分子肿瘤学1 细胞周期调控与肿瘤

分子肿瘤学 （molecular oncology),第一节：分子肿瘤学概论,分子肿瘤学是从分子水平研究肿瘤的 发生、发展、 预防、诊断和治疗的学科。,一、肿瘤学及分子肿瘤学发展历史,3000年前，殷墟甲骨文已有“瘤”字，中国的“癌”字最早见于宋 代东轩居士所著的卫济宝书中 在西方，“cancer”一词出现比“医学更早，2500年前：古希腊 学者Hippocrates用“cancer”一词来描述肿瘤。 1775年：英国医生发现长期清扫烟囱者易患阴囊癌 我国在19世纪前就有了手术麻醉和食道癌的尸体解剖报告 西方国家在19世纪初开展了手术治癌工作及放射治癌。 我国古代就用“砒霜”、“雄黄”、“轻粉”等药物治疗癌症。1865 年西方国家也用砷剂治疗白血病，1945年用氮芥治疗癌 症，1948年开始使用抗代谢药物治疗白血病与其他恶性 肿瘤,1858年Vichow在细胞病理学中指出，癌是细胞的疾病 19世纪后叶：染料与膀胱癌、烟草与肺癌、黄曲霉素与肝癌 发病因素被认识 1908年：丹麦学者发现鸡白血病可通过无细胞滤液传染，两 年后美国学者Rous发现鸡的一种肉瘤是病毒引起，确立了病 毒致癌学说 1964年：在Burkitt淋巴瘤中发现EB病毒，确立人类肿瘤与病 毒的关系 20世纪，日晒与皮肤癌、射线照射与大鼠肿瘤、原子弹爆炸 与幸存者中白血病、肿瘤发病率、医源性白血病-物理致 癌学说 20世纪70年代随着癌基因（oncogene)、抑癌基因（tumor suppressor gene)的发现，标志着肿瘤研究真正进入分子肿 瘤学时代,二、与肿瘤相关的一些名词,1、肿瘤（tumor,neoplasm)： 是机体在各种致瘤因素作用下，局部组织的细胞在基因水平上失掉了对其生长的正常调控，导致异常增生而形成的新生物。 2、良性肿瘤（benign tumor)： 无浸润和转移能力的肿瘤。通常有包膜或边界清楚，呈膨胀性生长，生长速度缓慢，细胞分化成熟。 3、恶性肿瘤（malignant tumor)：具有浸润和转移能力的肿瘤。通常无包膜，边界不清楚，浸润性生长，生长速度快，细胞分化不成熟，有不同程度异形性，对机体危害大。 4、交界性肿瘤（borderline tumor)：组织形态和生物学行为介于良性和恶性之间的肿瘤，也可称为中间性肿瘤（intermediate tumor)。 5、癌（carcinoma):上皮性恶性肿瘤。包括鳞状细胞癌、尿路上皮癌、腺癌、囊腺癌以及基底细胞癌等,6、癌症（cancer):泛指一切恶性肿瘤，包括癌和肉瘤，但常被当作癌（carcinoma)的同义词。当恶性肿瘤广泛播散，称作癌病（caicinomatosis,carcinosis) 7、肉瘤（sarcoma)：间叶来源的恶性肿瘤。 8、淋巴瘤（lymphoma)：又称为恶性淋巴瘤(malignant lymphoma)，是一种在血液和淋巴组织主要累及淋巴结和（或）结外，通常形成明显包块的淋巴细胞恶性肿瘤。 9、母细胞瘤（blastoma):通常指组织学相似于器官胚基组织形成的恶性肿瘤 10、畸胎瘤（teratoma):发生在性腺（卵巢、睾丸）和性腺外中线部位（纵隔、骶尾部、松果体等），由内中外三个胚层的胚细胞所形成的肿瘤。,三、分子肿瘤学的任务和研究内容,（1）化学、物理、环境因素等致癌机制 （2）遗传与肿瘤 （3）癌基因、抑癌基因与肿瘤 （4）细胞信号转导分子与细胞信号转导通路与肿瘤 （5）细胞凋亡与肿瘤 （6）细胞周期调控与肿瘤 （7）细胞分化与肿瘤 （8）端粒、端粒酶与肿瘤 （9）肿瘤侵袭与转移的分子机制 （10）肿瘤细胞的耐药机制 （11）细胞生长因子、激素与肿瘤 （12）生物信息学与肿瘤 （13）肿瘤的免疫逃逸机制 (14)肿瘤的分子诊断、预防和靶向治疗,四、对肿瘤发生的基本认识,肿瘤的发生发展是异常复杂的，还有许多未知的领域。