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细胞叛逆者(8)

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

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第12章 永生:死生有命,脱逃有术

癌基因的失控和肿瘤抑制基因的缺陷,为癌细胞无限生长提供了完满的解释。这两类基因的突变形式携手,在细胞必须休眠的时候使它无度生长。结肠癌中通常涉及ras癌基因和三种肿瘤抑制基因的突变形式,是描述两类基因变体合作关系的生动例子。可是,上述观点忽视了细胞生物学的一个重要事实:组织限制细胞增殖有两种不同的方法。一是剥夺细胞的生长因子,或是让细胞暴露在生长抑制信号之中。这些情况会导致细胞休眠、停止生长。此法对于维持组织内部的正常秩序至关重要,但是各种原癌基因和肿瘤抑制基因的变化使这种方法失灵了。

  另一种限制细胞繁殖的方法是一帖猛药:诱使细胞自杀以图控制细胞的数量。牺牲品的灭亡也是控制细胞群规模的一种重要方法。

  因为种种原因,人体中许多组织的细胞注定会死亡。有一个简单的实验可以说明细胞死亡的一个理由。如果从某个组织中取出细胞,放在培养Jll[中培养,细胞会分裂,但一定回合之后,细胞停止了生长,生气渐无,最终走向死亡。这些个步骤称作细胞老化和危象。以人体细胞群为例,细胞通常以每天分裂1次的速度生长50至60天,然后停止生长。阻止细胞无限繁殖的这个障碍叫做“细胞必死性”。

  细胞必死性是一种重要的抗癌自卫机制。正常组织赋予其细胞的分裂次数是有限的,似乎意在建立阻遏肿瘤发育的屏障。这种屏障确保早期的肿瘤细胞群只能分裂一定的回合,在肿瘤细胞用完定额后即停止生长。

  但是,发育着的肿瘤细胞群必定突破了细胞必死的屏障。癌前细胞群如果没有无限分裂的能力,它们就不能扩展到足以危及生命的规模。当肿瘤细胞被置于培养皿中时,它们事实上已经显露出无限繁殖的本领,说明它们已经“不死化了”。

  直到最近,细胞必死现象仍是困扰生物学家的一大谜团。细胞怎么会知道何时该停止生长、逐渐老去呢?一个后代细胞怎么会知道何时它便用尽了分裂的定额呢?细胞似乎拥有对既往历史的某些记录或者集体记忆。家族中细胞的每一次生长和分裂,都有某种计数装置记录下来,计算着组织内从早期胚胎中的细胞始祖开始的细胞世代数。

  与这种世代计数相关的还有其他几个例子。在中国的一些家庭中,孩子名字的第一个字表明他们在家谱中的辈分,将他们同家族中的前辈区分开来。人体组织中的细胞必定也有类似的记号,告诉它们从受孕时算起细胞在生物体发展史上的位置。有一个“世代闹钟”登录这些记号。当闹钟达到预先设定的时间,数尽一定的世代数,它就会铃声大作,告知细胞停止生长、走向死亡。癌细胞却长袖善舞,有本事对闹铃声充耳不闻,继续它无尽的生长和分裂。

  长期以来,世代闹钟采用的计数机制一直未受重视。近来,许多实验室进行的研究激动人心,它们最终揭示了世代闹钟的分子基础,为解决计算细胞世代数的问题提出了一个绝顶聪明、又让人惊诧不已的途径。

  有关世代计算的发现,与本书列举的许多发现一样,来自似乎和癌症不相干的研究领域。它们源起于20世纪品年代两位遗传学家芭芭拉·麦克林托克(Barbara McClintock)和赫尔曼·穆勒的观察结果。他们两位总结道,为防止染色体的融合和崩溃,果蝇的染色体拥有特殊的端点。穆勒称之为端粒。端粒的作用类似鞋带两头防止磨损的保护物。每一个人类的染色体都是线形结构,因此它有两个端粒。

  1972年,在差不多40年后,DNA双螺旋结构的发现者之一詹姆斯·沃森,为这个故事添上了浓墨重彩的一笔。此刻,包DNA复制过程在内的细胞分裂机制的一些细节问题都已经搞清楚了。每次细胞准备分裂时,它都要复制自己的DNA,以保证自己的每一个子代细胞都能获得同样的遗传信息。在前面,我们曾讲过DNA的复制和编辑可以精确到只有不到百万分之一的累积错误。但是,沃森指出这一高效精确的基因组复制规则存在一个令人瞠目的例外:由于DNA聚合酶——一负责DNA复制的酶——采用的生化机制,染色体DNA的两端总是不能被准确复制。结果,细胞每一次复制DNA,组成DNA末端的端粒都会被截短约100个碱基。

  几年后,一个研究单细胞池塘原生动物革履虫的遗传学家伊丽莎白·布莱克本(Elizabeth Blackburn)发现了端粒的构造。与染色体的其他部分一样,瑞拉也是由DNA双螺旋构成。但是端粒的DNA序列结构不同寻常,它是由许多一样的DNA序列周而复始地排列组成。人类的染色体中,端粒是由TTAGGC这个碱基序列重复1000次左右构成的。

