肿瘤形成的基本理论

1. 肿瘤形成的基本理论 陈 莉 南通大学基础医学院

2. 肿瘤(tumor，neoplasm)是一类常见病、多发病，其中恶性肿瘤是目前危害人类健康最严重的一类疾病。在欧美一些国家，癌症的死亡率仅次于心血管系统疾病而居第二位。在我国，随着人口的老龄化，肿瘤的发病率和死亡率都有增加。继心血管疾病之后，肿瘤是另一威胁人类健康和生命的主要疾病。在世界范围内，至少有l／3的人在其一生中患上肿瘤；肿瘤是1／4的男性和l／5的女性的死亡原因。

3. 据我国1998年全国卫生事业发展情况统计公报的资料，城市地区居民恶性肿瘤死亡率居死因第一位，为139.28／10万，男性为166．92／10万，女性为109．99／10万。农村地区居民恶性肿瘤死亡率居死因第三位，为105．57/10万，男性为133．02/10万，女性为77．76／10万。据我国1998年全国卫生事业发展情况统计公报的资料，城市地区居民恶性肿瘤死亡率居死因第一位，为139.28／10万，男性为166．92／10万，女性为109．99／10万。农村地区居民恶性肿瘤死亡率居死因第三位，为105．57/10万，男性为133．02/10万，女性为77．76／10万。 我国最为常见和危害性严重的肿瘤按照死亡率排列为胃癌、肝癌、肺癌、食管癌、大肠癌、白血病及淋巴瘤、子宫颈癌、鼻咽癌、乳腺癌等。

4. 目前提出的有关肿瘤形成的基本理论： 1、肿瘤是一种基因病； 2、肿瘤是瘤细胞单克隆性扩增的结果； 3、原癌基因的激活和(或)肿瘤抑制基因的失活； 4、肿瘤是一个长期的、分阶段的、多种基因突变积累的过程； 5、肿瘤的发生是免疫监视功能丧失的结果。

5. 肿瘤的基本特征 一、肿瘤细胞的基本特征----异型性 肿瘤实质（parenchyma）——肿瘤细胞 决定肿瘤的生物学特征，确定其良恶性 识别肿瘤组织起源（histogenesis）， 肿瘤分类、命名与诊断。 癌细胞表型的改变通常与其基因型的改变相一致，含有异常畸变或数量不等的染色体；在显微镜下，癌细胞表现出快速异常失控性生长的特征，表现异型性。

6. 二、肿瘤肉眼形态 • 大小、色泽、部位、速度、外形、硬度

7. 三、肿瘤间质（mesenchyma，stroma） • 循环血液成分（水、血浆蛋白和各类不同数量的炎细胞） • 结缔组织和血管、淋巴管、骨、软骨等。 • 细胞间质中大分子物质（如胶原蛋白等）。

8. 肿瘤细胞生存的微环境。 营养支持肿瘤实质； 调节瘤细胞与宿主细胞之间液体、气体及细胞等物质交换； 肿瘤浸润的屏障。上皮性肿瘤基底膜在肿瘤发生浸润时常有基底膜断裂、不完整和缺失。 尽管肿瘤间质成分基本相同，但不同肿瘤间质在数量上表现有很大的差别，如硬癌、胰腺癌、胃癌，其间质成分可以占肿瘤的90%以上，相反如乳腺髓样癌，除有大量淋巴细胞外，其它间质成分很少。

9. 四、肿瘤的生物学行为----异质性 • 恶性肿瘤异质性（heterogeneity）：肿瘤含细胞表型不尽相同的细胞亚群，后者在细胞增殖率、形态、核型、细胞表面标记物、生化代谢、浸润转移能力以及对化疗、放疗等方面的反应均不一致。 • 由于肿瘤异质性使瘤细胞亚群虽然是同一转化细胞克隆的后代，但在细胞繁殖过程中形成了具有不同生物学特点的亚克隆，例如2/3的肺癌中常有2种或2种以上癌细胞表型，甚至同一细胞中有鳞和腺二种分化现象。肿瘤分化越低，异质性越明显。

