蛋白在调节细胞周期中起重要作用
- 后续研究发现，RB 基因的丢失或失活也见于膀胱癌、肺癌、乳腺癌、骨肉瘤等
❤ 2. TP53 基因
- 定位 17p13.1，编码的 p53 蛋白由 393 个氨基酸组成，具有特异的转录激活作用
- 在细胞周期调节、DNA 修复、凋亡等过程中均起关键作用
- DNA 损伤时细胞的主要反应之一是 p53 蛋白增加，它诱导 p21（WAF1/CIP1）的转录，使细胞停滞在 G1 期、阻止 DNA 合成；同时诱导 DNA 修复基因 GADD45 的转录，促进 DNA 损伤修复；若 G1 停滞不能实现，则 p53 诱导细胞老化或凋亡，防止损伤的 DNA 传递给子代细胞
- TP53 缺失或突变的细胞发生 DNA 损伤后不能通过 p53 介导停滞在 G1 期修复 DNA，细胞继续增殖，DNA 异常传给子代细胞，可导致肿瘤性转化
- 人类肿瘤 50% 以上有 TP53 基因突变
- p53 失活的方式：
- ①基因突变——最为常见；
- ②与 DNA 肿瘤病毒的一些蛋白（如 HPV 的 E6、SV40 的大 T 抗原）结合
- ③与癌蛋白 MDM2 结合而加速降解；
- ④p53 蛋白被阻不能进入核内发挥作用
- ×被相应蛋白酶溶解
- TP53 在不同肿瘤中有不同的突变点，但有若干相当常见的突变「热点」（mutation hotspot）
😊 3. 其它肿瘤抑制基因
- NF1 基因（neurofibromin 1 gene）：位于 17 号染色体，编码神经纤维瘤蛋白（GTP 酶激活蛋白），其突变失活导致神经纤维瘤病Ⅰ型；NF1 失活使 Ras 的 GTP 酶活性不能正常发挥，Ras 持续处于高活性状态
- APC 基因（adenomatous polyposis coli gene）：其失活是大肠癌发生过程中较早的一步（家族性腺瘤性息肉病、结肠癌）。APC 蛋白的功能与 WNT 信号通路有关——WNT 信号通路未激活时 APC 促使 β 联蛋白降解；WNT 通路活化时 APC 功能被抑制，β 联蛋白进入细胞核、激活 CMYC 的转录使其过表达
- CDKN2A 基因：编码 CKI 中的 p16（INK4a），抑制周期蛋白 D-CDK4/6 的活性、阻止 G1 期向 S 期转变；肿瘤中该基因缺失、突变等导致其功能丧失
- VHL 基因（von Hippel-Lindau tumor suppressor gene）：其胚系失活是希佩尔-林道病（VHL 综合征）相关的透明细胞肾细胞癌的重要分子病理变化，散发性透明细胞肾细胞癌也存在 VHL 基因突变。VHL 蛋白促进低氧诱导因子-1α（HIF-1α）的降解；VHL 突变或高甲基化时 HIF-1α 表达增加，同时伴周期蛋白 D1、CDK4 增加及 p21、p27 表达降低
- WT-1 基因：转录调控因子，相关体细胞肿瘤为肾母细胞瘤，遗传型突变见于家族性肾母细胞瘤
- BRCA-1、BRCA-2 基因：参与 DNA 修复；BRCA-1 遗传型突变与女性家族性乳腺癌和卵巢癌相关，BRCA-2 与男性和女性乳腺癌相关
完整癌基因举例
| 分类 | 原癌基因 | 活化机制 | 相关人类肿瘤 |
|---|---|---|---|
| 生长因子 | PDGFB（PDGF-β 链） | 过度表达 | 星形细胞瘤、骨肉瘤 |
| 生长因子 | FGF3 | 扩增 | 胃癌、膀胱癌、乳腺癌、黑色素瘤 |
| 生长因子 | HGF | 过度表达 | 肝细胞癌、甲状腺癌 |
| 生长因子受体 | ERBB1（EGF 受体家族） | 突变 | 肺癌 |
| 生长因子受体 | ERBB2 | 扩增 | 乳腺癌、卵巢癌、肺癌、胃癌 |
