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细胞叛逆者(6)

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

 

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第8章 结肠:癌症发育的一个研究对象

人类的肠道是拿生癌症的沃土。但是在人类发展史上并非历来如此,或者说至少结肠癌直到最近还不是一个常见的死因。现代社会有两件事情发生了变化。现在人类的寿命比从前延长了很多。到20世纪中叶,有许多人已经能活到70岁或80岁这个结肠癌的高发年龄段。一个世纪前,很少有人如此长寿,活到结肠癌的发病年龄。我们的食谱也从以谷物、蔬菜为主,变成越来越倚重肉类和大量脂肪。从流行病学的调查结果,可以清楚地看出膳食结构对人类的影响:非洲某些地区的居民几乎只进食蔬菜和谷物,他们中结肠癌的发病率只有西方的十分之一。

  到本世纪中,由于寿命不断延长以及膳食结构的改变这两种因素,美国结肠癌的发病率急道上升。一些研究者试图搞清某一特定人类肿瘤的发育史,对于他们来说,结肠是一个极其引人入胜的好地方。在美国,其他许多器官肿瘤的发病率每年只有几百或几千例。而结肠癌的病例却非常丰富——每年的新增病例超过10万人。

  结肠还有一个独到之处,与其他多数好发癌症的内部脏器不同,结肠易于了解。通过结肠镜——一种由直肠插入的有弹性的光学导管——可以获得结肠腔内壁细胞的直观视图。到20世纪80年代末,经过对正常及癌变的结肠进行了几百万例调查后,人们积累了大量有关这部分复杂组织如何病变的数据。

  构成正常结肠上皮的细胞——即大肠壁的细胞层——更替通常很快。上皮细胞形成、成熟、然后脱落在结肠腔内,这一典型过程从头到尾只有两三天时间。如此迅速的更替意味着这些细胞只有短暂的有效寿命,这兴许是因为它们易受肠容物——消化物及结肠内的大量细菌—一的侵害。实际上,肠道内壁不断地从火线上撤下短期工作的细胞,换上新队员。这样可以避免有缺陷的受损细胞积累过多,其中包括了生长控制基因已经发生突变的细胞。

  尽管肠壁在不停地更替,但作为一个整体,它的组织结构通常仍然保持在非常稳定和良好的状态。结肠镜中观察到的肠壁,其整体结构在其主人有生之年都受到精心呵护。但是某些人的肠壁结构发生崩溃,出现了异常的组织。这些畸变组织,有些是外观正常的细胞过多(增生),有些是已经具备部分癌细胞特征(非全部)的细胞簇(异常发育),还有叫做腺瘤和息肉的异常发育的凸于结肠壁的细胞团。

  变化的极致是明显的癌变生长(瘤形成)。与所有上皮组织癌变一样,它们也被认定属于癌症的范畴,但它们的表现形式有差异。有一些相对稳定,就地安营扎寨;而另外一些则会侵入肠壁的肌肉层,甚而派兵对临近器官进行殖民,肝脏是它们的新大陆。

  这一系列渐进的病变顺序,不仅是排列复杂的描述性信息的一条捷径。它还包含着一个重要的生物学事实:结肠癌的发育经过一系列步骤,正常细胞和组织经过渐进的畸变,由完全正常始,以高度癌变终。

  这个渐进变化序列,与我们先前描述的肿瘤是遗传事件长期多阶段发展的最终产物这样一个主题交相呼应。也许结肠壁的各种癌前生长,正是它在从完全正常到彻底癌变道路上的一个中途驿站。如果推断不错,那么恶性肿瘤只能起源于已经异常了的癌前生长,而不是直接发端于正常组织。

  尽管这种见解很有勉力,但是,与许多癌症起源说一样,它也许只不过是一种简单化的考虑,只是试图凭借一个简单的根本机制来解释复杂现象。事实上,另一种观点也能解释结肠中那各种不同的赘生物类型,亦即正常的结肠壁大踏步转变成各种赘生物,有些还不是太异常,有些则彻底癌变。也许正常细胞偶尔也会越过中间阶段,一步迈进为癌细胞。结肠镜观察未能说明正常组织和异组织彼此之间有何联系。

  对这些赘生物的突变基因进行分析,给阐明这种关系带来了曙光。巴尔的摩约翰·霍普金斯医学院的贝尔特·沃金斯坦(BertVogelstein)在20世纪助年代后期着手此项工作。他对几种肠道赘生物进行了活检标本分析,寻找明显的遗传异常。他搜集的资料为肿瘤是从正常状态小步演变成恶性状态的观点提供了强有力的佐证;因为在癌变过程中,结肠细胞基因组中累积的突变基因数量不断上升。

