生物化学与分子生物学/癌基因

癌基因和抑癌基因 - 癌基因 - 抑癌基因
癌基因 (oncogene) 是能导致细胞发生恶性转化和诱发癌症的基因。绝大多数癌基因是细胞内正常的原癌基因(proto-oncogene) 突变或表达水平异常升高转变而来，某些病毒也携带癌基因。

原癌基因是人类基因组中具有正常功能的基因

原癌基因及其表达产物是细胞正常生理功能的重要组成部分，原癌基因所编码的蛋白质在正常条件下并不具致癌活性，原癌基因只有经过突变等被活化后才有致癌活性，转变为癌基因。在 20 世纪 70 年代中期，研究人员提出，肿瘤发生是由于细胞中的原癌基因在致癌因素的作用下激活或突变为致癌基因而引起。
原癌基因在进化上高度保守，从单细胞酵母、无脊椎生物到脊椎动物乃至人类的正常细胞都存在着这些基因。原癌基因的表达产物对细胞正常生长、增殖和分化起着精确的调控作用。在某些因素（如放射线、有害化学物质等）作用下，这类基因结构发生异常或表达失控，转变为癌基因，导致细胞生长增殖和分化异常，部分细胞发生恶性转化从而形成肿瘤。
许多原癌基因在结构上具有相似性，功能上亦高度相关。故而可据此将原癌基因和癌基因区分为不同的基因家族，重要的有SRC、RAS 和MYC 等基因家族。
SRC家族包括SRC 和LCK 等多个基因。SRC最初是在引起肉瘤(sarcoma)的劳斯肉瘤病毒(Rous sarcoma virus, RSV)中发现的，病毒癌基因名为v-src。该基因家族的产物具有酪氨酸激酶活性，在细胞内常位于膜的内侧部分，接受受体酪氨酸激酶（如PDGF受体）的活化信号而激活，促进增殖信号的转导。这些酶因突变而导致的待续活化是其促进肿瘤发生的主要原因。
RAS家族包括H-RAS、K-RAS、N-RAS 等成员。H-RAS 和K-RAS 最初分别在Harvey大鼠肉瘤病毒（Harvey rat sarcoma virus)和Kirsten鼠科肉瘤病毒(Kirsten murine sarcoma virus)中克隆，分别称为v-Hras和v-Kras。原癌基因K-RAS突变是恶性肿瘤中最常见的基因突变之一，在81%的胰腺癌病人的肿瘤组织可检测到。 RAS基因编码低分子量G蛋白，在肿瘤中发生突变后，往往造成其GTP酶活性丧失，RAS 始终以 GTP 结合形式存在，即处于待续活化状态，导致细胞内的增殖信号通路持续开放。
MYC家族主要包括C-MYC、N-MYC 和L-MYC。MYC最初在禽骨髓细胞瘤病毒(avian myelocytomatosis virus, AMV)被发现，并因而得名为v-myc。MYC基因家族编码转录因子，有直接调节其他基因转录的作用。原癌基因C-MYC编码的49kD的MYC与MAX蛋白形成异二聚体，与特异的顺式作用元件结合，活化靶基因的转录。MYC的靶基因多编码细胞增殖信号分子，故细胞内MYC蛋白可促进细胞的增殖。