| 生长因子受体 | FLT3（FMS 样酪氨酸激酶 3） | 点突变 | 白血病 |
| 生长因子受体 | RET（促神经因子受体） | 点突变 | MEN2A 和 2B、家族性甲状腺髓样癌 |
| 生长因子受体 | PDGFRB（PDGF 受体） | 过度表达、易位 | 胶质瘤、白血病 |
| 生长因子受体 | KIT 受体 | 点突变 | 胃肠间质肿瘤、精原细胞瘤、白血病 |
| 生长因子受体 | ALK 受体 | 转位、融合基因、点突变 | 肺腺癌、一些淋巴瘤、神经母细胞瘤 |
| 信号转导蛋白 | K-RAS | 点突变 | 结肠、肺、胰腺肿瘤 |
| 信号转导蛋白 | H-RAS | 点突变 | 黑色素瘤、造血系统肿瘤 |
| 信号转导蛋白 | N-RAS | 点突变 | 膀胱和肾肿瘤 |
| 信号转导蛋白 | ABL | 转位 | CML、ALL |
| 信号转导蛋白 | BRAF | 点突变 | 黑色素瘤、白血病、结肠癌等 |
| 转录因子 | c-myc | 转位 | Burkitt 淋巴瘤 |
| 转录因子 | N-myc | 扩增 | 神经母细胞瘤、小细胞肺癌 |
| 转录因子 | L-myc | 扩增 | 小细胞肺癌 |
| 细胞周期调节蛋白 | CCND1（CYCLIND） | 转位／扩增 | 套细胞淋巴瘤、多发性骨髓瘤／乳腺癌、食管癌 |
| 细胞周期调节蛋白 | CDK4 | 扩增或点突变 | 胶质母细胞瘤、黑色素瘤、肉瘤 |
重要表格
| 分子机制 | 参与基因 | 功能 | 相关肿瘤 |
|---|---|---|---|
| 癌基因活化 | ras（点突变） | 促进信号转导 | 肺癌、结肠癌 |
| 癌基因活化 | N-myc（基因扩增） | 合成转录因子 | 神经母细胞瘤 |
| 癌基因活化 | c-myc（染色体重排-转位） | 合成转录因子 | Burkitt淋巴瘤 |
| 癌基因活化 | her-2（eRB-B2）（扩增） | 合成生长因子受体 | 乳腺癌，胃癌 |
| 癌基因活化 | abl（转位） | 促进信号转导 | 慢性粒细胞白血病 |
| 抑癌基因失活 | APC | 抑制信号转导 | 家族性腺瘤性息肉病、结肠癌 |
| 抑癌基因失活 | RB | 调节细胞周期 | 视网膜母细胞瘤 |
| 抑癌基因失活 | P53 | DNA损伤时调节细胞周期 | 大多数肿瘤、Li-Fraumeni综合征 |
| 抑癌基因失活 | VHL | 抑制转录因子 | 肾透明细胞癌 |
| DNA修复基因功能障碍 | XPA、XPB | 修复损伤DNA | 着色性干皮病 |
😊 （四）持续的血管生成
肿瘤血管新生化（tumor neovascularization）对其快速增殖和持续生长至关重要。肿瘤内的新生血管可通过多种途径产生：
- 血管生成（angiogenesis）：肿瘤直径达 1～2mm 后瘤内出现缺氧，肿瘤细胞本身及微环境中的免疫细胞（主要是巨噬细胞）产生血管内皮生长因子（VEGF）等血管生成因子，与血管内皮细胞表面的受体结合后，促进血管内皮细胞分裂和毛细血管出芽生长，形成新生血管
- 血管形成（vasculogenesis）：肿瘤吸引骨髓来源的内皮祖细胞「归巢」至肿瘤部位，分化为内皮细胞参与形成新生血管
- 肿瘤干细胞可转分化为血管内皮细胞和周细胞，形成新生血管
- 血管拟态（vasculogenic mimicry）：肿瘤细胞本身形成类似血管、具有基底膜的小管状结构，可与血管交通，作为不依赖于血管生成的肿瘤微循环或微环境成分
抑制肿瘤血管生成、肿瘤干细胞来源的血管细胞或血管拟态，是抗肿瘤研究的重要课题。
