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细胞叛逆者(4)

时间:2005-06-19 20:33来源:本站原创 作者:admin 阅读:

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第4章 一失足成千古恨:人类肿瘤中发现癌基因

1976年,发现原癌基因src的宣告,给研究者们指明了下一步的方向。如果src基因的确出现在人类正常基因组中,那么,在人类肿瘤中,src很有可能是以一种突变的活性癌基因形式存在着。要确证这一点,创造这样一个活性src癌基因采用的机制与劳斯肉瘤病毒所用的有很大区别。到1976年,经过6年劳而无功的研究,大多数研究者认识到,事实上所有人类肿瘤中都不具有RSV这样的逆转录酶病毒。因此,按照这种思路,如果肿瘤中sr’被激活为癌基因,那么作为非病毒因子,化学物质必然在激活过程中扮演着重要角色。当src 在细胞染色体中安居乐业时,这些化学物质使它发生突变。细胞中每一次突变的发生,都会使。C癌基因诱发细胞飞速生长,使得突变细胞产生大群后代,最终形成肿瘤。所以研究者们试图在肿瘤DNA中找到突变的src癌基因。但他们一无所获,src的突变形式沓无踪影。看起来,src癌基因只是RSV的偶然形式。此时,简单地把原癌基因当做致癌物质的靶子,这种看法似乎走到了尽头。

  到1979年,人们采取了另一种策略,企图揭开癌基因的庐山真面目。这种新方法并不依赖有关逆转录酶病毒的现有知识,它采用了基因移植的实验技术。即从一个细胞内部抽取DNA(也就是基因)而后注入另一个细胞,后者接受的基因使它获得了新的性状或行为。这样的反应显示,规定新性状的信息原先属于供方细胞(即从中抽取DNA的细胞),信息则可以通过DNA分子的移植转移给受方细胞。

  基因移植术可以用来搜寻小鼠、大鼠和人类肿瘤细胞基因组中可能露面的致癌基因。这些细胞形成的肿瘤与病毒毫无干系。人们已知或者推想其中大多数的肿瘤是由化学致癌物质引起的。

  我的实验室最初曾做过一个实验,将大鼠的细胞暴露在煤焦油这种致癌物质中,使之变成癌细胞,再从里面抽取DNA注入正常细胞中。我们希望在用化学方法改造过的细胞DNA中会出现导致癌变的信息,当这个信息以具体基因的形式被植入正常细胞,后者也会相应地转变成癌细胞。

  很快,我们发现有些接受肿瘤细胞DNA的细胞开始起变化。正常细胞向癌细胞的转变证明,癌变的信息是由DNA携带的,而DNA来自经化学改造过的细胞。肿瘤生长的信息通过DNA 分子的确可以在细胞之间移植。

  不久,人们发现人类肿瘤的DNA也隐含着癌基因。杰弗里·库珀以及米凯尔·维格勒各自实验室中的研究,还有我的研究小组的继续努力,扩展了拥有肿瘤生长信息的基因组范围:例膀脱癌,1例结肠癌,还有1例神经细胞肿瘤的DNA都有改造能力。每一例中,尽管正常细胞的DNA并不具备转换能力,但因为被注入了癌细胞的DNA,正常的小鼠细胞变成了癌细胞。

  这种可移植的遗传信息,其所作所为同癌病毒携带的癌基因非常相似。尤为重要的是,注入正常细胞内部的癌细胞DNA,它的不同片段似乎能引导正常细胞的新陈代谢,促使后者逐步癌变。这些发现直接证明,正常细胞携带的基因在发生突变后能够导致癌症。

  产生癌基因的突变过程似乎和其他许多细胞基因受损的过程一样:当基因处于染色体中其常规位置时,碱基序列发生了改变。突变之后,基因虽然仍在原处,但它们开始向细胞发送与突变前截然不同的指令。

  这种设想同逆转录酶病毒研究揭示的情况有戏剧性的差异。所有拥有改造能力的逆转录酶病毒;似乎都起源于那些攻入正常细胞、绑架正常细胞基因、使之转变成活性癌基因的病毒正本。至于逆转录酶病毒,入侵的外敌、强有力的病毒统治者,它们破坏正常基因,将基因从其染色体的老窝中逐出很远,征服正常的细胞基因,癌基因终于被激活了。

  然而,这两种不同设想却有着共同的主线:细胞癌基因和病毒癌基因都起源于细胞的前正常基因——原癌基因。但这个共同点又导致了一个明显的问题:受化学物质或辐射引起突变的原癌基因,和被逆转录酶病毒挟持激活的原癌基因之间,如果存在联系,那么这种联系是怎样的呢?

