肿瘤形成机制与生物学特征

肿瘤形成机制与生物学特征人类肿瘤包含了6个在多步骤发展过程中获得的生物学功能。这些标志物组成了一个从理论上说明复杂新生物疾病的基本原理。它们包括:1维持增殖信号2逃避生存抑制信号3抑制细胞死亡程序4持续DNA复制5诱导血管生成6激活侵袭和转移肿瘤的六大特性第2页,共56页，2024年2月25日，星期天第3页,共56页，2024年2月25日，星期天第4页,共56页，2024年2月25日，星期天癌细胞最值得争论的基本特征之一是它们持续慢性增殖的能力。

正常组织-小心地控制着生长启动信号的产生和释放。癌细胞-上调这些信号而获得持续增殖的能力。

这些启动信号大多数是由结合在细胞表面受体上的生长因子来传输的，典型特征是包含了细胞内酪氨酸激酶区域。增殖信号的维持第5页,共56页，2024年2月25日，星期天正常组织中开启的增殖信号源头难以精确地鉴定和定位。对于这个机制的部份理解是与以下事实并存的1、是通过一个短暂的而且是空间调节的方式从一个细胞向它的周围细胞传递；这种旁分泌信号在实验中难以评价。2、另外生长因子的生物利用度的调节通过以下方式进行：隔离细胞周围空间和细胞基质，活化蛋白酶、硫酸酯酶以及其它对这些酶类的释放和活化有关的网络。3、这是一个高度特异性和局限性的方式。正常细胞增殖信号控制第6页,共56页，2024年2月25日，星期天1、肿瘤丝裂原信号调控2、体细胞突变活化依赖的下游途径3、破坏增殖信号的负反馈机制肿瘤细胞增殖信号控制第7页,共56页，2024年2月25日，星期天癌细胞可以通过多种代替途径获得持续增殖的信号：1、它们可能自已产生生长因子配体，从而通过表达同源受体

作出反应，结果导致自分泌增殖剌激。2、癌细胞可能发送信号到肿瘤相关间质细胞，刺激间质细胞

提供了各种生长因子给癌细胞。3、癌细胞表面的受体蛋白水平上调，对数量有限的配体生

长信号产生高度的反应性表现。4、同样的结果出现在受体分子结构改变中，使配体依赖的

启动更为方便。肿瘤丝裂原信号调控第8页,共56页，2024年2月25日，星期天第9页,共56页，2024年2月25日，星期天癌细胞基因组的高通量DNA测序显示了在某些人类肿瘤中存在体细胞突变，这预示着通常由活化的生长因子受体激活的信号回路的基本激活。

我们目前已经知道40%的人类黑色素瘤包含活化的变异影响了B-Raf蛋白，导致了通过Raf到丝裂原蛋白激酶的信号途径活化(DaviesandSamuels2010)。

相似地，PI3K亚基变异在一些肿瘤类型中也已经检出，这些亚基使PI3K信号途径高度活化，其中包括了关键的Akt/PKB转导蛋白(JiangandLiu,2009;YuanandCantley,2008)。体细胞突变活化依赖的下游途径第10页,共56页，2024年2月25日，星期天第11页,共56页，2024年2月25日，星期天近的研究结果突出了负反馈链的重要作用，正常情况下它的启动是用于减缓各种类型的信号，从而使细胞内回路的信号流得到稳定的调节。(WertzandDixit,2010;CabritaandChristofori,2008;Amitetal.,2007;Mosessonetal.,2008).这一类型负反馈调节的原型包括Ras癌蛋白：致癌变异影响了ras基因而减弱了GTP酶活性，这个机制平时是用于确保活化的信号传递是短暂的。相似的负反馈机制在增殖信号回路中的多个节点中启动。一个重要的例子是PTEN磷酸化酶，它通过降解PIP3而抵消PI3K的功能。PTEN的无功能变异放大了PI3K的信号并启动多种癌症实验模型的肿瘤生成；在人类肿瘤中，PTEN的表达通常是通过启动子甲基化完成的(JiangandLiu,2009;YuanandCantley,2008).破坏减弱增殖信号机制的负反馈第12页,共56页，2024年2月25日，星期天第13页,共56页，2024年2月25日，星期天

