生物化學與分子生物學/癌基因

癌基因和抑癌基因 - 癌基因 - 抑癌基因
癌基因 (oncogene) 是能導致細胞發生惡性轉化和誘發癌症的基因。絕大多數癌基因是細胞內正常的原癌基因(proto-oncogene) 突變或表達水平異常升高轉變而來，某些病毒也攜帶癌基因。

原癌基因是人類基因組中具有正常功能的基因

原癌基因及其表達產物是細胞正常生理功能的重要組成部分，原癌基因所編碼的蛋白質在正常條件下並不具致癌活性，原癌基因只有經過突變等被活化後才有致癌活性，轉變為癌基因。在 20 世紀 70 年代中期，研究人員提出，腫瘤發生是由於細胞中的原癌基因在致癌因素的作用下激活或突變為致癌基因而引起。
原癌基因在進化上高度保守，從單細胞酵母、無脊椎生物到脊椎動物乃至人類的正常細胞都存在着這些基因。原癌基因的表達產物對細胞正常生長、增殖和分化起着精確的調控作用。在某些因素（如放射線、有害化學物質等）作用下，這類基因結構發生異常或表達失控，轉變為癌基因，導致細胞生長增殖和分化異常，部分細胞發生惡性轉化從而形成腫瘤。
許多原癌基因在結構上具有相似性，功能上亦高度相關。故而可據此將原癌基因和癌基因區分為不同的基因家族，重要的有SRC、RAS 和MYC 等基因家族。
SRC家族包括SRC 和LCK 等多個基因。SRC最初是在引起肉瘤(sarcoma)的勞斯肉瘤病毒(Rous sarcoma virus, RSV)中發現的，病毒癌基因名為v-src。該基因家族的產物具有酪氨酸激酶活性，在細胞內常位於膜的內側部分，接受受體酪氨酸激酶（如PDGF受體）的活化信號而激活，促進增殖信號的轉導。這些酶因突變而導致的待續活化是其促進腫瘤發生的主要原因。
RAS家族包括H-RAS、K-RAS、N-RAS 等成員。H-RAS 和K-RAS 最初分別在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，分別稱為v-Hras和v-Kras。原癌基因K-RAS突變是惡性腫瘤中最常見的基因突變之一，在81%的胰腺癌病人的腫瘤組織可檢測到。 RAS基因編碼低分子量G蛋白，在腫瘤中發生突變後，往往造成其GTP酶活性喪失，RAS 始終以 GTP 結合形式存在，即處於待續活化狀態，導致細胞內的增殖信號通路持續開放。
MYC家族主要包括C-MYC、N-MYC 和L-MYC。MYC最初在禽骨髓細胞瘤病毒(avian myelocytomatosis virus, AMV)被發現，並因而得名為v-myc。MYC基因家族編碼轉錄因子，有直接調節其他基因轉錄的作用。原癌基因C-MYC編碼的49kD的MYC與MAX蛋白形成異二聚體，與特異的順式作用元件結合，活化靶基因的轉錄。MYC的靶基因多編碼細胞增殖信號分子，故細胞內MYC蛋白可促進細胞的增殖。