  答案产生在1982年。此时,使用基因克隆新技术,人们已经能够分离某些人类肿瘤癌基因。研究者把从膀胱癌中分离出的一个癌基因同逆转录酶病毒研究人员早先克隆的一大批原癌基因相比较。比较之下,反映出惊人的联系:人类膀胱癌基因实际上和逆转录酶病毒研究人员发现的ras癌基因分毫不差。

  癌症之谜的不同片段一下子汇合了。事情是这样的:当大鼠细胞感染病毒时,就像RSV (劳斯肉瘤病毒)的前身获得src基因一样,逆转录酶病毒得到并激活了ras原癌基因。哈维肉瘤病毒(H8rVeyS。fCOm。Viflls)因子产生这种被激活了的。S癌基因后,后者就能将正常的啮齿类动物细胞转变成生长活跃的肿瘤细胞。

  ras原癌基因的某个亲缘基因几乎是以同样形式存在于正常的人类DNA中,这并不奇怪。到20世纪80年代初,人们已经知道,在所有哺乳动物和鸟类的基因组中,所有原癌基因都是以同一面目示人的。

  比起大鼠基因组中的亲缘基因来,人类膀胱细胞中的ras原癌基因命运异回。某些化学诱变剂进入膀肤细胞后,使ras原癌基因发生突变,变成活性癌基因。一旦发生突变后,ras 癌基因就驱使突变细胞以及该细胞的直系后代踏上扩张之路,产生大量拥有突变的ras癌基因的膀胱癌细胞。

  因此,逆转录酶病毒学家揭露的原癌基因的花招,与人类癌症的起源有着直接关联。在动物体内被逆转录酶病毒俘获并改造的正常基因,在人类体内则可以作为化学诱变剂的靶子。尽管这些人类基因仍没有改变其在靶细胞染色体中的位置,但它们已被诱变分子变成了有效的癌基因。

  Myc基因只不过是沧海一粟。myc基因最初是因其与鸡髓细胞瘤的联系为人所知;几个月间,在人类淋巴癌和白血病病例中,发现了myC原癌基因的突变。随后,在神经母细胞瘤中,发现了myc的近亲、被称作N-mpc的原癌基因;然后,最初因为与鸡红白血病的关联被发现的erbB,其变体又在人类胃、乳房、卵巢、脑部肿瘤中露面。

  现在研究人员可以简化观点了。所有脊椎动物的细胞似乎都携带着一套共同的原癌基因。这些基因可以被逆转录酶病毒或者非病毒诱变因子变成有效的致癌基因。看来,原癌基因就是癌症的根源。突变

  人类肿瘤癌基因和前正常基因的发现,把曾经风马牛不相及的研究,包括针对动物逆转录酶病毒的外围工作统一在一起。可是,在众多证据之中仍然有漏洞。究竟非病毒诱变过程是如何将正常的原癌基因变成致命的癌基因的呢?

  1982年的晚些时候,研究者们将人类膀肤癌基因和它的前身——人类的正常ras基因相比较,得出了第一个答案。他们立刻明白,要找出形成这两种基因分野的突变,将是艰难费时的。这两种基因外观酷似,它nl都有5000个DNA碱基长度,在碱基链上也有同样的序列标点断开基因。这就排除了针对它们之间差别的一种解释的可能性——即原癌基因转变为癌基因是由于DNA序列的大规模缺失或重组。

  然而,这两类基因在某些明显的方面存在差异。同样是被注入正常细胞内部,原癌基因对细胞没有明显影响,而癌基因很快就使细胞进入癌变生长。因为差异将是极其微妙的,所以,有必要对DNA序列仔仔细细地、逐个碱基地进行分析。

  最终结果令人喜出望外。这两种基因虽然都有5000个碱基长,但除开一个基因外,它们完全相同。在一段碱基链上,正常基因序列是GCCGGCGGT,而癌基因中对应的碱基序列是GCCGTCGGT。膀胱癌细胞基因中用一个T替换了正常基因中的那个G。碱基序列中的这个细微变化——称作点突变——足以改变整条基因的含义。这就好比“dear”(亲爱的)一词被意外误印为“dead”(致命的,死亡的),书中的一整个章节将完全改变意义。