早期研究癌基因的作用概念：癌基因表达增加癌细胞增值速度.最近的研究：由RAS，MYC和RAF等癌蛋白剌激的信号过度表达可以引起来自细胞的抵抗反应，特别是诱导细胞衰老或/和死亡。例如，培养的细胞表达高水平的Ras癌蛋白可能进入非增殖但能存活的状态，称为衰老；相反的，如果细胞表达低水平Ras可能避免衰老而进入增殖。这些相互矛盾的表现反应了不同的细胞防御机制，以减弱细胞经历过高水平的特定类型信号。癌细胞内的致癌信号可能表现为高水平信号表达和抗增殖防御机制的妥协。主要这些使衰老或凋亡诱导回路失去功能而适应高水平的致癌信号。过度的增殖信号能触发细胞衰老

第14页,共56页，2024年2月25日，星期天1、抑制抑癌基因表达机制。2、逃避细胞接触抑制机制。逃避生长抑制第15页,共56页，2024年2月25日，星期天成打的肿瘤抑制子可以在不同途径上限制细胞的生长和增殖，很多这些基因已经通过小鼠实验以获得或失去功能来确实真正是肿瘤抑制子。

两种典型的肿瘤抑制子编码RB（视网膜母细胞相关）和TP53蛋白；它们在两个关键的细胞调节互补回路中起着中央控制节点的作用，控制着决定细胞增殖或代替以活化衰老和凋亡程序。除了诱导和持续的正性剌激生长信号的标志性能力外，癌细胞能够抑制抑癌基因从而逃避负性调节。抑癌基因表达抑制机制第16页,共56页，2024年2月25日，星期天

RB蛋白：整合来自胞内和胞外的不同信号，决定细胞是否通过细胞生长和分裂周期。RB途径存在功能性缺陷的癌细胞缺乏了细胞周期进程的关键性守门员的功能，它的缺席允许细胞持续增殖。

TP53：接受来自功能区在胞内的操作系统的压力和不正常感受器的输入信号：如果基因组损伤的级别过度，或如果核苷酸库水平，生长启动信号，乳糖，或氧合水平不在最佳状态，TP53将使细胞周期进程停止直至这个状态正常化。另一种代替方法，当这个细胞亚系统的警戒信号到了无可挽回或损伤无法弥补时，TP53将触发凋亡。值得注意的是，活化的TP53的效应是复杂的而且是环境依赖性的，依细胞类型以及细胞压力严重性和压力抵抗情况，还有基因组损伤而变。第17页,共56页，2024年2月25日，星期天第18页,共56页，2024年2月25日，星期天第19页,共56页，2024年2月25日，星期天第20页,共56页，2024年2月25日，星期天虽然两种经典的增殖抑制-TP53和RB-具有重要的调节细胞增殖的功能，多个的证据表明它们各自作为一个更大的网络的部份，这些网络有着一个更为复杂的调控机制。例如，本来期望Rb功能的缺失将允许这些细胞以及它们传代细胞的分化周期持续进行；一些Rb缺乏细胞株进展成肿瘤，但令人惊讶的是没有出现细胞增殖异常。在这些嵌合体小鼠体内的缺乏Rb细胞参与了相对正常组织形态；唯一成为肿瘤的是晚期垂体(LipinskiandJacks,1999)。