  沃金斯坦发现,在赘生物发展成恶性肿瘤过程中,第5、第17、第18对染色体常常丧失多样性(杂合性)。这一观察结果说明在这些染色体中有肿瘤抑制基因存在,每一个肿瘤抑制基因的丧失对结肠癌的发作都至为重要。

  第5对染色体上的两份MC肿瘤抑制基因副本,在息肉尚属早期、轻微异常生长阶段时,已经在细胞中发生了突变。随着息肉不断增生,细胞DNA中又出现了另外一个突变基因——ras癌基因。息肉再进一步,丧失一种沃金斯坦称作DCC的肿瘤抑制基因之后,细胞就站在了悬崖边上。最终,结肠癌细胞在这三种基因突变形式之外,还拥有户53肿瘤抑制基因的变体。

  这种观察结果证明,癌症的发育是一个多步的复杂进程。它强化了肿瘤发育采取达尔文式进程的观点,即突变体不断经受选择,循环往复,形成肿瘤。与此同时,有关正常组织一步演变为熟透了的肿瘤这种观点,其可信度则降到了最低点。

  并非所有肿瘤都严格遵循这个突变顺序。其他一些尚待发现的基因和基因变体也会取代上述基因登场亮相。但这个注解并不会弱化主导思想。肿瘤的形成的确取决于一系列的突变,这些突变兵连祸结,造就了急速扩张的赘生物以至最终的癌症。

  显然,突变序列中有肿瘤抑制基因,还包括至少一个癌基因。癌基因高度活化的同时,肿瘤抑制基因失活。再拿汽车来打个比方:癌细胞的生长得益于将油门一踩到底,同时刹车还失灵了。

  现在有必要对前述癌基因的合作模式进行修正。前文曾讲到,癌基因单枪匹马无法把正常细胞变成肿瘤细胞,而癌基因的不同组合(如ras和my c)却能携手诱使细胞转变。它说明细胞在癌变路上必须积累几个突变的癌基因。事实上,很少有人类肿瘤拥有多个突变癌基因;而结肠癌的例子——一个激活的癌基因(如ras)加上几个肿瘤抑制基因(Apc,Dcc 和p53)的失活——要典型得多。因此,癌症起源于癌基因的激活和肿瘤抑制基因的失活。覆盖

  同视网膜神经胶质瘤一样,结肠癌有家族史。在美国,1%的结肠癌病例起源于一种叫做家族性息肉病的遗传病。患病家族中,突变基因世代延递,家族成员的结肠中会长出多处息肉。息肉数以千计,覆盖了大肠壁。

  这些息肉虽然是良性的,也不会转移,但是,很显然,它们当中的每~个都有发展成恶性肿瘤的可能性,尽管可能性不大。家族性息肉病的患者长有这么多的息肉,以至于某个息肉迟早总会变成危及生命的结肠癌。

  息肉病易患性从父(母)到子女的遗传传递模式同视网膜神经胶质瘤很相似。某个突变肿瘤抑制基因的缺陷形式通过精子或卵子传递。承袭了该基因的孩子,注定会在某个特定的靶器官(此刻则是结肠)发生肿瘤。和视网膜神经胶质瘤一样,靶器官中的某个细胞,在某一时刻失去了肿瘤抑制基因剩下的完好无损的那个副本,开始了肆无忌惮的扩张。

  这个遗传突变基因同我们已经照过面——一它是却C。在上一章我们描述的散发性癌症中,基因一份副本的失活仅仅是结肠肿瘤多步发育史上的第一步。此后,细胞在癌变道路上,又抛弃了另一份A户C基因副本。

  承袭了一份有缺陷的却c副本的个体,已经迈出了癌症多步进程的起始一步。在他们所有的结肠细胞中,拥有的都是一份突变基因的副本,由此,细胞能够直接进入下一步动作—一消灭剩余一份完好的A户C基因。对这些人来说,生成息肉以及最终形成肿瘤的进程大大加快了。

  因此家族性息肉病和家族性视网膜神经胶质瘤大大简化了我们对散发性和家族性癌症的研究。家族性癌症在受孕的一刻已经注定,而散发性癌症则更为普遍,它们起因于人类终生都可能发生的随机基因事件。我们先可以把这两类癌症统一起来,因为它们涉及的是同一套基因。生殖细胞(精子或卵子)中拥有它们的突变形式,就会使个体形成对癌症的先天易患体质;如果这些基因因为靶器官中细胞的随机事件发生突变,则会形成防不胜防的肿瘤,在大多数人类群体中,这种情况占到癌症发病总数的90%.