  现在,可以将导致膀肤癌的各种事件按先后顺序加以排列了。一个有30年烟龄的老人生了肿瘤,时年55岁。与其他所有烟民一样,他的两肺中充满了强力诱变致癌物,有一些被肝脏中和了,还有一些经由肾脏进入尿液。尿液里的部分强力致癌物袭击膀胱内壁细胞,而后进入细胞并随机攻击细胞DNA。在某个细胞内部,由于一个碱基从G变成了T,一个ras 原癌基因受到损害。发生碱基替换的ras基因现在变成了一个活性癌基因,开始驱使这个细胞生长。经过几年也许几十年的时光,这个细胞的后裔都将携有突变的ras癌基因,成长为致命的肿瘤块。

  不久,其他人类肿瘤癌基因的突变机制也大白于天下。每个癌基因都经历过自己的突变历程。ras癌基因的点突变是其中最最微妙的变化。有些人类肿瘤中,川yc癌基因或者它的近亲N-mpc,有好多份副本,有时甚至在一个细胞中就达10份或20份之多,而正常细胞中只有2份。作为“基因扩增”的结果之一,与基因副本的增加相适应,肿瘤细胞也受到了生长刺激信号流源源不断的冲击。

  在某些免疫系统淋巴细胞肿瘤如著名的伯基特淋巴瘤”中,myC原癌基因的突变独树一帜。染色体经过断裂、重组,原先不相连的DNA片段融合在一起。带来的一个后果就是,坐落在染色体某处的正常myC基因和制造抗体分子的基因融合了。这一非自然组合改变了myC 基因,迫使它在抗体基因的操纵下运作。一度有条不紊的mw基因信息读取工作,现在被不停地高速驱动着,使myC基因变成一个强力癌基因。

  一言以蔽之:每个原癌基因都是遵照自己独特的突变机制变成癌基因的。尽管引发突变的因素或力量仍然面目模糊,但是在不远的将来,人们一定能够搞清楚一切。除开原因,结果此刻也已经明了了。细胞获取激活了的癌基因后,由于癌基因发出强力生长刺激信号,细胞的正常生长就会逸出常轨。癌症之谜的主要内容正趋向明朗化。

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第5章 章回体小说:肿瘤的多步发育

肿瘤起源的故事看似非常简单。一个化学诱变因子侵入细胞,袭击某个关键的原癌基因,把它变成一个癌基因。细胞响应癌基因的指示,开始了肆无忌惮的扩张之旅。最初发生突变的那个细胞的所有后裔都拥有了癌基因的副本,在癌基因的驱动下开始不眠不休的生长、裂变进程。冬去春来,年复一年,终于,几十亿个细胞聚集在一起形成了致命的肿瘤。这种推测令那些意图把肿瘤演化的复杂过程简单化的人欢呼雀跃。它是说明分子生物学研究是如何揭开隐秘的真相的绝好例子——如此简单而符合逻辑,科学家们禁不住要赞叹“棒极了”。

  但是,在某些人看来,这种推测太简单。他门称之为“过分简单化”,意指持这一观点的人有意漠视许多有关癌症形成的已知知识。在这些怀疑主义者看来,1982年,在我、马里诺·巴瓦西德以及米凯尔·维格勒三人各自实验室中发现的膀胱癌点突变,只是一个仓促的结论,不足以服人。

  怀疑主义者引用了大量的证据来说明癌症的形成是循序渐进的复杂过程,将一个完全正常的细胞变成一个高度恶化的癌细胞,并非一激而就。此刻,一派把癌症的形成描述成正常细胞一举变成癌细胞的简单过程,另一派则认为癌症是一连串事件的结果。20世纪80年代余下的日子里,这两派人马各执一词,莫衷一是。

  流行病学家对不同人群、不同年龄段癌症的发病率作了调查,得出的结果成为癌症多步形成理论最有说服力的证据。70岁组人群结肠癌的发病率千倍于10岁组。其他大多数成年人癌症的发病率也随年龄增长急聚上升。

  顷刻之间,演绎癌症一减而就的独幕剧,其可信度大大降低了。如果说癌症仅仅由一个单一事件引起,那么,在人的一生中,该事件发生的概率将大体相等。人生第10个年头上的某天和古稀之年的某天发生癌症的概率相等。依据这种等风险数学方法,我们可以清楚地预计:作为年龄的变量,在他或她的一生中的某一时刻,个人患上癌症的风险将是一条上升的直线。20岁的人累积的风险2倍于10岁的小孩,70岁的人风险则高达7倍。