以下几点认识得到较多认同： （1）肿瘤从遗传学角度看是一种基因病。 （2）肿瘤的形成是瘤细胞单克隆性扩增的结果。 （3）肿瘤可能起源于肿瘤干细胞 （4）环境的和遗传的致癌因素引起的细胞遗传物质（DNA）改变的主要靶基因是原癌基因和和肿瘤抑制基因。原癌基因的激活和（或）肿瘤抑制基因的失活可导致细胞的恶性转化。 （5）肿瘤的发生不只是单个基因突变的结果，而是一个长期的、分阶段的、多种基因突变积累的过程。 （6）机体的免疫监视体系在防止肿瘤发生上起重要作用，肿瘤的发生是免疫监视功能丧失的结果。,第二节：细胞周期调控与肿瘤,一、细胞周期(mitotic cycle)概念：,细胞分裂结束物质积累下一次细胞分裂结束： 间期： G1期 S期 G2期 分裂期：M期：前、中、后、末期,分化 衰老 死亡 G0期,Rapidly dividing cells(20-50h) M 1h G18-30h S 8h G2 3h,DNA合成前期（G1期） 此期细胞内进行着一系列极为复杂的生物合成变化 不再继续增殖，永远停留在G1期直至死亡。如表皮角质化细胞、红细胞等 暂时不增殖，如肝、肾细胞，它们平时保持分化状态，执行肝、肾功能，停留在G1期，如肝、肾受到损伤，细胞大量死亡需要补充时，它们又进入增殖周期的轨道。这些细胞又可称为Go期细胞。Go期细胞较不活跃，对药物的反应也不敏感,是肿瘤复发的根源。 继续进行增殖。例如骨髓造血细胞、胃肠道粘膜细胞等。,在G1期时，正常的细胞将根据相应的外界刺激决定是进行DNA复制开始下一周期，还是处于暂时静止状态（G0期），或向一定的组织分化。 G0期的细胞也可在生长因子或其他细胞外增殖信号的作用下返回G1期。 当细胞开始DNA复制，将需要持续的促有丝分裂原（Mitogen）刺激信号以促使细胞通过位于G1期后期的限制点。 一旦细胞通过限制点，从G1期进入S期，即使缺乏丝裂原的存在，也将依次经过G1、S、G2、M期，完成一次不可逆转的细胞周期,DNA合成期（S期） S期主要特点是利用G1期准备的物质条件完成DNA复制，并合成一定数量的组蛋白，供DNA形成染色体初级结构。 在S期末，细胞核DNA含量增加一倍，为细胞进行分裂作了准备。DNA复制一旦受到障碍或发生错误，就会抑制细胞的分裂或引起变异，导致异常细胞或畸形的发生。 S期持续时间大约78小时。,DNA合成后期（G2期） 主要特点是为细胞分裂准备物质条件。DNA合成终止，但RNA和蛋白质合成又复旺盛，主要是组蛋白、微管蛋白、膜蛋白等的合成，为纺锤体和新细胞膜等的形成备足原料。若阻断这些合成，细胞便不能进入有丝分裂。 G2期历时较短而恒定，哺乳动物细胞一般为11.5小时。,分裂期（M期） 这一时期是确保细胞核内染色体能精确均等的分配给两个子细胞核，使分裂后的细胞保持遗传上的一致性。,二、细胞周期调控,细胞周期的准确调控对生物的生存、繁殖、发育和遗传十分重要,1、细胞周期调控蛋白（cell cycle-regulating protein）,细胞周期蛋白（Cyclin) 调节亚单位 细胞周期蛋白依赖性激酶 催化亚单位 (Cyclin dependent kinases,CDKs) CDK抑制物（CDK inhibitor, CDKI 或CKI） 或CDK抑制蛋白（CDK inhibitory protein,CIP) 抑制CDK活性,（1）细胞周期蛋白(cyclin ) 是一类随细胞周期的变化呈现周期性出现和消失 的蛋白质：（A、B1-2、C、D1-3、E、F、G、H ） 表达时间不同，执行功能多种多样 G1、G1/S 、G2周期蛋白：Cyclin C、 D、E 、A M 期周期蛋白 ：Cyclin B,Cyclin具有相同的结构特点，含有100-150个氨基酸的保守区，称为细胞周期蛋白盒（Cyclin box)，能够介导Cyclin与CDKs的结合。 