11. 第一节 肿瘤是多步骤发生、多基因突变的演进性疾病 参与细胞生长调控的蛋白质大致分为5类： 生长因子(growth factors，GFs)、 生长因子受体(growth factor receptor GFR)、 细胞内信号转导子(intracellular signal transducers)、 细胞核转录因子(nuclear transcription factor) 细胞周期蛋白质(cell cycle protein)。

12. 在细胞生长、复制的过程中，可能随机地存在着破坏细胞生长、分裂调控机制的基因突变。如果这种突变发生，所产生的是“基因受损(gene damage)”的子细胞，当“基因受损”不断累积，细胞将失控性增长与分裂，显示其异质性的生物学行为。 这些不是简单地源于失控性的细胞生长，而是来自细胞演化过程中参与细胞生长调控的蛋白质的紊乱。

13. 肿瘤病因和多步骤发生、多基因突变的演进性机制肿瘤病因和多步骤发生、多基因突变的演进性机制

14. 单个的基因改变尚不足以造成细胞的完全恶性转化。要使得细胞完全恶性转化，需要多个基因的改变，包括几个癌基因的激活，两个或更多肿瘤抑制基因的失活，以及凋亡调节和DNA修复基因的改变。单个的基因改变尚不足以造成细胞的完全恶性转化。要使得细胞完全恶性转化，需要多个基因的改变，包括几个癌基因的激活，两个或更多肿瘤抑制基因的失活，以及凋亡调节和DNA修复基因的改变。 所谓肿瘤是一类“多基因疾病”，包括三层含义， ①肿瘤的发生源于遗传物质或基因的改变(genetic changes)； ②这种改变是多步骤(multistep)完成的； ③所有的基因变化最终导致细胞的失控性生长。

16. 第二节肿瘤的遗传易感性 目前发现不少常见肿瘤有家族史，如乳腺癌、胃肠癌、食管癌、肝癌、鼻咽癌、白血病、子宫内膜癌、前列腺癌、黑色素瘤等。根据遗传学原理，当某一特定的疾病以可预测的方式在家系内传递时，一定存在着遗传缺陷。然而这一观察结果却引出了一些复杂的问题： 亲代的某一遗传学缺陷是通过生殖细胞传给子代的，理应存在于子代的每一个细胞中，为何子代体内仅一处或几处发生肿瘤，而不是全身? 家族集聚性肿瘤的存在是否提示更为常见的散发性肿瘤也具有遗传学基础? 抑或散发性肿瘤与家族集聚性肿瘤各具完全不同的发生机制?

17. “二次打击学说” 1971年，Knudson提出了“二次打击学说” (Knudson’s two—hit theory)以回答上述问题。他以一种多发生于6岁以下儿童的视网膜恶性肿瘤为研究对象。Knudson注意到，肿瘤有时发生于双眼，但大多发生于单眼；于双眼发生肿瘤的儿童，往往其近亲也患有此病。统计学分析发现，双眼发病年龄早于单眼发病者。视网膜母细胞瘤的发生是不同时间发生的两种细胞缺陷所致，双眼患者的第一种细胞缺陷来自亲代遗传并存在于患者体内所有细胞中；而单眼患者的第一种细胞缺陷源自发育过程，且仅存于视网膜细胞中。无论在单眼或双眼患者，在第一种细胞缺陷的基础上，须加上“独立的”第二种细胞缺陷，视网膜母细胞瘤才会发生。所谓“打击”，即是对基因或DNA的损伤。

19. 反复的多次打击(multihit)。

20. 不同的肿瘤可能有不同遗传传递方式。真正直接遗传的肿瘤只是少数不常见的肿瘤，遗传因素在大多数肿瘤发生中的作用是对致癌因子的易感性或倾向性。 一些癌前病变，如结肠多发性腺瘤性息肉病、神经纤维瘤病等，它们本身不是恶性肿瘤，但恶变率极高，100％的结肠家族性多发性腺瘤性息肉病的病例在50岁以前发生恶变，成为多发性结肠腺癌。这些肿瘤和癌前病变都属单基因遗传，以常染色体显性遗传的规律出现。