  上述直线同流行病学家报道的随年龄而急速上升的曲线没有丝毫相似之处。生命早期,癌症风险的线条几近水平。可是,随被调查人群年龄的增长,肿瘤发病率的线条急通向上,呈现出空前陡峭的斜线。

  这般急聚上升的曲线描述着相当复杂的进程。它显示,大量的前因次第发生,才有后果即诊断明确的肿瘤显现。大多数癌症的形成似乎需要四到六个这种前因事件。单个事件发生的概率本身已很低,似乎需要很多年时间。只有当过程中的所有步骤都已经完成,才会累积成医学上可察知的癌变。

  所有这些事件(姑且不论是何种事件)在短期内,统统发生在一个年轻人身上的慨率是微乎其微的。这就说明了为什么大多数癌症实际上不会发生在儿童身上。但是随着人体的衰老,此概率迅速上升,一切必要事件——一随机事件——将会汇合在人体内部的某个细胞中。此时,生成癌症的所有要件都已经具备了。

  癌症发育的迁延进程有助于解释很多有关成年人癌症的鲜明的观察结果。其中最为著名的例子是有关肺癌的。20世纪初期,该病在妇女中几乎未见发现,直到本世纪中叶,女性发病仍属罕见。二战以后,大批美国妇女开始抽烟,其中有许多人是大战期间在工厂做工时养成这一嗜好的。四分之一个世纪后,这些女性大量死于肺癌。肺部肿瘤的形成从头至尾需要几十年的时间。

  那些在二战及此后10年中曾在海军造船所短期工作的人的遭际,更令人震惊。军舰的舰身用石棉作为隔离成分,他们中的许多人大量接触石棉。这些人大多数又是吞云吐雾的痛君子。20年、30年乃至40年后,他们开始死于一种袭击两肺外壁的罕见癌症——间皮质瘤。这种癌症几乎无一例外地和石棉接触直接相关。作为肺癌和吸烟相关性的病例,本例中初始接触和出现危及性命的肿瘤之间,相隔几十年时光。

  流行病学家的这些观察结果令“癌症形成多步迁延说’很有说服力。这一观点之所以吸引人,因为它意味着正常人体为阻止癌症的发育设置了许多障碍。只有当这些路障一个接一个地被逾越,肿瘤才会露出狰狞面目。

  可是,1982年的发现说明,诸如ras癌基因点突变这样的单个重大事件就能造就一个高度癌变的细胞,直接扩张形成一个发育完善的肿瘤。癌症形成多步说与之很难调和。那些赞同癌症流行病学的人以“癌基因一蹴而就说”幼稚天真、头脑简单为由不予采信。

  因此,癌症形成的两大理论形成了,彼此有着尖锐的矛盾。癌症流行病学主张的学说同细胞和组织内部的分子研究相去甚远,癌基因突变一蹴而就说的信徒由此得到一点慰藉。正常细胞真的需要经历多个步骤才能变成癌细胞吗?又或者流行病学推崇的只是另一个干巴巴的数学抽象,跟真正的人类细胞生物学毫不相干?细胞游戏

  研究基因和细胞的学者对流行病学很有兴趣,但是认为它不足为凭。他们不是单单靠注入癌基因就成功地把正常细胞变成癌细胞了吗?通过一种化学诱变物,一个癌基因一挥而就。因此,单一的一个步骤无疑已足以造就一个恶性癌细胞。

  然而,美玉有暇。一些实验人员回首往事,重新检验那个实验——即通过基因移植注入癌基因,以一个简单事件把正常细胞变成癌细胞。结果发现,大多数研究人员在这些实验中似乎都忽视了一个细节问题。这个细节关乎细胞——此处指小鼠结缔组织细胞——即在用以在人类DNA中寻找癌基因的基因移植实验中,被用来接受基因的那个细胞。这些小鼠细胞无疑能够一步转型为肿瘤细胞,但是在基因移植实验开始的刹那,这些细胞果真正常吗?抑或它们已经开始了部分癌变之旅?