某些病毒的基因組中含有癌基因

一些病毒能導致腫瘤發生，稱為腫瘤病毒(tumor virus)。 腫瘤病毒大多為RNA病毒，且目前發現的RNA腫瘤病毒都是逆轉錄病毒，如前述的RSV、AMY、Harvey大鼠肉瘤病毒和Kirsten鼠科肉瘤病毒等。DNA腫瘤病毒常見的有人乳頭瘤病毒(Human papilloma virus, HPV)和乙型肝炎病毒(Hepatitis B virus, HBV)等。RNA腫瘤病毒和DNA腫瘤病毒的致癌機制不同。
事實上，癌基因最早發現於RNA腫瘤病毒。1910年，Rous F首次發現病毒可導致雞肉瘤，提出病毒導致腫瘤的觀點。該病毒後來被命名為勞斯肉瘤病毒(Rous sarcoma virus, RSV)。在深入研究RSV的致癌分子機制時，研究人員比較了具備轉化和不具備轉化特性的RSV的基因組，發現了一個特殊的基因src,將這一基因導入正常細胞可使之發生惡性轉化。以後又在其他逆轉錄病毒中陸續發現了 一些使宿主患腫瘤的基因。
1976年，Varmus HE和 Bishop JM 發現，逆轉錄病毒RSV攜帶的癌基因v-src在進化過程中來源於宿主細胞的原癌基因C-SRC, 進而提出：RNA腫瘤病毒攜帶的癌基因來源於細胞原癌基因。關於其起源進化的分子機制，目前認為，逆轉錄病毒感染宿主細胞後，在逆轉錄酶作用下，以病毒RNA基因組為模板合成雙鏈DNA即前病毒DNA(provirus) , 並整合於宿主細胞基因組的原癌基因附近，在後續的病毒複製和包裝過程中，經過複雜而巧妙的刪除、剪接、突變、重組等過程，逆轉錄病毒最終將細胞原癌基因「劫待」並改造為具有致癌能力的病毒癌基因，成為新病毒基因組的一部分。
目前已發現的病毒癌基因有幾十種。需要注意的是，病毒有致癌能力並不意味着其一定含有病毒癌基因。有致癌特性的逆轉錄病毒可區分為急性轉化逆轉錄病毒和慢性轉化逆轉錄病毒兩類。前者含有癌基因，能迅速在幾天內誘發腫瘤，後者則不含有癌基因，而是通過將其基因組插入至宿主細胞的原癌基因附近，從而激活原癌基因而誘發腫瘤，故其致癌效應較慢，常需數月甚至數年，有較長的潛伏期。
逆轉錄病毒的癌基因也可以視為是原癌基因的活化或激活形式，它有利於病毒在腫瘤細胞中的複製，但對病毒複製包裝無直接作用，對逆轉錄病毒基因組不是必需的。與之不同，已知的DNA病毒 的癌基因則是其基因組不可或缺的部分，對病毒複製是必需的，目前也沒有證據表明其有同源的原癌基因，如HPV基因組中的癌基因E6和E7。通常可將RNA腫瘤病毒的癌基因的名稱冠以前綴v-,寫為小寫斜體，如v-src,而將正常人類細胞中的原癌基因則冠以前綴C-寫為大寫斜體，如C-SRC,以示區分。其編碼的蛋白質則通常寫為正體，如v-src和C-SRC。

原癌基因有多種活化機制

原癌基因在物理、化學及生物因素的作用下發生突變，表達產物的質和量的變化，表達方式在時間 及空間上的改變，都有可能使細胞脫離正常的信號控制，獲得不受控制的異常增殖能力而發生惡性轉化。從正常的原癌基因轉變為具有使細胞發生惡性轉化的癌基因的過程稱為原癌基因的活化，這種轉變屬於功能獲得突變(gain-of-function mutation)。 原癌基因活化的機制主要有下述四種。

基因突變常導致原癌基因編碼的蛋白質的活性持續性激活

各種類型的基因突變如鹼基替換、缺失或插入，都有可能激活原癌基因。較為常見和典型的是錯義點突變，導致基因編碼的蛋白質中的關鍵胺基酸殘基改變，造成突變蛋白質的活性呈現持續性激 活。如H-RAS中的GGC，在膀胱癌中突變為GTC,使得表達產物RAS的第12位甘氨酸突變為纈氨酸，結果使其喪失GTP酶活性，RAS始終以GTP結合的活性形式存在。

基因擴增導致原癌基因過量表達

原癌基因可通過基因擴增(gene amplification)使基因拷貝數升高幾十甚至上千倍不等，發生擴增的機制目前尚不清楚。基因擴增可致編碼產物過量表達，細胞發生轉化。例如小細胞肺癌中C-MYC的擴增和乳腺癌中HER2 的擴增都在腫瘤發生中具有重要作用。

染色體易位導致原癌基因表達增強或產生新的融合基因

染色體易位可通過兩種機制致癌。第一，染色體易位使原癌基因易位至強的啟動子或增強子的附近，導致其轉錄水平大大提高。例如，人Burkitt淋巴瘤細胞中，位於8號染色體上的C-MYC基因移位到14號染色體的免疫球蛋白重鏈基因的增強子附近，使C-MYC基因在該增強子的控制下過量表達。第二，染色體易位導致產生新的融合基因。例如，慢性髓性白血病(chronic myelogenous leukemia, CML)中，22號染色體的BCR(breakpoint cluster region)基因與9號染色體的ABL基因發生染色體易位產生融合基因BCR-ABL,進而表達為融合蛋白BCR-ABL,導致ABL的蛋白酪氨酸激酶活性持續增高。該易位產生的較小的異常22號染色體，最早於1960年在美國費城發現，故又稱費城染色體(Philadelphia chromosome)或Ph染色體(Ph chromosome), 是CML的標誌染色體。