相似地，TP53缺乏的小鼠发育正常，表现为大量的正常细胞和组织稳态，而在生命的晚期再次发展成不正常，表现成白血病和肉瘤GhebraniousandDonehower,1998)。以上两个例子应该可以说明导致缺乏这些关键性增殖抑制子细胞持续不正常复制的启动和冗余机制。第21页,共56页，2024年2月25日，星期天40年来的研究证明二维培养中密集的正常细胞群体形成细胞与细胞之间的接触，产生汇合的细胞单层。这种“接触抑制”在各种培养的癌细胞中被废除了，这表明接触抑制是体内启动的用于确保正常组织稳态的机制，这是在致癌过程中被废除的。

直到最近，生长控制的机制基础仍不明确。然而，接触抑制的机制开始发现。接触抑制机制和肿瘤的逃避第22页,共56页，2024年2月25日，星期天机制之一包含了NF2基因的产物，一直作为肿瘤抑制基因，因为它的缺失触发了人类成纤维瘤病的一种形式。Merlin蛋白，NF2的胞质产物，通过成对的细胞表面粘附分子（如E-cadherin）到跨膜酪氨酸激酶(如EGF受体)形成接触抑制。以这种方式，Merlin蛋白加强了钙粘蛋白介导的细胞与细胞间的粘附性。另外，通过分离生长因子受体，Merlin蛋白限制它们有效地发射丝裂原信号的能力(Curtoetal.,2007;Okadaetl.,2005)。第23页,共56页，2024年2月25日，星期天第24页,共56页，2024年2月25日，星期天第二种接触抑制的机制包括LKB1表皮极性蛋白，它们可以组织表皮结构并帮助维持组织完整性。

例如，当组织中Myc癌基因上调时，LKB1抑制Myc癌基因的促有丝分裂效应使表皮结构处于静息状态；相反，当LKB1的表达受抑制时，表皮完整性变得不稳定，而表皮细胞对Myc诱导的转化变得更敏感。LKB1同时已经确定是一个抑癌基因，在某些人类肿瘤中缺失(Shaw,2009)，这可能反应它的正常功能是作为不正当增殖的抑制子。

人类癌症中这两种接触介导的生长抑制缺失的频率仍需要继续研究；毫无疑问的是其它由接触介导的可以阻止增殖的机制仍需经进一步研究确认。这些清楚的机制使细胞可以构建和维持组织结构的复杂性，成为对不正常增殖信号的抑制和平衡的重要方式。第25页,共56页，2024年2月25日，星期天第26页,共56页，2024年2月25日，星期天TGF-b最出名的是它的抗增殖效应，而目前人们更仔细研究癌细胞如何逃避这些效应而较少研究简单地关闭这些信号回路(IkushimaandMiyazono,2010;assague´,2008;BierieandMoses,2006)。

在很多晚期肿瘤，TGF-β信号已经偏离细胞增殖抑制，而是用于激活一种细胞程序，称为表皮向间质的转换（EMT），这使细胞的特征与高度恶性相关，相关细节将在下文阐述。TGF-β途径破坏对恶性肿瘤的促进作用

第27页,共56页，2024年2月25日，星期天第28页,共56页，2024年2月25日，星期天在最近的20年，细胞凋亡这一概念，通过程序性细胞死亡充当癌症发展的自然屏障，已经建立了进行令人信服的功能性研究。凋亡机制是由上游调节子和下游效应子共同构成的。按顺序，调节子分成两个主要的回路：1、一个是接受和传递胞外死亡诱导信号式（外部的凋亡程序，包括例如Fas配体/Fas受体），2、另外一个感知和综合一系列胞内起源的信号（内在程序）。

它们每个最终都激活一个正常的潜在蛋白酶（分别是半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶8和9），从而开始一个级联的蛋白水解，包括凋亡执行阶段效应蛋白酶，这个阶段细胞渐渐分解后消失，这个效应由它的邻近细胞和专门的吞噬细胞完成。目前，内在凋亡程序更广泛地作为癌症致病的屏障。抵抗细胞死亡第29页,共56页，2024年2月25日，星期天