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第9章 遗传文本的卫士:DNA修复及其故障

正如我们在上一章所述,结肠中两种生长控制基因——癌基因和肿瘤抑制基因——的缺陷导致肿瘤的发端及其后继发育。许多肿瘤的产生都是这两类基因在共同发挥着关键的作用;迄今为止,已知膀胱瘤、肺癌、脑瘤和乳腺癌都是如此。在下一个10年内,这一规律将扩展适用于差不多全身所有组织的肿瘤。无疑,不同类型的肿瘤细胞其产生突变的基因也是不同的。我们已经知道,导致形成乳腺癌和结肠癌的癌基因和肿瘤抑制基因存在很大不同。但各类癌症有着共同规律:人类癌细胞的恶性生长,缘起于癌基因的激活和肿瘤抑制基因的失活。

  可是近来,人们发现其他基因亦在癌症形成过程中扮演重要角色。这些基因在其正常阶段,并非主管细胞繁殖。它们各自在细胞内的任务很不一样:它们或直接或间接地保证细胞DNA的统一性。如果它们未能克尽职守,将导致细胞基因组中累积大量的突变基因,尤其包括前面所讲的生长控制基因。由于生长控制基因的突变率不断提高,癌症形成的总体进程亦在加快,导致个体有生之年肿瘤数目大量增加。

  人类细胞DNA序列中存储的遗传文本总是易受破坏的。通过饮食或者吸烟,有许多化学致癌物进入人体,最终进入我们的细胞,然后大肆攻击细胞DNA分子。绝大多数饮食中的诱变因子属于食物中的天然成分,而非人为的污染。埃姆斯(Ames)记载了从煮过的咖啡到芹菜茎以及豆芽等几十种天然食品,它们都富含强力的天然诱变物质。

  此外,如埃姆斯和其他人员所述,细胞每日正常能量代谢释放出几百万活性分子副产品。其中许多是氧化剂和“自由基”,自由基中包含着高活性的不成对电子。与外部诱变因素一样,这些内部的分子也能以化学方法改变细胞及DNA中的分子结构。DNA的信息内容再次受到篡改的威胁。

  大多数活性分子都被细胞用来防御其进攻的勤快的保护分子群拦截和中和了。保护分子中有维生素C这样的天然抗氧化剂。在有害分子胡作非为、制造遗传混乱之前,细胞还产生大量的酶起到中和及解毒作用。

  有些人体内的解毒酶维持在很高水平,而另外一些人体内产生的解毒酶要少得多。这种遗传差别,使我们得以搞清这些酶在保护细胞不受各种致癌物攻击方面的作用。例如,保护酶水平较低的个体是否要比那些水平较高的个人易患癌症呢?

  事实上,的确发现了某些惊人的差别。同是烟民,那些NAT酶(N一乙酸转移酶)处于低水平的人,膀胱癌的发病率是NAT酶水平较高的人的两倍半。另一种解毒酶GSTMI(谷脱甘肽一S一转移酶MI)处于低水平,导致肺癌发病率增长了三倍。这些发现,使我们有朝一日可以根据吸烟者一生中香烟的消费量以及他们体内的解毒酶水平来估算他们的患病风险。

  有些诱变物质成功地穿越了这些复合保护机制。逃过失活一劫后,这些诱变物质同细胞染色体中的DNA分子相互作用,使DNA分子受到破坏。每个人体细胞一天中要遭受好几千次这样的诱变物质进攻。然而尽管受到密集火力攻击,一天下来细胞DNA仍然相对完好。这里存在的矛盾需要作出解释。

  对细胞复制自身DNA分子的机制仔细审查,也发现了类似的矛盾。细胞复制DNA是为了分裂作准备,这一过程容易发生错误。在DNA聚合酶——为DNA复制服务的酶——复制出一段DNA后,由于聚合酶的操作失误,此刻DNA新链中每1000个碱基就有1个是错误的。然而同以前一样,DNA中累积的突变体的实际比率仍是极低的。经由某种途径,细胞消除了绝大多数DNA中最初的复制错误。

  实际数字非常低:到细胞完成全部DNA复制过程时,只有不到百万分之一的碱基复制错误。细胞内部有一套复制编辑机制,用它在DNA中查找复制错的碱基并将它们逐出双螺旋体。突变率如此之低,这充分证明了该机制的威力。被放逐的碱基留下的空缺由新的能够恢复DNA 正确序列的碱基替代,抹去全部错误不留一丝痕迹。细胞内还有一套类似的机制,专门负责查找并切除遭化学诱变剂攻击及篡改的DNA碱基。这些复原遗传文本的过程称作“DNA修复”。

  因此细胞的遗传数据库坚不可摧、固若金汤只是海市蜃楼般的错觉。基因组的稳定好比一场战战兢兢的高空走钢丝表演,是高度警惕的修复机制和遗传混乱永无休止的持久战。

  这种情况对肿瘤的形成产生了直接影响:如果DNA修复的努力付诸东流,那么细胞DNA 中将累积大量被改动的碱基。这就是说突变的累积至少受到三方面因素的影响:外来的或内部诱变物对DNA的损害,DNA复制中的错误,弥补诱变物质或复制错误带来的破坏的DNA修复机制自身存在的缺陷。由于突变是肿瘤的发动机,在某种程度上,以上三因素很可能都是肿瘤的起因。