😭 （五）恶性肿瘤浸润和转移的机制
侵袭转移是恶性肿瘤最主要的生物学特征，与细胞黏附分子、细胞外基质（ECM）、上皮-间质转化（EMT）、高侵袭性瘤细胞亚克隆及血管生成等相关。以癌为例：
- 分离（detachment）——癌细胞表面黏附分子（如钙黏素）减少，细胞彼此分离
- 黏着（attachment）——癌细胞表达更多层粘连蛋白受体并分布于整个细胞表面，与基底膜黏着增加
- 降解（degradation）——癌细胞分泌或诱导产生蛋白酶（基质金属蛋白酶、Ⅳ型胶原酶等），降解 ECM 使基底膜出现缺损
- 迁移（migration）——癌细胞借肌动蛋白细胞骨架作阿米巴样运动，穿过基底膜缺损处移出，并穿过血管基底膜进入血管
进入血管的肿瘤细胞大多被 NK 细胞消灭，与血小板凝集成团者形成瘤细胞栓，可穿出血管增殖形成转移灶；CD44 高表达可能与血行播散有关。转移部位受原发部位和血液循环途径影响，部分肿瘤有器官亲和性（tropism）：肺癌易转移至肾上腺、脑，甲状腺癌/肾癌/前列腺癌易转移至骨，乳腺癌常转移至肺、肝、骨、卵巢等。
😭 （六）其它重要分子机制
- 代谢重编程：氧供充分时仍高摄取葡萄糖、经糖酵解生成乳酸，称有氧糖酵解（Warburg 效应）；代谢酶突变可致「癌性代谢」，如 IDH 突变产生 2-羟基戊二酸（2-HG），引起表观遗传改变
- 凋亡抵抗：促凋亡分子与抗凋亡分子（Bcl-2 家族等）相互作用失衡、凋亡途径障碍，使细胞抵抗凋亡
- 无限增殖与永生化：与控制细胞老化的基因失常、端粒酶再激活有关；恶性肿瘤细胞端粒酶高活性，端粒不缩短故能无限增殖
- 逃避免疫监视：肿瘤抗原分特异性抗原与相关抗原（含肿瘤胎儿抗原，如 CEA、甲胎蛋白）；抗肿瘤免疫以细胞免疫为主，效应细胞为CTL、NK 细胞、巨噬细胞；肿瘤通过减少抗原与 MHC 表达、分泌 TGF-β/IL-10、过表达 PD-L1 等逃逸，PD-1/PD-L1 阻断剂已用于临床
- 基因组不稳定性：DNA 损伤与修复机制异常参与肿瘤发生，如着色性干皮病（XP）不能修复紫外线损伤、皮肤癌高发
- 肿瘤微环境（TME）：由免疫/炎症细胞、成纤维细胞、内皮细胞、周细胞及 ECM 构成，可促生长、促血管生成、促侵袭转移并形成免疫抑制；其细胞多经表观遗传重编程发挥促瘤效应
- 表观遗传调控：不改变 DNA 序列的遗传变化，包括 DNA 甲基化、组蛋白修饰、非编码 RNA 等，如抑癌基因启动子高甲基化、癌基因低甲基化
- 表型可塑性：去分化、分化中断和转分化，如 Barrett 食管、胶质瘤细胞转分化为血管周细胞和内皮细胞
- 微生物组：微生物群异常与肿瘤发生、演进、免疫微环境和治疗反应相关，具促瘤与抑瘤双重作用
- 细胞衰老：不可逆的增殖停滞，既关闭细胞周期（保护），又经衰老相关分泌表型（SASP）促血管生成、侵袭转移并抑制肿瘤免疫
😊 （七）肿瘤发生的多步骤过程
肿瘤的发生并非单个分子事件，而是一个多步骤的过程（multi-step process）。细胞的完全恶性转化一般需要多个基因的改变，如数个癌基因的激活、肿瘤抑制基因的失活以及其他基因变化。这一过程在结直肠癌中得到了详细研究：从肠上皮增生到癌的发展过程中发生多个步骤的癌基因突变和肿瘤抑制基因失活，一个细胞要积累这些基因改变一般需要较长的时间。
可简要归纳为：致瘤因素引起基因改变（原癌基因激活、肿瘤抑制基因灭活、凋亡调节基因和 DNA 修复基因功能紊乱、端粒酶激活、表观遗传及非编码 RNA 异常），使细胞出现多克隆性增殖；在进一步基因损伤基础上，发展为克隆性增殖；通过演进，形成具有不同生物学特性的亚克隆，获得浸润和转移的能力。