21. 发生遗传性基因突变或缺失的都是肿瘤抑制基因，例如Rb、P53、APC等。这类肿瘤的发生需要二次突变(常染色体遗传肿瘤的隐性发病)。其特点为早年(儿童期)发病，肿瘤呈多发性，常累及双侧器官。 累及DNA修复基因： Bloom综合征(先天性毛细血管扩张性红斑及生长发育障碍)时易发生白血病及其他恶性肿瘤； 毛细血管扩张性共济失调症患者多发生急性白血病和淋巴瘤； 着色性干皮病患者经紫外光照射后易患皮肤基底细胞癌、鳞状细胞癌或黑色素瘤。以上三种遗传综合征均。 累及p53基因 Li—Fraumeni综合征患者易发生肉瘤、白血病和乳腺癌。 结肠腺瘤易发生结肠癌等

22. 抑癌基因在遗传学上属隐性基因(癌基因是显性基因)，生物学特征是抑制细胞增殖。抑癌基因的隐性遗传学特征使一对等位基因中的任何一个基因的丢失或破坏，都不足以使其抑制细胞增殖的功能失活，因另一个等位基因的完好仍能产生抑癌基因产物，并发挥其功能；只有一对等位基因全遭丢失或破坏，才能使其抑制细胞增殖的功能丧失。这一发现强有力地支持了Knudson的“二次打击学说”，也说明肿瘤的发生是由于一个等位基因的结构破坏或功能丧失和接踵而至的另一个等位基因功能减弱或结构受损的结果。 事实上遗传因素与环境因素在肿瘤发生中起协同作用，而环境因素更为重要。决定这类肿瘤的遗传因素是属于多基因的。

23. 第三节肿瘤的克隆演化理论和干细胞学说 一、肿瘤细胞的单克隆增生 20世纪80年代末，科学家们推测，原癌基因和抑癌基因在同一细胞内的先后突变是肿瘤发生的原因。肿瘤的发生、发展果然是一个细胞克隆演化的过程。首先，一个细胞有了一个基因突变，使其能在一般正常细胞不足以分裂的条件下进行分裂，继而子代细胞也有了同样的不正常分裂能力，使分裂继续下去；随后，细胞群中又有某一个再次发生基因突变，使其生长、分裂的能力进一步加强；如此，最终发展成为恶性肿瘤细胞。从而使“二次打击学说”上升为“克隆演化理论”(clonal evolution theory)，或“多步骤理论”(multistep theory)。

26. 1990年Fearon和Vogelstein提出了结直肠癌发生的基本模式：遗传改变的潜在序列为体细胞的生长提供了有利条件，使它们成为了肿瘤中的优势细胞，谓之克隆扩张。绝大多数结直肠癌发生的起始步骤是粘膜细胞内的APC基因突变，起动细胞克隆形成粘膜增生，继之发生DNA甲基化状态(DNA methylation)改变，使之极易发生另外突变。

27. 二、肿瘤干细胞学说 1、干细胞的概念 干细胞(stem cells)是一类未分化的原始细胞，其两大生物学特性为：多潜能分化能力和自我更新能力。 当干细胞分裂时，一个子细胞完全地复制成母细胞，而另一个子细胞则分化成熟，发展成特异组织的体细胞。几乎每种组织都有自己特异的干细胞，持续存在且数量很少，当组织老化或病变损伤时，这些细胞增殖分化，替代修复原有细胞。肿瘤细胞的生长繁殖和干细胞之间有许多惊人的相似之处，从而提出了肿瘤干细胞(Tumor stem cells)学说。

28. 2、肿瘤干细胞学说的理论基础为： ⑴ 细胞发生癌变必须累积许多突变，一般体细胞寿命较短，经数个周期的分裂生长就进入正常的程序化死亡，无法累积众多的突变；只有干细胞才可能长时间存活，从而可以接受所有的导致肿瘤的突变。 ⑵ 干细胞几乎无限的自我更新为发生基因突变提供了较多的可能。 ⑶ 肿瘤与干细胞一样，具有分裂增殖、迁移、再生长的能力。 ⑷肿瘤组织中仅有极小部分细胞(干细胞)能通过接种、培养或转移等方式形成新的肿瘤。

29. 3、干细胞与肿瘤 自肿瘤干细胞理论建立以来，从最早的血液系统肿瘤干细胞到最近的实体性肿瘤，如肺癌与其他肿瘤干细胞的确定，这一理论得到了有力的证实。 不同类型肿瘤干细胞的发现时间与文献 发现时间 肿瘤干细胞 文献 1994 白血病干细胞 Blood 2003 脑胶质瘤干细胞 CancerResearch 2003 乳腺癌干细胞 PNAS 2005 肺癌干细胞 Cell 2005 肝癌干细胞国际肝癌会议