獲得啟動子或增強子導致原癌基因表達增強

如前所述，染色體易位可使原癌基因獲得增強子而被活化。此外，逆轉錄病毒的前病毒DNA的兩個末端是特殊的長末端重複序列(LTR),含有較強的啟動子或增強子元件。如果前病毒 DNA 恰好整合到原癌基因附近或內部，就會導致原癌基因的表達不受原有啟動子的正常調控，而成為病毒啟動子或增強子的控制對象，往往導致該原癌基因的過量表達。如雞的白細胞增生病毒引起的淋巴瘤，就是因為該病毒的LTR序列整合到宿主的 C-MYC 基因附近，LTR中的強啟動子可使 C-MYC 的表達比正常高出30～100倍。
不同的癌基因有不同的激活方式，一種癌基因也可有幾種激活方式。例如 C-MYC 的激活就有基因擴增和染色體易位等方式，但很少見到 C-MYC 的點突變；而RAS的激活方式則主要是點突變。
兩種或更多的原癌基因活化可有協同作用，抑癌基因的失活也會產生協同作用。在腫瘤細胞中 常發現兩種或多種細胞癌基因的活化。例如，白血病細胞株HL-60中有 C-MYC 和N-RAS的同時活化。實驗也證明癌基因的協同作用可使細胞更易發生惡性轉化。例如原代培養的大鼠胚胎成纖維細胞傳代 50 次左右就會死亡，如僅導入重排的 C-MYC 可使它永生化，但細胞表型無惡性行為；如僅導入活化的突變RAS基因，細胞形態發生改變，但不能無限傳代及形成腫瘤。只有同時導入 C-MYC 和N-RAS, 細胞才會發生惡性變，並在動物中成瘤。

原癌基因編碼的蛋白質與生長因子密切相關

生長因子(growth factor) 是一類由細胞分泌的、類似於激素的信號分子，多數為肽類或蛋白質類物質，具有調節細胞生長與分化的作用。在體外培養細胞時，培養基中除了含有胺基酸、維生素和無機鹽等一系列必需營養物質外，還必須添加含有多種生長因子的胎牛血清，細胞才能保持良好的生長、增殖狀態。生長因子在腫瘤、心血管疾病等多種疾病的發生發展過程中發揮重要作用，不少生長因子已經應用於臨床治療。目前已知，原癌基因編碼的蛋白質參與調控細胞增殖、分化與生長等各個環節，與生長因子密切相關。

生長因子主要有三種作用模式

目前已發現的肽類生長因子有數十種，而且還在不斷增加。生長因子可以根據其來源進行分類和命名，也可以依據其作用方式分類。
生長因子來源於多種不同組織，其靶細胞亦各不相同。有的生長因子作用的細胞比較單一，如 EPO 及 VEGF,分別主要作用於紅細胞系和血管內皮細胞；也有的生長因子作用的細胞譜型比較廣，如成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor, FGF)對間充質細胞、內分泌細胞和神經系統細胞都有作用。
NGF 是最早被發現的生長因子。1948年，E.Bueker 等發現將小鼠肉瘤組織植入胚胎體壁可使移植區神經節增加。隨後，R.Levi-Montolcini 等發現肉瘤組織的植入不僅可使局部神經節增加，而且可使遠隔部位的神經節增加。由此設想肉瘤組織釋放了一種可擴散因子作用於遠隔部位。後來證實這種因子就是神經生長因子，它有刺激神經元生長以及神經纖維延長的功能。1959 年 S.Cohen又發現了EGF。R.Levi-Montolcini 和 S.Cohen 由於在這一領域的成就榮獲了 1986 年諾貝爾生理學或醫學獎。
與其他細胞外信號分子一樣，根據產生細胞與靶細胞間的關係，生長因子的作用模式可分為3種：①內分泌方式：生長因子從細胞分泌出來後，通過血液運輸作用於遠端靶細胞。如源於血小板的 PDGF 可作用於結締組織細胞；②旁分泌方式：細胞分泌的生長因子作用於鄰近的其他類型細胞，對合成、分泌生長因子的自身細胞不發生作用，因為其缺乏相應受體；③自分泌方式：生長因子作用於合成及分泌該生長因子的細胞本身。生長因子以後兩種的作用方式為主，經細胞分泌後在胞外運送，最終作用於自身細胞或者其他細胞，傳遞它們獨特的生物學信息。生長因子將組織內的細胞連接成為一個有機整體網絡，相互之間進行着持續不斷的交流溝通。