  我们现在知道,几种家族性癌症是由DNA修复的遗传缺陷引起的。DNA修复的细胞设施由大群蛋白质组成。其中,部分蛋白质专门负责识别受损的DNA片段,部分负责切除,还有一部分用能够复原正确序列的新碱基来替代被删除的错误碱基。如果规定蛋白质结构的某个基因存在缺陷,将高速推进癌症的形成。

  有一种遗传性结肠癌是与之相关的著名病例,该病的发病率要比家族性息肉病高四到五倍。在四种规定关键的DNA修复蛋白质的基因中,遗传性非息肉病结肠癌(HNPCC)患者继承的一种基因存在缺陷。在修复DNA复制错误的机制中,这四种蛋白质都是至关重要的。如上所述,通过以正确碱基替代复制错了的碱基,许多复制错误被迅即抹去。可是在HNPCC患者的细胞中,许多此类复制错误未被纠正,并且随细胞分裂作为突变原封不动地传给了子代细胞。结果,随着一次次的细胞生长和分裂,在HNPCC患者的细胞中,以令人心惊肉跳的速率累积着突变。

  HNPCC患者全身上下的细胞无一不存在DNA修复缺陷。尽管缺陷无所不在,可是癌症高发部位明显集中在结肠和子宫内膜壁;而卵巢和膀胱等其他一些地方,发病率稍低。癌症为什么对这些器官情有独钟,原因不明。

  发生在HNPCC患者身上的结肠肿瘤携带的突变癌基因和肿瘤抑制基因,与散发性、非家族性癌症患者的非常相似。主要区别在于各自基因突变的速率。HNPCC患者的结肠细胞中,由于缺少有效的DNA修复机制,这些基因突变的速率和肿瘤发育的总体速率突飞猛进。

  在各种DNA修复酶中,有一些专司识别紫外线(UV)造成的损害。太阳或者褐肤灯产生的紫外线是一种短波辐射,它袭击DNA分子,使DNA链上的相邻碱基融合成怪异的双碱基复合体,给皮肤细胞造成明显损害。这些碱基融合体导致复制错误、累积突变,结果可能引起基底细胞或扁平细胞皮肤癌。这两种疾病倒容易治愈,但是突变累积也可能导致黑色素瘤这样的不治之症。

  近年来皮肤癌的发病率与日俱增。过去20年中,黑色素瘤的发病率也有年均4%左右的增幅。引起发病率增长的罪魁祸首无疑应是过去三四十年中甚嚣尘上的日光浴。褐肤房的使用肯定会火上浇油。那些有意无意中反复经受大剂量紫外线照射的人,尽管它们的DNA修复机制任劳任怨,但是仍不能避免皮肤突变细胞的积累。

  大约有10个基因专门负责修复紫外线造成的DNA损害,其中~个基因的遗传缺陷会引起一种罕见的疾病——着色性干皮病。患者的皮肤对日光极为敏感,好发皮肤癌。着色性干皮病患者的一生中,必须严格避免阳光的直接照射,长期屏蔽皮肤,以防发生癌变。

  另一种DNA修复基因A7”M如果存在遗传缺陷,人体对电离辐射或X线会极端敏感。过敏性只是DNA修复中大量缺陷的表现之一,只是冰山一角;终其一生,患者体内都在以加速度累积着突变。

  ATM基因缺陷可能有几种表现形式。个体如果承袭了两份有缺陷的A7”M基因副本,会患有共济失调一毛细血管扩张综合征。每5万人中就有1个人为这种DNA修复缺陷付出了高昂的代价。他们存在姿态不稳、血管扩张、免疫缺陷、未老先衰的情况,罹患癌症的风险更是上升了100倍。

  近来有证据显示,在家族性乳腺癌和卵巢癌中包含两种基因——BRCAI和BRCAZ,它们分管保持DNA统~性的其他一些蛋白质。在美国的乳腺癌患者中,有10%的人病因是其中一种基因的遗传缺陷。与其他遗传性DNA修复缺陷一样,为什么这两种突变基因特别偏爱某些特定的靶器官——一乳房和卵巢呢?原因目前仍属未知。

  我们还没有搞清DNA修复机制的全部的复杂原理。同样,我们也不清楚有缺陷的修复基因分布的范围和频度。有朝一日,当我们彻底弄清了这两个问题,才有望识别DNA修复缺陷在各种人类肿瘤中扮演的角色。

  有一部分酶负责中和外来诱变剂,如吸烟导入人体的物质。这些酶的问题更加复杂。要搞清它们在防御化学物质的攻击、保卫基因组方面所起的作用,以及细胞内酶含显低下带来的后果,恐怕还需要10年的努力。

(责任编辑:泉水)
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