不同的Cyclin识别不同的CDK，组成不同的Cyclin- CDK复合体，表现出不同的CDK激酶活性,（2）细胞周期蛋白依赖性激酶 （cyclin-dependent kinase ，CDKs ）,CDK1CDK7等 与cyclin结合（通过一段类似的氨基酸序列） 具有磷酸激酶的活性。 不同的CDK-Cyclin复合物使特异的靶蛋白质磷酸 化而激发细胞周期各期的进行。 当抑制它们的周期蛋白质搭档或有CDK抑制物存在 时，CDK便失去活性。,（3）CDK抑制物（CDK inhibitor, CDKIs或CIP） CDKI是对CDK激酶起负性调控作用的蛋白质。 CyclinCDKs CDKIs共同构成一个对细胞周期进行调控的网络系统。 抑制多种CDK,CDKIs分两大类： INK4（inhibitor of CDK4)家族:(p16、 p15、p18、p19) Cip/Kip家族: P21cip、27kip1、57kip2 在 G1期抑制多种CDK,2、细胞周期监（检）测点（cell cycle checkpoint) 调控 细胞周期运行是在一系列称为细胞周期监测点的严格控制下进行的，以确保细胞周期事件有序进行，当DNA损伤、复制不完全、纺锤体形成不正常时，周期将被阻断,G1S检测点： 在G1晚期有一个关键的限制点，检测DNA损伤 、细胞外环境、细胞体积大小。在哺乳细胞中称 “R （ restrction point)”,通过此点的细胞不可逆进入S期 S检测点：检测DNA复制错误 G2M检测点： 决定细胞一分为二的控制点。完整精确修复后可通过。 M中期-M后期检测点：纺缍丝组装检测点，控制失调时即可 引起各种染色体畸变，基因扩增、突变、癌发生等,染色体分离合适吗？,损伤的DNA修复了吗？ 营养条件合适吗？ 细胞生长足够大？ 前次有丝分裂完毕？,DNA复制完毕？,DNA损伤 修复？,三 、细胞周期调控与肿瘤-要点,1、细胞动力学的研究提示，绝大多数人体肿瘤（Burkitt淋巴肉瘤等极少数例外）的细胞周期，不仅不比与它们相当的正常组织为短，而是相同或较长。 2、肿瘤和正常的组织样，也具有几种不同的细胞群：（1）增殖细胞群（A）：与肿瘤生长直接有关，是化学疗法最易攻击的部分。 （2）暂不增殖细胞群（B）：它是延长了的G1细胞或G0细胞，目前不参加细胞周期，与肿瘤的扩大暂时无直接关系。在一定条件下可成为肿瘤复发的根源。（3）不再增殖群（C）：它们不再参与细胞周期，而日趋衰老、死亡，对肿瘤增长已无意义，肿瘤增长的情况取决于3种细胞群的比例。（4）肿瘤干细胞（群？）,3、CyclinsCDKsCDKIs是细胞周期最主要调控系统， CDKs处于中心地位，Cyclins起正调节作用，CDKIs起负调节作用 4、细胞周期调控失衡、细胞增殖失控是肿瘤细胞的重要生物学特性。 5、 Cyclin D1是G1/S期转换的关键蛋白，在细胞增殖中意义最大，目前的研究显示Cyclin D的异常表达与肿瘤关系最密切。 6、细胞周期调控异常在肿瘤发生、发展中的机制非常复杂，涉及多个环节。 7、肿瘤细胞周期及其调控的研究是肿瘤研究的持续热点，对肿瘤发病机制、生物学行为、治疗和预后均有重要意义,四、细胞周期调控与肿瘤-某些现象,1、cyclin D1 基因位于11q13，在多种肿瘤中都有该区基因的异常 2、在多种肿瘤中有cyclin D1 基因的高表达 3、肿瘤D类细胞周期蛋白半衰期长，稳定性异常增高 4、在某些肿瘤中发现有cyclin D2基因的扩增 5、在一些人类肿瘤中发现CDK4、CDK6高表达 6、已发现某些CDKI分子如P15、P16、P21、P27、P40、P57等与肿瘤的发生密切相关，例如神经胶质瘤的P16失活，主要是缺失或突变。 7、多种癌基因、抑癌基因、凋亡调控基因如c-myc、 Rb、 P53、 bcl2等参与了细胞周期调控，在肿瘤的发生、发展中起重要作用,五、细胞调周期调