生長因子的功能主要是正調節靶細胞生長

目前對大部分生長因子的結構與功能了解得相當清楚。大多數生長因子具有促進靶細胞生長的 功能，少數具有負調節功能，還有一些具有正、負雙重調節作用。
生長因子的生物學效應主要表現在促進細胞生長、分化、促進個體發育等方面。但是有些生長因 子具有雙重調節作用或負調節作用。例如，NGF 對神經系統的生長具有促進作用，但對成纖維細胞的 DNA 合成卻有微弱的抑制作用。TGF-β 也是這樣，對成纖維細胞有促進生長的作用，但對其他多種細胞具有抑制作用。其具體作用取決千與其他生長因子的相互作用和環境條件。
同一生長因子對不同細胞的作用有所不同，如肝細胞生長因子 (hepatocyte growth factor, HGF) 對正常肝細胞的生長起促進作用，但對肝癌細胞的增殖則有抑制作用。一種細胞也可受不同生長因子調節，如胚胎時屬於間充質細胞的成纖維細胞可被EGF、IGF和多種 FGF 所調節，但不被 HGF 調節。還有一些以前認為作用比較單一的生長因子，近來發現對其他細胞也有作用。 如內皮素(endothelin, ET) 除了對內皮細胞的作用外，可能對腦、垂體的神經內分泌也有作用。
具有負調節作用的生長因子比較少，人們通常把這種負調節因子 (negative growth factor) 稱為細胞生長抑制因子。抑素 (chalone) 是最早被確認的生長抑制因子，以後又發現 TGF-β、干擾素(interferon) 和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor, TNF) 等也具有抑素的某些特徵，但它們實際上都是雙重調節，只不過以負調節為主。目前對生長抑制因子尚無統一的標準或定義，也沒有明確的學說闡明其作用機制，但是其在腫瘤、心血管疾病等疾病防治方面的潛在應用前景是不可否認的。因此對負調節因子的研究，始終是生物醫學界的一個熱點領域。

生長因子通過細胞內信號轉導而發揮其功能

生長因子的作用通過受體介導的細胞信號轉導而實現。生長因子的受體多位於靶細胞膜，為一類跨膜蛋白，多數具有蛋白激酶特別是酪氨酸蛋白激酶活性，也有少數具有絲／蘇氨酸蛋白激酶活性。最近發現細胞核也存在 EGF 等生長因子的受體樣蛋白質。有 些生長因子受體（如EGF 受體）與原癌基因產物有高度同源性。對生長因子受體的研究不僅有助於了解細胞的增殖分化，而且對了解腫瘤的發生、發展及治療也具有重要意義。
大部分生長因子的受體屬千受體酪氨酸激酶家族，如 EGF 受體、FGF 受體、PDGF 受體、HGF受體、VEGF 受體等，胰島素受體也屬於受體酪氨酸激酶。位於膜表面的受體是跨膜受體蛋白質，包含具有酪氨酸激酶活性的胞內結構域。當生長因子與這類受體結合後，受體所包含的酪氨酸激酶被活化，使胞內的相關蛋白質被直接磷酸化。另一些膜上的受體則通過胞內信號傳遞體系，產生相應的第二信使，後者使蛋白激酶活化，活化的蛋白激酶同樣可使胞內相關蛋白質磷酸化。這些被磷酸化的蛋白質再活化核內的轉錄因子，引發基因轉錄，達到調節生長與分化的作用。
另一類生長因子受體定位於細胞質，當生長因子與胞內相應受體結合後，形成生長因子－受體複合物，後者亦可進入胞核活化相關基因促進細胞生長。
原癌基因表達產物有的屬於生長因子或生長因子受體；有的屬於胞內信息傳遞體亦或核內轉錄因子。發生突變的原癌基因可能生成上述產物的變異體，後者的生成及過量表達會導致細胞生長、增殖失控，進而引起癌變。