在调节子和效应子之间传递信号的“凋亡扳机”是通过平衡促进和抵抗凋亡的Bcl-2家族成员的调节蛋白来完成的(AdamsandCory,2007)。Bcl-2连同它最近的家族成员(Bcl-xL,Bcl-w,Mcl-1,A1)都是凋亡抑制子，通过与两个前凋亡触发蛋白(BaxandBak)结合并起抑制作用。

当抗凋亡家族成员抑制减弱时，Bax和Bak破坏线粒体外膜的完整性，从而导致前凋亡信号蛋白的释放，它们中最主要的是细胞色素C。细胞色素C依次激活蛋白酶级联，通过它们的蛋白水解酶活性产生与凋亡程序相关的多种细胞改变。Bax和Bak与抗凋亡的Bcl-2样蛋白共用蛋白-蛋白相互作用区，称为BH3基序，能够介导它们的各种物理相互作用。相关蛋白（每个蛋白包含单个像BH3的基序）的亚家族与各种细胞感受器配对而异常活化；这些“BH-3only”的蛋白通过干扰抗凋亡Bcl-2蛋白或通过直接剌激这个家族的凋亡前成员而活化(AdamsandCory,2007;WillisandAdams,2005).第30页,共56页，2024年2月25日，星期天第31页,共56页，2024年2月25日，星期天

对控制着凋亡程序信号回路的阐释揭示了凋亡在不同的生理压力下是如何被触发的，这些压力是癌细胞在肿瘤形成过程中遇到或者是抗癌治疗的结果。

在凋亡诱导的压力中值得注意的是由于癌基因信号的提高导致的信号不平衡，就像早先所提及的那样，并且DNA损伤与高增殖相关。同时其他研究显示在成功进展到高度恶性和对治疗抵抗的肿瘤中凋亡是减弱的。(AdamsandCory,2007;Loweetal.,2004)。第32页,共56页，2024年2月25日，星期天虽然触发凋亡的细胞状态仍没有完成列举，但是多个在肿瘤进展中起关键作用的异常感受器已经明确(AdamsandCory,2007;Loweetal.,2004)。最值得注意的是通过抑癌基因TP53起作用的DNA损伤感受器(JunttilaandEvan,2009)；TP53通过上调Noxa和Puma这两个“只有BH3”基序蛋白的表达诱导凋亡，从而相应地导致大量的DNA断裂和其它染色体的不正常。另一种替代方式是，不充分的生长因子信号（如淋巴细胞上的白细胞介素-3或上皮细胞上胰岛素样的生长因子1/2数量的不充足）能通过称为Bim含单个BH3基序蛋白诱导凋亡。第33页,共56页，2024年2月25日，星期天第34页,共56页，2024年2月25日，星期天肿瘤细胞发展出一系列可以限制或防止凋亡的类型。最普遍的是抑癌基因TP53功能的缺失，这个类型缺失了来自诱导凋亡回路的重要感受器。

肿瘤可能获得相似的结果，这是通过增加抗凋亡调节子(Bcl-2,Bcl-xL)或生存信号(Igf1/2)，或下调凋亡前因子(Bax,Bim,Puma)或缩短胞外配体诱导的死亡途径。避免凋亡的机制的多样性反应了癌细胞株在发展成恶性状态过程中遇到的凋亡诱导信号的多样性。第35页,共56页，2024年2月25日，星期天自吞噬与凋亡一样成为一种重要的细胞生理反应，正常细胞中的启动处于低的基础的水平，但在特定的细胞压力状态下能被强烈地诱导，最明显的压力状态是营养缺乏(LevineandKroemer,2008;Mizushima,2007).