某些病毒的基因组中含有癌基因

一些病毒能导致肿瘤发生，称为肿瘤病毒(tumor virus)。 肿瘤病毒大多为RNA病毒，且目前发现的RNA肿瘤病毒都是逆转录病毒，如前述的RSV、AMY、Harvey大鼠肉瘤病毒和Kirsten鼠科肉瘤病毒等。DNA肿瘤病毒常见的有人乳头瘤病毒(Human papilloma virus, HPV)和乙型肝炎病毒(Hepatitis B virus, HBV)等。RNA肿瘤病毒和DNA肿瘤病毒的致癌机制不同。
事实上，癌基因最早发现于RNA肿瘤病毒。1910年，Rous F首次发现病毒可导致鸡肉瘤，提出病毒导致肿瘤的观点。该病毒后来被命名为劳斯肉瘤病毒(Rous sarcoma virus, RSV)。在深入研究RSV的致癌分子机制时，研究人员比较了具备转化和不具备转化特性的RSV的基因组，发现了一个特殊的基因src,将这一基因导入正常细胞可使之发生恶性转化。以后又在其他逆转录病毒中陆续发现了 一些使宿主患肿瘤的基因。
1976年，Varmus HE和 Bishop JM 发现，逆转录病毒RSV携带的癌基因v-src在进化过程中来源于宿主细胞的原癌基因C-SRC, 进而提出：RNA肿瘤病毒携带的癌基因来源于细胞原癌基因。关于其起源进化的分子机制，目前认为，逆转录病毒感染宿主细胞后，在逆转录酶作用下，以病毒RNA基因组为模板合成双链DNA即前病毒DNA(provirus) , 并整合于宿主细胞基因组的原癌基因附近，在后续的病毒复制和包装过程中，经过复杂而巧妙的删除、剪接、突变、重组等过程，逆转录病毒最终将细胞原癌基因“劫待”并改造为具有致癌能力的病毒癌基因，成为新病毒基因组的一部分。
目前已发现的病毒癌基因有几十种。需要注意的是，病毒有致癌能力并不意味着其一定含有病毒癌基因。有致癌特性的逆转录病毒可区分为急性转化逆转录病毒和慢性转化逆转录病毒两类。前者含有癌基因，能迅速在几天内诱发肿瘤，后者则不含有癌基因，而是通过将其基因组插入至宿主细胞的原癌基因附近，从而激活原癌基因而诱发肿瘤，故其致癌效应较慢，常需数月甚至数年，有较长的潜伏期。
逆转录病毒的癌基因也可以视为是原癌基因的活化或激活形式，它有利于病毒在肿瘤细胞中的复制，但对病毒复制包装无直接作用，对逆转录病毒基因组不是必需的。与之不同，已知的DNA病毒 的癌基因则是其基因组不可或缺的部分，对病毒复制是必需的，目前也没有证据表明其有同源的原癌基因，如HPV基因组中的癌基因E6和E7。通常可将RNA肿瘤病毒的癌基因的名称冠以前缀v-,写为小写斜体，如v-src,而将正常人类细胞中的原癌基因则冠以前缀C-写为大写斜体，如C-SRC,以示区分。其编码的蛋白质则通常写为正体，如v-src和C-SRC。

原癌基因有多种活化机制

原癌基因在物理、化学及生物因素的作用下发生突变，表达产物的质和量的变化，表达方式在时间 及空间上的改变，都有可能使细胞脱离正常的信号控制，获得不受控制的异常增殖能力而发生恶性转化。从正常的原癌基因转变为具有使细胞发生恶性转化的癌基因的过程称为原癌基因的活化，这种转变属于功能获得突变(gain-of-function mutation)。 原癌基因活化的机制主要有下述四种。

基因突变常导致原癌基因编码的蛋白质的活性持续性激活

各种类型的基因突变如碱基替换、缺失或插入，都有可能激活原癌基因。较为常见和典型的是错义点突变，导致基因编码的蛋白质中的关键氨基酸残基改变，造成突变蛋白质的活性呈现持续性激 活。如H-RAS中的GGC，在膀胱癌中突变为GTC,使得表达产物RAS的第12位甘氨酸突变为缬氨酸，结果使其丧失GTP酶活性，RAS始终以GTP结合的活性形式存在。

基因扩增导致原癌基因过量表达

原癌基因可通过基因扩增(gene amplification)使基因拷贝数升高几十甚至上千倍不等，发生扩增的机制目前尚不清楚。基因扩增可致编码产物过量表达，细胞发生转化。例如小细胞肺癌中C-MYC的扩增和乳腺癌中HER2 的扩增都在肿瘤发生中具有重要作用。

染色体易位导致原癌基因表达增强或产生新的融合基因

染色体易位可通过两种机制致癌。第一，染色体易位使原癌基因易位至强的启动子或增强子的附近，导致其转录水平大大提高。例如，人Burkitt淋巴瘤细胞中，位于8号染色体上的C-MYC基因移位到14号染色体的免疫球蛋白重链基因的增强子附近，使C-MYC基因在该增强子的控制下过量表达。第二，染色体易位导致产生新的融合基因。例如，慢性髓性白血病(chronic myelogenous leukemia, CML)中，22号染色体的BCR(breakpoint cluster region)基因与9号染色体的ABL基因发生染色体易位产生融合基因BCR-ABL,进而表达为融合蛋白BCR-ABL,导致ABL的蛋白酪氨酸激酶活性持续增高。该易位产生的较小的异常22号染色体，最早于1960年在美国费城发现，故又称费城染色体(Philadelphia chromosome)或Ph染色体(Ph chromosome), 是CML的标志染色体。