  事实上,这一疑问确有独到之处。用于基因移植实验的小鼠细胞有点非比寻常。这些细胞在此之前很多年,就已经被采出小鼠胚胎,被调理成适应生长在实验室的培养皿中。这种调整使它们能够无限繁殖。当小鼠细胞充斥在培养皿底部时,研究人员就把一些细胞移往另一个空的培养皿中,使之重新开始生长周期,这个过程可以无限重复、周而复始。在把人类膀胱癌基因注入细胞之前,这些用来在肿瘤DNA中甄别癌基因的细胞已经从一个培养皿到另一个培养皿延递了10年以上。

  细胞生物学家称那些能够在实验室中无限繁殖的细胞为“不死化的”。此言意指细胞不死并非常态。大多数完全正常的细胞,被从小鼠胚胎中采出放置在培养皿中后,它们裂变的回合是有限的,此后即会停止生长。培养皿中的小鼠细胞群通常在分裂了30或40代以后停止繁殖,这样的细胞群因此是“必死的”。

  极为偶然的情况下,一个必死的细胞群会萌生出拥有无限生长能力的变体细胞亚群。这些细胞成为不死的。奇怪的是,实际上各种癌细胞似乎也是不死的。当从肿瘤中抽取癌细胞并放置在培养皿中后,癌细胞能无限分裂。这个观察结果说明,细胞不死在肿瘤发育中是常规现象,也许更是该过程中一个必不可少的部分。

  这就在那些重新检验基因移植实验的科学家中间敲响了警钟。他们的结论是:那些被设计来衡量癌基因诱发癌症能力的初始实验,从一开始就存在着缺陷,因为他们是用已经不死化了的小鼠细胞操作的。这些小鼠细胞在接受癌基因之前很久,已经经历了明显的癌前改变。也许它们本来已经身处峭壁悬崖的边缘,而癌基因的注入只是推了它们一把,让它们坠入癌变深渊,万劫不复。

  1983年,这一观点经受了严峻考验。癌基因被注入了真正正常的细胞——几天前还生长在大鼠胚胎之中的大鼠细胞。这些细胞没有在培养皿培养过程中长期滞留非正常发展的机会。它们是尽可能接近正常的,当然,它们是必死的。

  怀疑被证实了。单单注入癌基因,即便是强有力的ras膀胱癌基因也不能使完全正常的细胞变成癌细胞。换言之,和不死细胞不同,必死细胞对于注入的癌基因反应冷淡。在能够被癌基因推下悬崖之前,它们需要有某些特殊际遇。在癌变之前得给它们装上火药,也许是使它们不死化。此后,它们才能响应癌基因,变成癌细胞。

  这一结论意味着,在将一个完全正常的细胞转变为一个如假包换的癌细胞,至少需要经过两个不同变化:正常细胞变成不死细胞和不死细胞变成癌细胞。因此癌症是细胞经历至少两次、也许更多次转变的一个系列化进程。

  此后,人们才发现这些步骤中的第一步——不死化——可以模拟,或者至少可以由某些它种癌基因如my 或EIA促成。这一相关性导出另一个主意:也许把两种不同癌基因注入一个正常细胞,能够完成将它变成癌细胞的全部变化。两者在制造癌细胞所需的两大变化中也许能各展所长。

  因此,我和厄尔·鲁莱(Earl Ruley)各自实验室的研究人员动手把成对的癌基因同时注入大鼠胚胎细胞。到这时候,他们才观察到大鼠胚胎细胞的癌变。当把两个分别带有mp c 癌基因和ras癌基因的DNA无性繁殖系同时注入完全正常的大鼠胚胎细胞后,这些细胞以变成癌细胞作出了回应!而单独应用这两种癌基因中的任何一种都不能产生这个结果。

  对癌细胞起源的思考,现在可以归结到某些癌基因的特性上来。则由c和ras癌基因,彼此都是孤掌难鸣,可是它们能同恶相济创造癌症。这种联合意味着每一种癌基因在改变细胞时都是特立独行的。

  癌症多步起源说现在变得言之凿凿了。也许,造就一个癌细胞的每一步都是一次罕见的突变,它影响着细胞基因组中这个或那个原癌基因。只有当累积了两个或更多的这种突变时,细胞生长才会完全失控。

  不久,在其他癌基因对中,也发现了周yc和规的合作模式。这些成果给人的总体印象是两次基因突变已足以产生大多数种类的癌细胞。但是,这个数字还是一个误解,一个将事情简单化的空想。根据20世纪80年代的科研成果,已知人类的肿瘤细胞携带着远多于两个、也许多达六个突变基因。对肿瘤细胞基因组进行仔细的分子分析,得出了这个数字,它和流行病学家自上年纪人群癌症发病率的陡峭曲线中推出的步骤数,似乎更为贴近。

  现在,癌症形成的理论可以重新表述为:导致人类肿瘤的稀有事件序列,由一系列的突变组成,它们渐进改变一个细胞的遗传面貌,将它一步步地推向失控生长。

(责任编辑:泉水)
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