原癌基因編碼的蛋白質涉及生長因子信號轉導的多個環節

目前已知，原癌基因編碼的蛋白質涉及生長因子信號轉導的多個環節。依據它們在細胞信號轉 導系統中的作用分為四類。
1、細胞外生長因子 生長因子是細胞外增殖信號，它們作用於膜受體，經各種信號通路，如 MAPK 通路等，引發一系列細胞增殖相關基因的轉錄激活。這些因子的過度表達，勢必連續不斷作用於相應的受體細胞，造成大量生長信號的待續輸入，從而使細胞增殖失控。
已知人的原癌基因 C-SIS 編碼 PDGF 的β鏈，作用於 PDGF 受體，激活 PLC-IP₃/DAG-PKC 途徑，促進腫瘤細胞增殖。此外，C-SIS 表達產物還能促進腫瘤血管的生長，為腫瘤進展提供有利環境。目前已知與惡性腫瘤發生和發展有關的生長因子有 PDGF、EGF、TGF-β、FGF、IGF-1等。
2、跨膜生長因子受體 第二類原癌基因的產物為跨膜受體，它們接受細胞外的生長信號並將其傳入細胞內。跨膜生長因子受體的膜內側結構域，往往具有酪氨酸特異的蛋白激酶活性。這些受體型酪氨酸激酶通過多種信號通路，如 MAPK 通路、PI3K-AKT 通路等，加速增殖信號在胞內轉導。許多惡性腫瘤如非小細胞型肺癌、乳腺癌等均出現 EGF/EGFR 的過度表達，EGF/EGFR 的過度表達或者異常活化常能引起細胞惡性轉化，而這與多種腫瘤的發生發展、惡性程度以及預後具有密切相關性。另外，表皮生長因子還參與了腫瘤的血管生成作用，因此其過表達或異常活化會促進腫瘤進展。 3、細胞內信號轉導分子 生長信號到達胞內後，藉助一系列胞內信號轉導體系，將接受到的生長信號由胞內傳至核內，促進細胞生長。這些轉導體系成員多數是原癌基因的產物，或者通過這些基因產物的作用影響第二信使，如 cAMP、DAG、Ca²⁺等。作為胞內信號轉導分子的癌基因產物包括：非受體酪氨酸激酶 SRC、ABL 等，絲／蘇氨酸激酶 RAF 等，低分子量G蛋白 RAS等。
4、核內轉錄因子 另外一些癌基因表達的蛋白質屬於轉錄因子，通過與靶基因的順式作用元件相結合，直接促進細胞增殖靶基因的轉錄。EGF 促腫瘤的一個重要機制就是通過活化 MAPK 通路而使原癌基因 FOS 活化，FOS 蛋白增加。FOS 蛋白可與 JUN 蛋白結合形成 AP-1, 而AP-1是一種廣泛存在的高度活化的異源二聚體轉錄因子，能促進腫瘤的發生發展。

癌基因是腫瘤治療的重要分子靶點

在許多人類腫瘤中都存在某些癌基因的過度活化，從而在腫瘤的發病機制中扮演着重要的角色，也為腫瘤治療提供了靶位，此處僅以下述3個基因為例進行簡要介紹。

BRAF 是黑素瘤治療的重要分子靶點

原癌基因BRAF 所編碼的蛋白質屬於絲／蘇氨酸激酶，是MAPK信號通路的重要組成分子，在調控細胞增殖、分化等方面發揮重要作用。人類腫瘤中，BRAF 基因存在不同比例的基因突變，其中約60%的黑素瘤中BRAF 發生突變，其第600位胺基酸從纈氨酸突變為穀氨酸(V600E)最為常見，導致B-RAF的持續激活。已有針對這類V600E突變的分子靶向藥物威羅菲尼(vemurafenib)用於臨床，該藥可阻斷突變B-RAF的活性，從而抑制腫瘤生長。

HER2 是乳腺癌治療的重要分子靶點

HER2是表皮生長因子受體家族成員，具有蛋白酪氨酸激酶活性，能激活下游信號通路，從而促進細胞增殖和抑制細胞凋亡。在30%的乳腺癌中HE應基因發生擴增或者過度表達，其表達水平與治療後復發率和不良預後顯著相關。針對其過度表達的單克隆抗體藥物赫賽汀(herceptin)已在臨床使用。

BCR-ABL 是慢性髓性白血病治療的重要分子靶點

慢性髓性白血病(CML)病人的9號染色體與22號染色體之間發生易位，從而融合產生了癌基因BCR-ABL , 編碼的蛋白質BCR-ABL具有持續活化的蛋白酪氨酸激酶活性，能促進細胞增殖，並增加基因組的不穩定性。在95%的CML病人中都伴隨有BCR-ABL融合基因的產生，在一些急性淋巴白血病病人中也有發現。針對BCR-ABL融合蛋白的藥物伊馬替尼(imatinib)2001年被FDA批准用於臨床治療。