获得启动子或增强子导致原癌基因表达增强

如前所述，染色体易位可使原癌基因获得增强子而被活化。此外，逆转录病毒的前病毒DNA的两个末端是特殊的长末端重复序列(LTR),含有较强的启动子或增强子元件。如果前病毒 DNA 恰好整合到原癌基因附近或内部，就会导致原癌基因的表达不受原有启动子的正常调控，而成为病毒启动子或增强子的控制对象，往往导致该原癌基因的过量表达。如鸡的白细胞增生病毒引起的淋巴瘤，就是因为该病毒的LTR序列整合到宿主的 C-MYC 基因附近，LTR中的强启动子可使 C-MYC 的表达比正常高出30～100倍。
不同的癌基因有不同的激活方式，一种癌基因也可有几种激活方式。例如 C-MYC 的激活就有基因扩增和染色体易位等方式，但很少见到 C-MYC 的点突变；而RAS的激活方式则主要是点突变。
两种或更多的原癌基因活化可有协同作用，抑癌基因的失活也会产生协同作用。在肿瘤细胞中 常发现两种或多种细胞癌基因的活化。例如，白血病细胞株HL-60中有 C-MYC 和N-RAS的同时活化。实验也证明癌基因的协同作用可使细胞更易发生恶性转化。例如原代培养的大鼠胚胎成纤维细胞传代 50 次左右就会死亡，如仅导入重排的 C-MYC 可使它永生化，但细胞表型无恶性行为；如仅导入活化的突变RAS基因，细胞形态发生改变，但不能无限传代及形成肿瘤。只有同时导入 C-MYC 和N-RAS, 细胞才会发生恶性变，并在动物中成瘤。

原癌基因编码的蛋白质与生长因子密切相关

生长因子(growth factor) 是一类由细胞分泌的、类似于激素的信号分子，多数为肽类或蛋白质类物质，具有调节细胞生长与分化的作用。在体外培养细胞时，培养基中除了含有氨基酸、维生素和无机盐等一系列必需营养物质外，还必须添加含有多种生长因子的胎牛血清，细胞才能保持良好的生长、增殖状态。生长因子在肿瘤、心血管疾病等多种疾病的发生发展过程中发挥重要作用，不少生长因子已经应用于临床治疗。目前已知，原癌基因编码的蛋白质参与调控细胞增殖、分化与生长等各个环节，与生长因子密切相关。

生长因子主要有三种作用模式

目前已发现的肽类生长因子有数十种，而且还在不断增加。生长因子可以根据其来源进行分类和命名，也可以依据其作用方式分类。
生长因子来源于多种不同组织，其靶细胞亦各不相同。有的生长因子作用的细胞比较单一，如 EPO 及 VEGF,分别主要作用于红细胞系和血管内皮细胞；也有的生长因子作用的细胞谱型比较广，如成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor, FGF)对间充质细胞、内分泌细胞和神经系统细胞都有作用。
NGF 是最早被发现的生长因子。1948年，E.Bueker 等发现将小鼠肉瘤组织植入胚胎体壁可使移植区神经节增加。随后，R.Levi-Montolcini 等发现肉瘤组织的植入不仅可使局部神经节增加，而且可使远隔部位的神经节增加。由此设想肉瘤组织释放了一种可扩散因子作用于远隔部位。后来证实这种因子就是神经生长因子，它有刺激神经元生长以及神经纤维延长的功能。1959 年 S.Cohen又发现了EGF。R.Levi-Montolcini 和 S.Cohen 由于在这一领域的成就荣获了 1986 年诺贝尔生理学或医学奖。
与其他细胞外信号分子一样，根据产生细胞与靶细胞间的关系，生长因子的作用模式可分为3种：①内分泌方式：生长因子从细胞分泌出来后，通过血液运输作用于远端靶细胞。如源于血小板的 PDGF 可作用于结缔组织细胞；②旁分泌方式：细胞分泌的生长因子作用于邻近的其他类型细胞，对合成、分泌生长因子的自身细胞不发生作用，因为其缺乏相应受体；③自分泌方式：生长因子作用于合成及分泌该生长因子的细胞本身。生长因子以后两种的作用方式为主，经细胞分泌后在胞外运送，最终作用于自身细胞或者其他细胞，传递它们独特的生物学信息。生长因子将组织内的细胞连接成为一个有机整体网络，相互之间进行着持续不断的交流沟通。