自吞噬程序使细胞内的细胞器(如核糖体和线粒体)被破坏，使分解代谢产物用于生物合成和能量代谢从而得到循环。当降解发生时，作为这个程序的一部份，胞内囊泡称为自吞噬体包裹胞内细胞器并把它们和溶酶体混和。

自吞噬介导了癌细胞生存和死亡第36页,共56页，2024年2月25日，星期天以这种方式，低分子量的代谢的产物支持了多数癌细胞在压力和营养受限的环境中生存。

与凋亡相似，自吞噬机制也有调节子和效应子复合物(LevineandKroemer,2008;Mizush-ima,2007)。后者是一种介导自吞噬体的形成并把它传送到溶酶体的蛋白质。令人关注的是，最近的研究显示控制自吞噬，凋亡和细胞稳态三个回路之间的存在交叉。

例如，肿瘤早期生存信号剌激包括PI3-kinase,AKT,和mTOR激酶的信号途径以阻止凋亡，同时也抑制自吞噬；肿瘤晚期当生存信号不足时，PI3K信号途径会被下调，从而导致自吞噬和/或凋亡的减少(LevineandKroemer,2008;SinhaandLevine,2008;Mathewetal.,2007)。自吞噬介导了癌细胞生存和死亡第37页,共56页，2024年2月25日，星期天第38页,共56页，2024年2月25日，星期天另一个这两种程序的联系存在于Beclin-1蛋白，这个蛋白已经通过遗传学研究证实是诱导自吞噬所必需的(LevineandKroemer,2008;SinhaandLevine,2008;Mizushima,2007)。Beclin-1是凋亡调节蛋白BH3-only亚家族成员之一，它的BH3区域允许它与Bcl-2/Bcl-xL蛋白结合。第39页,共56页，2024年2月25日，星期天可能矛盾的是，对癌细胞的营养缺乏、放射治疗和特定的细胞毒药物能引起自吞噬水平的增高，这对癌细胞明显是一种细胞保护，这些压力诱导条件所致的杀伤成为损伤。(WhiteandDiPaola,2009;Apeletal.,2009;AmaravadiandThompson,2007;Mathewetal.,2007)。

此外，处理严重压力条件下的癌细胞可以通过自吞噬而缩小并进入一个可逆的休眠状态(WhiteandDiPaola,2009;Luetal.,2008)。这种生存反应可能使一些晚期肿瘤在有效的抗肿瘤药物治疗后能残留并最终再长出来。

因此，与TGF-β信号相似，在肿瘤形成的早期阶段起抑制作用而在晚期促进作用，自吞噬像是对肿瘤细胞有着相反的作用，从而肿瘤能得到进展(Apeletal.,2009;WhiteandDiPaola,2009)。将来研究中的重要日程必需包括澄清遗传学和细胞生理状态，这些能展示自吞噬在什么时间以及如何使癌细胞生存或导致它们死亡。第40页,共56页，2024年2月25日，星期天坏死具有促进炎症和肿瘤的潜能，坏死细胞会肿胀破裂，并释放出内容物进入其周围微环境。

以往认为坏死更像是系统广泛地耗尽和崩溃，自身被动的死亡，目前研究发现：细胞的坏死在某些情况下明确是在基因有序控制之下，而不是随机的无序的进程(GalluzziandKroemer,2008;ZongandThompson,2006)。

坏死细胞死亡后释放促炎症信号进入周围组织微环境，这与没有这种现象的凋亡和自吞噬相反。坏死细胞能招募免疫系统的炎症细胞。(Grivennikovetal.,2010;Whiteetal.,2010;GalluzziandKroemer,2008)。

炎症细胞的作用是专门监督组织损伤的程度并移除相关的坏死残骸。然而在肿瘤背景下，多方面的证据显示免疫炎症细胞可能是活跃的肿瘤促进因素，因于这个原因，这些细胞具有促进血管生成、癌细胞增殖和侵袭功能（如下）。坏死具有促进炎症和肿瘤的潜能第41页,共56页，2024年2月25日，星期天和正常组织一样，肿瘤需要营养和氧形式的供给，以及排除代谢废物的能力。在血管生成过程中产生的肿瘤相关新生血管输送这些供给。

