肿瘤生物学：（6）抑癌基因

我们一直在做肿瘤相关数据分析，但却很少深入理解它的生物学机制。恰好最近看到了一个优秀的公众号做了两个系列读书笔记，包括《肿瘤生物学》和《癌生物学》。很容易找到这两本书的中英文电子版pdf，也很容易在京东等平台购买实体书。但是，拥有书籍不代表获得知识，如果你还没有下定决心看这两个大部头书籍，不妨先跟着我们转载的读书笔记简单认识一下他们。

前面的两个笔记是：

肿瘤生物学：（3）细胞癌基因

肿瘤生物学：（4）生长因子、受体与癌症

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前言

原癌基因和癌基因的发现为细胞增殖的驱动机制提供了简单而有力的解释。然而，这一精心设计的调控系统在逻辑上意味着促进这一过程的分子必然被另外一些与此过程相拮抗的分子所中和平衡，生物学系统也遵循这一定律。

20世纪70年代和80年代早期，与癌基因的已知性质相悖的肿瘤细胞遗传学试验证据逐渐增多，这暗示着存在另一类功能不同的细胞生长调控基因——限制或抑制细胞增殖。这类抗生长基因称为抑癌基因（TSG），这类基因的失活或丢失参与肿瘤形成。

经过近30年的时间，我们逐渐认识到抑癌基因的失活在肿瘤发病过程中与癌基因的激活起着同样重要的作用。实际上，在人类许多肿瘤细胞的形成过程中，这些基因在细胞基因组中的丢失可能比癌基因的激活更为重要一些。

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肿瘤细胞的隐性表型特征

20世纪70年代的肿瘤病毒研究发现这些感染因素携带大量致癌基因，一旦肿瘤病毒基因组转入正常细胞后会引起这个细胞发生转化。这提示肿瘤细胞的生长与正常细胞生长相比是显性表型，因此认为正常细胞的生长是隐性的。

然而，当时就有人对上述观点持怀疑态度，此外20世纪80年代的一些研究结果也为这一质疑提供了支持证据，即人类大多数肿瘤并不是肿瘤病毒感染的结果。

发现肿瘤相关的隐性等位基因的重要线索最初来源于英国牛津大学的细胞融合试验。利用细胞融合技术可以获得来源于不同物种的杂交细胞，将未分化的细胞与分化细胞融合，可以观察哪种细胞表型起决定性作用。

当时人们更愿意相信肿瘤是一种强效的显性表型，当与正常细胞融合在一起时，将产生与正常细胞截然不同的生长模式。然而有理不在声高，大量试验证据表明，当肿瘤细胞与正常细胞融合后，将产生的四倍体或亚四倍体杂交细胞注射入合适的宿主动物体内，发现这些细胞将失去肿瘤形成的能力。这个出乎意料的结果表明相对于正常野生型生长表型来说，恶性细胞表型是隐形的。

实际上可以通过一个简单的遗传学模型来解释上述现象。这基于一个常见的遗传学现象：一个突变失活的等位基因在一个完整的野生型等位基因存在时是隐性的。由于这些基因的野生型能够拮抗肿瘤细胞表型，因此被命名为抑癌基因。

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Rb基因解决了抑癌基因的遗传学困惑

然而，抑癌基因的存在一直饱受争议。哺乳动物细胞基因组染色体成对的性质为反对抑癌基因存在的理论提供了合理的依据。由于这些等位基因是隐性的，那么理论上一个等位基因的失活对肿瘤细胞应该没有影响，只有当肿瘤细胞中抑癌基因的一对野生型等位基因同时失活后，细胞才能持续增殖。但是，两次独立的遗传学改变发生在同一对等位基因上，是一个极其繁杂的过程，在短暂的时间内发生这样的遗传学改变几乎是不可能的。

最终，对一种罕见的儿童眼部肿瘤（视网膜母细胞瘤）的研究为解决这个问题提供了重要依据。这种来源于光受体细胞的前体细胞的肿瘤，在儿童中高发，表现为两种形式。一些没有视网膜母细胞瘤家族史的孩子表现为单侧眼的单发肿瘤；患有家族性视网膜细胞瘤的儿童，肿瘤一般为双侧多发。