生长因子的功能主要是正调节靶细胞生长

目前对大部分生长因子的结构与功能了解得相当清楚。大多数生长因子具有促进靶细胞生长的 功能，少数具有负调节功能，还有一些具有正、负双重调节作用。
生长因子的生物学效应主要表现在促进细胞生长、分化、促进个体发育等方面。但是有些生长因 子具有双重调节作用或负调节作用。例如，NGF 对神经系统的生长具有促进作用，但对成纤维细胞的 DNA 合成却有微弱的抑制作用。TGF-β 也是这样，对成纤维细胞有促进生长的作用，但对其他多种细胞具有抑制作用。其具体作用取决千与其他生长因子的相互作用和环境条件。
同一生长因子对不同细胞的作用有所不同，如肝细胞生长因子 (hepatocyte growth factor, HGF) 对正常肝细胞的生长起促进作用，但对肝癌细胞的增殖则有抑制作用。一种细胞也可受不同生长因子调节，如胚胎时属于间充质细胞的成纤维细胞可被EGF、IGF和多种 FGF 所调节，但不被 HGF 调节。还有一些以前认为作用比较单一的生长因子，近来发现对其他细胞也有作用。 如内皮素(endothelin, ET) 除了对内皮细胞的作用外，可能对脑、垂体的神经内分泌也有作用。
具有负调节作用的生长因子比较少，人们通常把这种负调节因子 (negative growth factor) 称为细胞生长抑制因子。抑素 (chalone) 是最早被确认的生长抑制因子，以后又发现 TGF-β、干扰素(interferon) 和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor, TNF) 等也具有抑素的某些特征，但它们实际上都是双重调节，只不过以负调节为主。目前对生长抑制因子尚无统一的标准或定义，也没有明确的学说阐明其作用机制，但是其在肿瘤、心血管疾病等疾病防治方面的潜在应用前景是不可否认的。因此对负调节因子的研究，始终是生物医学界的一个热点领域。

生长因子通过细胞内信号转导而发挥其功能

生长因子的作用通过受体介导的细胞信号转导而实现。生长因子的受体多位于靶细胞膜，为一类跨膜蛋白，多数具有蛋白激酶特别是酪氨酸蛋白激酶活性，也有少数具有丝／苏氨酸蛋白激酶活性。最近发现细胞核也存在 EGF 等生长因子的受体样蛋白质。有 些生长因子受体（如EGF 受体）与原癌基因产物有高度同源性。对生长因子受体的研究不仅有助于了解细胞的增殖分化，而且对了解肿瘤的发生、发展及治疗也具有重要意义。
大部分生长因子的受体属千受体酪氨酸激酶家族，如 EGF 受体、FGF 受体、PDGF 受体、HGF受体、VEGF 受体等，胰岛素受体也属于受体酪氨酸激酶。位于膜表面的受体是跨膜受体蛋白质，包含具有酪氨酸激酶活性的胞内结构域。当生长因子与这类受体结合后，受体所包含的酪氨酸激酶被活化，使胞内的相关蛋白质被直接磷酸化。另一些膜上的受体则通过胞内信号传递体系，产生相应的第二信使，后者使蛋白激酶活化，活化的蛋白激酶同样可使胞内相关蛋白质磷酸化。这些被磷酸化的蛋白质再活化核内的转录因子，引发基因转录，达到调节生长与分化的作用。
另一类生长因子受体定位于细胞质，当生长因子与胞内相应受体结合后，形成生长因子－受体复合物，后者亦可进入胞核活化相关基因促进细胞生长。
原癌基因表达产物有的属于生长因子或生长因子受体；有的属于胞内信息传递体亦或核内转录因子。发生突变的原癌基因可能生成上述产物的变异体，后者的生成及过量表达会导致细胞生长、增殖失控，进而引起癌变。