在胚胎形成过程中，脉管的生长包括新生的上皮细胞装配成血管（血管发生）以及已有的血管萌芽出新的血管。接着正常脉管的形态大部分变成是静止的。

成年人中，在部份生理进程如伤口修复和发性生殖周期，血管生成启动，但只是暂时的。相反地，在肿瘤进展过程中，“血管生成开关”几乎是总是激活的并持续开启的，导致正常静止的血管持续萌芽新的血管以支持不断扩大的肿瘤生长(HanahanandFolkman,1996).肿瘤血管生成第42页,共56页，2024年2月25日，星期天某些血管调节子是与血管上皮细胞表达的细胞表面受体结合起剌激或抑制作用的。最常见的血管生成诱导和抑制因子分别是：1血管内皮生长因子A（VEGFA）2凝血酶敏感蛋白1第43页,共56页，2024年2月25日，星期天1、VEGF-A基因编码新生血管中的配体，作用于胚胎和出生后的发育期，保持内皮细胞的自身稳定生存，同时并存于成年人的病理和生理状态。2、VEGF信号包括3种受体酪氨酸激酶（VEGFR1-3）受到不同水平的调节，反应了调控的复杂性。VEGF-A第44页,共56页，2024年2月25日，星期天1、VEGF基因的表达可以因缺氧和癌基因信号而上调(Fer-rara,2009;MacGabhannandPopel,2008;Carmeliet,2005)。2、VEGF配体能以潜伏状态隔离在细胞内基质中，易因胞内基质降解酶释放和活化(e.g.,MMP-9;Kessenbrocketal.,2010)。3、其他前血管原信号包括成纤维细胞生长因子（FGF）家族的成员表达长期慢性上调时，就会促进肿瘤血管生成(BaeriswylandChristofori,2009)。肿瘤中VEGF特点第45页,共56页，2024年2月25日，星期天第46页,共56页，2024年2月25日，星期天肿瘤中生成一些明显不正常的前血管生成信号混合物诱导产生慢性活化的血管，肿瘤新生血管的标志：1、是早熟的毛细胞血管萌芽，卷曲而过度的血

管分支，扭曲而扩张的血管2、不稳定的血流，微血栓，泄漏和不正常水平

的内皮细胞增殖和凋亡(Nagyetal.,2010;）

Baluketal.,2005).第47页,共56页，2024年2月25日，星期天第48页,共56页，2024年2月25日，星期天

在动物模型和人类侵袭性癌症的多步骤发展过程中，血管生成的诱导出现得令人惊讶的早。对不同器官包括发育不良和原位癌等癌前病变、非侵袭性病变的组织学分析显示血管生成开关的早期足迹Raicaetal.,2009;HanahanandFolkman,1996).

历史上，血管生成被认为是肉眼可见的肿瘤形成后快速生长时才显得重要，但最近的数据显示在肿瘤发展过程中的微观癌前病变期血管生成也有贡献。第49页,共56页，2024年2月25日，星期天

众所周知的，开关机制的形式是可变的，虽然最终结果是一个公共的诱导信号(VEGF)。在某些肿瘤中，癌细胞中启动的优势癌基因，如Ras和Myc，以上调血管生成因子的表达，然而在其它肿瘤中，这些诱导信号是免疫炎症细胞间接诱导的，这在下文中将讨论。由癌基因直接诱导的血管生成同时驱动增殖信号作为不同特征能力可以由同一种转化剂协同这一重要原理的例证。一旦血管生成活化，肿瘤显示出各种模式的新生血管。而肿瘤发展过程中的血管开关的触发将生成各种强度的新生血管，后者由一个复杂的生物调节器所控制，调节器包括了癌细胞和相关间质的微环境(BaeriswylandChristofori,2009;ergersandBenjamin,2003)。血管生成开关的级别

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