引起这个现象的是位于人类13号染色体上的Rb基因的两个拷贝。对于家族性视网膜母细胞瘤患儿，由于其在受精卵时期即获得一个有缺陷的Rb基因拷贝，因此该患儿所有的视网膜细胞都仅携带一个功能完整的Rb基因。那么仅需一次体细胞突变即可消除Rb细胞的功能，因此容易累及双眼的多个细胞。

而在散发性视网膜母细胞瘤患儿中，其在受精卵时期的两个Rb等位基因均为野生型，因此肿瘤的发生必须经过两次连续的体细胞突变，由于体细胞突变是个小概率事件，因此一般都只有极少数的细胞受累，故表现为单侧肿瘤。

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抑癌基因失活的机制

Rb基因的发现表明抑癌基因的两个拷贝都需要被消除才能诱发肿瘤。然而，这同时又引发了另外一个问题，鉴于体细胞突变的小概率事件，靶细胞是如何先后清除掉自身抑癌基因的两个拷贝的呢？对于这个问题，一些遗传学家对此提出了合理的解释。

有丝分裂重组

有丝分裂重组能够导致Rb这一类基因的突变杂合性缺失（LOH）。在有丝分裂的G2期或M期，遗传物质可以在两条同源染色体之间进行交换，随后的染色质分离既可以产生Rb杂合型的两条姐妹染色单体，也可以相同的概率产生Rb杂合性缺失的两条姐妹染色单体，因此在子代的两个细胞中一个含有纯合的突变型Rb基因，另一个则含有纯合野生型Rb基因。

这种重组方式的重要意义在于，其发生率高于细胞的突变失活，更容易使细胞失去野生型的Rb基因拷贝。

基因转换

除了有丝分裂重组外，染色体还可以通过其他方式实现杂合性缺失，基因转换就是其中一种。这一机制发生在染色体DNA的复制过程中，延伸的DNA子链可以暂时脱离原有的模板链而与同源染色体中另外一条互补的DNA母链杂交，并以这条互补链为模板，继续复制直到它重新回归到原来模板链。因此，新合成的子代DNA链即携带有与母代染色体配对的同源染色体的部分序列。

通过这种方式，突变的抑癌基因，就有可能从一条染色体转移至它的同源染色体，从而代替原本在这一位点上的野生型等位基因，这种基因转换的发生频率在每代细胞复制过程中甚至要高于有丝分裂重组。

染色体不分离

杂合性缺失除了可以发生在同源染色体的复制过程中，也可以直接以整个染色体区断裂和丢失的方式获得。在多种肿瘤中，有丝分裂过程中染色体的分离不当引起染色体整条丢失，是导致杂合性缺失的主要原因。

在子代细胞内，染色体不分离所产生的3条染色体中的一条将被随机丢失，从而导致携带两个同型基因拷贝的染色体被最终保留下来。杂合性缺失的发生频率远高于基因突变的发生频率，这意味着野生型Rb基因的丢失可能更多地依赖于杂合性缺失，而不是通过直接的基因突变。

启动子甲基化

在哺乳动物细胞中，当鸟嘌呤5‘端’胞嘧啶碱基（CpG序列）的甲基化发生在基因启动子区附近时，它能够引起相应基因的转录抑制。大量的研究显示基因组DNA的CpG修饰是导致抑癌基因沉默的重要途径之一。

实际上，近年来越来越多的证据显示，比起体细胞突变，启动子区甲基化在沉默抑癌基因方面发挥着更重要的作用。通过胚系突变可引发家族性肿瘤综合征的抑癌基因中有超过半数被发现在散发性的肿瘤中经由启动子区甲基化而沉默。

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抑癌基因及其编码蛋白的肿瘤抑制功能

通过抑癌基因的杂交性缺失事件，利用单核苷酸多态性（SNP）和PCR的创新技术，人们发现并克隆了更多的抑癌基因。

最先被研究得比较透彻的两个抑癌基因分别是Rb基因和p53基因，它们也是人类肿瘤发生过程中起主要作用的两个抑癌基因。Rb基因编码的蛋白质主要调控细胞的生长和分裂周期，p53基因及其产物在肿瘤进展中也扮演着同等重要的角色。其他的抑癌基因的产物分布于细胞内各个部位，可以通过多种方式抑制细胞增殖，这些基因的蛋白质产物实际上参与了几乎所以控制细胞增殖和存活的信号通路。

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