30. 4、肿瘤干细胞的特征 （1）必然具备一定的正常组织干细胞的特征或标志， （2）存在其特有的分化增殖倾向 （3）该组织的肿瘤特征 如胰腺肿瘤干细胞的标志分子可能为PDX—1，Ptf—1等，同时也可能表达一些干细胞共同的表面分子，如CD34，CD44等。基于肿瘤的突变性质，胰腺肿瘤干细胞也有可能表达胰腺癌高表达的一些产物分子，如k—ras或Ki—67等。 因此寻找肿瘤干细胞在一定程度上依赖于的正常组织干细胞的细胞特征。

31. 长期慢性炎症与癌发生密切相关，可能的机制为炎症使细胞因子的释放，促炎症的转录因子上调，导致大量氧自由基的堆积，这些介质可引起实质细胞，包括潜在的干细胞中DNA的损伤，抑癌基因功能丢失，癌基因过度表达，和促进细胞周期的基因上调，导致细胞异常增生，进尔肿瘤发生。

32. 5、意义 肿瘤干细胞理论为肿瘤治疗提供了新的模式：这一模型跳出以往一味从基因水平来研究肿瘤的框架，从单个细胞水平来理解肿瘤形成机制和生物学特性。为正确理解肿瘤复发、转移机制、评价预后提供了理论基础，提供干细胞水平的治疗靶点。

33. 第四节 癌基因 首先要指出的是，原癌基因、癌基因，肿瘤抑制基因等名称，实际上是对细胞生长、分化起正向或者反向调节的基因。在保持机体的正常功能方面起重要的作用。如果发生异常改变，则可能引起细胞的转化和肿瘤的发生。肿瘤的发生发展本质上是细胞原癌基因的激活和抑癌基因的失活和DNA错配修复缺陷造成的

34. 一、原癌基因、癌基因及其产物 现代分子生物学的重大成就之一 。 1970年Bishop，Varmus及同事们在研究鸡肉瘤病毒(Rous sarcoma virus，RSV)时，发现RSV所携带的src基因能够使正常细胞转化为肿瘤细胞；随后发现src基因亦存在于人类的正常细胞。进一步研究表明，生物界有一类在长期的进化过程中被保留下来的高度保守基因，调控着正常细胞的生命活动，包括细胞增生、生长因子信号传递、细胞周期进展、细胞存活以及DNA转录等。一旦这类基因发生某些错误(如突变、缺失、扩增或重排等)或功能丧失时，极易导致本来就存在于正常细胞中的以非激活形式存在的原癌基因(proto-oncogene)转变为可使正常细胞转化为肿瘤的转化基因(transforming gene)或癌基因(oncogene)。

35. 1、癌基因：能导致细胞恶性转化的核酸片段。1、癌基因：能导致细胞恶性转化的核酸片段。 Bishop和Varmus因此获得1989年的诺贝尔奖。癌基因由3个小写字母命名(如src)（p53-基因，P53-蛋白)；逆转录病毒中的癌基因加前缀V—(如V—src)，正常细胞中的原癌基因加前缀C—(如C—src)。在随后的20多年里，人们发现了一百多个原癌基因及其产物，或是生长因子(如sis)、生长因子受体(如erbB)，或是信号转导途径上的成分(如ras)、转录因子(如myc)。上述因子被激活时，正常细胞可能转化为呈失控性生长的肿瘤细胞。 原癌基因可因多种因素的作用而被激活成为癌基因。癌基因可以理解为具有潜在的转化细胞能力的基因。

36. 2、 主要的癌基因，其活化方式和相关的人类肿瘤 分类 原癌基因 活化机制 相关人类肿瘤 生长因子 PDGF—β链 sis 过度表达 星形细胞瘤，骨肉瘤 纤维母细胞生长因子 hst-1 过度表达 胃癌 int-2 扩增 膀胱癌，乳腺癌，黑色素瘤 生长因子受体 EGF受体家族 erb-B1 过度表达 肺鳞癌 erb-B2 扩增 乳腺癌，卵巢癌，肺癌和胃癌 erb-B3 过度表达 乳腺癌 集落刺激因子-1受体 fms 点突变 白血病 ret 点突变 多发性内分泌肿瘤2A和B，家族性甲 重排 状腺髓样癌， 自发性甲状腺乳头状癌