原癌基因编码的蛋白质涉及生长因子信号转导的多个环节

目前已知，原癌基因编码的蛋白质涉及生长因子信号转导的多个环节。依据它们在细胞信号转 导系统中的作用分为四类。
1、细胞外生长因子 生长因子是细胞外增殖信号，它们作用于膜受体，经各种信号通路，如 MAPK 通路等，引发一系列细胞增殖相关基因的转录激活。这些因子的过度表达，势必连续不断作用于相应的受体细胞，造成大量生长信号的待续输入，从而使细胞增殖失控。
已知人的原癌基因 C-SIS 编码 PDGF 的β链，作用于 PDGF 受体，激活 PLC-IP₃/DAG-PKC 途径，促进肿瘤细胞增殖。此外，C-SIS 表达产物还能促进肿瘤血管的生长，为肿瘤进展提供有利环境。目前已知与恶性肿瘤发生和发展有关的生长因子有 PDGF、EGF、TGF-β、FGF、IGF-1等。
2、跨膜生长因子受体 第二类原癌基因的产物为跨膜受体，它们接受细胞外的生长信号并将其传入细胞内。跨膜生长因子受体的膜内侧结构域，往往具有酪氨酸特异的蛋白激酶活性。这些受体型酪氨酸激酶通过多种信号通路，如 MAPK 通路、PI3K-AKT 通路等，加速增殖信号在胞内转导。许多恶性肿瘤如非小细胞型肺癌、乳腺癌等均出现 EGF/EGFR 的过度表达，EGF/EGFR 的过度表达或者异常活化常能引起细胞恶性转化，而这与多种肿瘤的发生发展、恶性程度以及预后具有密切相关性。另外，表皮生长因子还参与了肿瘤的血管生成作用，因此其过表达或异常活化会促进肿瘤进展。 3、细胞内信号转导分子 生长信号到达胞内后，借助一系列胞内信号转导体系，将接受到的生长信号由胞内传至核内，促进细胞生长。这些转导体系成员多数是原癌基因的产物，或者通过这些基因产物的作用影响第二信使，如 cAMP、DAG、Ca²⁺等。作为胞内信号转导分子的癌基因产物包括：非受体酪氨酸激酶 SRC、ABL 等，丝／苏氨酸激酶 RAF 等，低分子量G蛋白 RAS等。
4、核内转录因子 另外一些癌基因表达的蛋白质属于转录因子，通过与靶基因的顺式作用元件相结合，直接促进细胞增殖靶基因的转录。EGF 促肿瘤的一个重要机制就是通过活化 MAPK 通路而使原癌基因 FOS 活化，FOS 蛋白增加。FOS 蛋白可与 JUN 蛋白结合形成 AP-1, 而AP-1是一种广泛存在的高度活化的异源二聚体转录因子，能促进肿瘤的发生发展。

癌基因是肿瘤治疗的重要分子靶点

在许多人类肿瘤中都存在某些癌基因的过度活化，从而在肿瘤的发病机制中扮演着重要的角色，也为肿瘤治疗提供了靶位，此处仅以下述3个基因为例进行简要介绍。

BRAF 是黑素瘤治疗的重要分子靶点

原癌基因BRAF 所编码的蛋白质属于丝／苏氨酸激酶，是MAPK信号通路的重要组成分子，在调控细胞增殖、分化等方面发挥重要作用。人类肿瘤中，BRAF 基因存在不同比例的基因突变，其中约60%的黑素瘤中BRAF 发生突变，其第600位氨基酸从缬氨酸突变为谷氨酸(V600E)最为常见，导致B-RAF的持续激活。已有针对这类V600E突变的分子靶向药物威罗菲尼(vemurafenib)用于临床，该药可阻断突变B-RAF的活性，从而抑制肿瘤生长。

HER2 是乳腺癌治疗的重要分子靶点

HER2是表皮生长因子受体家族成员，具有蛋白酪氨酸激酶活性，能激活下游信号通路，从而促进细胞增殖和抑制细胞凋亡。在30%的乳腺癌中HE应基因发生扩增或者过度表达，其表达水平与治疗后复发率和不良预后显著相关。针对其过度表达的单克隆抗体药物赫赛汀(herceptin)已在临床使用。

BCR-ABL 是慢性髓性白血病治疗的重要分子靶点

慢性髓性白血病(CML)病人的9号染色体与22号染色体之间发生易位，从而融合产生了癌基因BCR-ABL , 编码的蛋白质BCR-ABL具有持续活化的蛋白酪氨酸激酶活性，能促进细胞增殖，并增加基因组的不稳定性。在95%的CML病人中都伴随有BCR-ABL融合基因的产生，在一些急性淋巴白血病病人中也有发现。针对BCR-ABL融合蛋白的药物伊马替尼(imatinib)2001年被FDA批准用于临床治疗。