37. 信号转导蛋白 GTP结合蛋白 ras 点突变 肺癌、结肠癌，胰腺癌，多种白血病 非受体型酪氨酸激酶 abl 易位 慢性粒细胞白血病，急性淋巴细胞白血病 核调节蛋白 转录活化因子 myc 易位 伯基特淋巴瘤 N-myc 扩增 神经母细胞瘤，小细胞肺癌 L-myc 扩增 小细胞肺癌 细胞周期调节蛋白cyclinD 易位 套细胞淋巴瘤 周期素 扩增 乳腺癌，肝癌，食道癌 周期素依赖激酶 CDK4 扩增或点突变 胶质母细胞瘤，黑色素瘤，肉瘤

38. 二、原癌基因的激活与对靶细胞的影响 1、 原癌基因的激活有两种方式： ①、发生结构改变(突变)，产生具有异常功能的癌蛋白； ②、基因表达调节的改变(过度表达)，产生过量的结构正常的生长促进蛋白。基因水平的改变继而导致细胞生长刺激信号的过度或持续出现，使细胞发生转化。

39. 2、引起原癌基因突变的DNA结构改变有： ⑴ 点突变、移码突变 如ras原癌基因第l外显子的第12号密码子从GGC突变为GTC，相应编码的氨基酸从甘氨酸变为缬氨酸，转录产生异常蛋白。细胞中癌基因与抑癌基因所发生的突变包括生殖细胞和体细胞两种突变。大部分肿瘤所发生的基因改变都是后天获得,即体细胞突变。 ⑵ 染色体易位 如伯基特淋巴瘤的t(8；14)使得c-myc基因和IgH基因拼接，造成c-myc基因的过度表达。易位使癌基因被激活,或使抑癌基因失活,从而使细胞恶变。 ⑶ 基因扩增 肿瘤细胞内一些癌基因在DNA复制中通过不明机制变成多个拷贝,形成双微体、均染区和异常显带区。这种扩增往往导致基因表达产物的增加,如神经母细胞瘤的N—myc原癌基因可复制成多达几百个拷贝，在细胞遗传学上表现为染色体出现双微小体和均染区。

40. ⑷ 基因的插入DNA 的插入是引起细胞基因重排、活化C－onc 并增强其表达水平导致癌变的普遍形式。所插入的基因有外源性和内源性两种。 ⑸基因转录的改变细胞核内编码蛋白质的改变也是细胞转化为恶性的重要特征。转化细胞与正常细胞的许多差别中的大部是由特异性的基因转录和转录的相对稳定性发生改变所致。就转化细胞而言，总mRNA中只有3％是特异的，但仅此水平就足以使所翻译的蛋白质对细胞的生长和形态产生多种影响。

41. 3、癌基因对靶细胞的影响 突变的癌基因编码的蛋白质(癌蛋白，oncoprotein)与原癌基因的正常产物有结构上的不同，并失去正常产物的生长调节作用。可通过以下方式影响其靶细胞： （1）生长因子增加； （2）生长因子受体增加； （3）产生突变的信号转导蛋白； （4）产生与DNA结合的转录因子等； （5）癌基因之间的协同作用 。

42. 三、新近研究的癌基因 ㈠ Survivin Survivin是新近发现的一种抑制细胞凋亡蛋白(inhibitor of apoptosis protein , IAP)家族成员,特异性表达于人和鼠的胚胎发育组织以及多数人类肿瘤细胞。 1、Survivin的结构与功能 Survivin是1997年Altieri DC等在研究效应细胞蛋白酶受体-1 (EPR-1)时发现的。人类Survivin基因全长14.7个Kb，定位于染色体17q25 上，此位点不稳定时可能涉及t (14 ;18) (q32 ;21) 异位和(或) Bcl22 基因的转录激活。

43. 2、Survivin在肿瘤中的表达 Survivin广泛表达于人类各种肿瘤组织，而在正常组织中表达很少。体内外实验表明，Survivin可在多种转化细胞中表达，而且在大部分人类常见肿瘤如肺癌，结肠癌，胰腺癌、前列腺癌和乳腺癌等中表达。在大多数肿瘤中Survivin表达与不良预后和病人的生存率降低有关。 我们在脑胶质瘤和肝癌中进行了研究。

44. 3、Survivin研究的展望 ⑴ Survivin 作为一种抗凋亡基因表达的调控，与其他各种凋亡基因的关系等。 ⑵目前已有很多文献报道将反义Survivin用于对肿瘤的基因疗法，并认为由于Survivin在大多肿瘤中表达，而在正常组织中不表达，反义Survivin特异靶向疗法有一定的优势。不同来源的肿瘤可能产生并递呈相同类型的Survivin表位抗原，反义Survivin对此能产生特异性拮抗作用； CD8＋T细胞和单核来源的树突状细胞可归巢至原发的实体肿瘤部位，这使得树突状细胞作为抗原提呈细胞将Survivin递呈给早期CD8＋T细胞成为可能，同时转移性肿瘤细胞亦可作为抗原提呈细胞将Survivin递呈给免疫系统(淋巴结)的成熟CD8＋T细胞，使其活化为细胞毒性淋巴细胞(CTL)，释放入循环系统，归巢至肿瘤原发灶，发挥细胞毒效应而杀伤肿瘤细胞。

45. ㈡ ERBB2(HER2) 原癌基因HER2编码的人表皮生长因子受体2(HER2)是一种跨膜受体，具有内在酪氨酸激酶活性。胞内酪氨酸激酶的磷酸化通过胞内信号转到途径激活于细胞生长有关的基因。 HER2的过表达是许多癌症中常见的分子事件，并与患者的不良预后、术后短期复发以及低存活率密切相关。

46. 2001年，Riou等在172名乳腺癌患者中用Southern印迹法分析HER2基因扩增、用免疫组化法测定过表达的HER2蛋白，结果发现，尽管有许多肿瘤样本同时显示基因扩增和蛋白质过表达，但其中有12％的肿瘤样本虽有蛋白质过表达却无基因扩增。他们用多因素分析法评价蛋白质过表达于死亡相对风险的相关，得出HER2基因扩增是死亡相对风险的独立预后指标，仅有蛋白质超表达而无基因扩增这与死亡相对风险并无相关。他们的结论是：对乳腺癌患者HER2基因扩增较之HER2蛋白过表达是不良预后的更好的指标。HER2基因扩增是第一个在临床上用作预后和化疗效果预测因子的遗传学改变的指标 。

47. 第五节 抑癌基因 20世纪80年代后期，又发现与原癌基因编码的蛋白质促进细胞生长相反，在正常情况下细胞内的另一类基因的产物能抑制细胞的生长。谓之抗癌基因(antioncogenes)或肿瘤抑制基因(tumour-suppressor genes)；当它们发生遗传上的错误改变而失活或功能丢失时，细胞将失去这种重要的负性调控物质，正常细胞即可能转变为肿瘤细胞。自1986年首次分离Rb后，已发现10余个抑癌基因，它们以缺失、突变等方式在人类肿瘤的形成中发挥作用。

48. 一、确定抗癌基因应具备以下条件 1、在该恶性肿瘤的相应正常组织中必须有正常的表达; 2、在该种恶性肿瘤中该基因有所改变,包括点突变、DNA 片段或全基因的缺失或表达缺陷; 3、导入该基因到有该基因缺陷的恶性肿瘤细胞中将部分或全部抑制其恶性表型。

49. 二、常见的 抑癌基因

50. 三、抑癌基因失活的调控 与原癌基因的激活不同的是，肿瘤抑制基因的失活多数是通过等位基因的两次突变或缺失(纯合子)的方式实现的。目前了解最多的两种肿瘤抑制基因是Rb基因和p53基因。它们的产物都是以转录调节因子的方式调节核转录和细胞周期的核蛋白。 其它的肿瘤抑制基因还有 神经纤维瘤病-l基因(neurofibromatosis I，NF-1)、 结肠腺瘤性息肉基因(adenomatous polypsis coli，APC)、 结肠癌丢失基因(deleted in colon carcinoma，DCC)、 p16基因、Wilm瘤-l基因(WT-1)、PTEN、DPC4等。