  综合这些研究成果,引出一大谜团:如果革履虫这样的原生动物,它的复制机制并不能保证染色体的端粒复制无误,那它们怎么能年复一年地无限分裂呢?1984年,布莱克本的研究小组找出了答案,草履虫细胞有一种叫做端粒酶的特殊的酶,它的作用就是添加重复的DNA序列,重建端粒,弥补DNA复制机制通常的不足。

  20世纪70年代,苏联遗传学家奥洛文尼科夫(A,M.lovnikov)提出厂与细胞必死现象相关的端粒理论,该理论西方研究人员并不知晓。他指出,哺乳动物的正常细胞不同于草履虫细胞,它们不能重建端粒。因此,在细胞分裂的次数达到30、40抑或50次后,端粒磨损殆尽,不再能保护细胞染色体两端的要害部位。这以后,染色体之间彼此首尾融合,造成遗传混乱,细胞停止生长、最后死去。是端粒的瓦解拉响了闹铃,告知细胞它已经用光了分裂回数的定额。

  奥洛文尼科夫的推论终于被证实了。到20世纪90年代初期,许多实验室的研究成果揭示,人体细胞的端粒随细胞的反复生长和分裂渐次缩短。最后,由于端粒不足,细胞开始老化,然后出现危象,最后死亡。

  并非所有人体细胞都注定要经受端粒的瓦解,引起染色体融合。人体内至少有一族细胞逃过了这一劫,因而获得了永生——生殖细胞:精子和卵子。为了使基因代代相传、绵延不绝,生殖细胞必须确保自己的长盛不衰。这种不受时间、时代限制的传递,对于一个延续达数百万年之久的物种是很有必要的。

  生殖细胞是如何逃过瑞拉瓦解引发的这场危机的呢?与人体其他所有的细胞不同,生殖细胞有端粒酶的表达,弥补了DNA聚合酶造成的缺憾。在卵子受精后的短时间内,许多甚至是所有的早期胚胎细胞都拥有端粒酶。可是不久之后,在构成大多数组织的后代细胞中,端粒酶的产物就销声匿迹了,生殖细胞的后代除外。这种消失给许多后代细胞的增殖潜力施加了限制——成为阻止癌症发展的屏障。

  癌细胞复活了端粒酶,违逆了造化的神工。所有人体细胞,不论正常与否,都携有制造端粒酶的遗传信息。但是,早在胚胎发育时期,大多数正常细胞系拥有的这一信息已经被遏制了。采用某种未知的办法,癌细胞发掘出DNA中潜藏着的这个信息,再次用它来制造端粒酶。

  端粒酶基因是知善恶树上的苹果“绝大多数正常的人体细胞都不能拥有。一旦癌细胞得到了它,复活了端粒酶,癌细胞就能无限地重建和维护自己染色体的两端,确保自己拥有无限的复制能力。现在束缚癌细胞繁殖的障碍只剩下一个了——肿瘤患者的身体承受肿瘤细胞无限增殖的能力。

  有些肿瘤中,在正常细胞转变成癌细胞的多步进程中,端粒酶珊珊来迟——当演化中的癌前细胞群即将用光其分裂代数定额之时。细胞中出现端粒酶,取决于一种制约着端粒酶关键成分的基因。目下的研究正集中在搞清该基因是如何在正常细胞中罢工、在肿瘤细胞中亮相的。

  前面,我们已经了解了癌基因激活和肿瘤抑制基因失活是如何对癌细胞的对外关系——细胞与其周边环境的互动关系——产生显著影响的。端粒酶的复苏则是一种完全不同的变化,纯粹是细胞的家务事,即细胞对自身内在限制的修补和克服。

  端粒酶基因的克隆使得那些致力于开发新的抗癌方法的人们激动不已。由于正常细胞和癌细胞极其相似,一次又一次,制造有效的抗癌药物的努力都付诸东流。尽管我们已经列举了很多可以区分正常细胞和癌细胞的遗传差异,但是这些突变在基因组中仅占极小部分(不到0.01%)。正常细胞和癌细胞的绝大多数基因如出一辙。相似的遗传内容表现出来的外观、行为和生化构造都是相似的。

  这些相似之处,说明了为什么所有旨在杀灭癌细胞的药物实验会玉石俱焚,对正常细胞也造成了毁灭性打击。这些药物不具备选择能力——即在猛攻癌细胞的同时确保正常细胞尽量不受波及。研制中的医用抗癌药物极少能够通过对正常组织有无毒性作用的第一关测试。

  但是,端粒酶是两类细胞性状共享常规的一个罕有的例外,因此它很有可能就是癌细胞的阿喀琉斯之踵;端粒酶对癌细胞的生长是不可或缺的;而多数正常细胞中并不存在端粒酶,因此它们的持续生存也不具有对端粒酶的依赖性。这就给药物研制提示了一个清晰的策略:制造一种药物,它专门攻击、抑制端粒酶,对细胞中的其他几千种酶秋毫无犯。这种打击目标非常明确的药物可以阻止癌细胞的蔓延,对正常细胞则几乎没有影响。

  可是,白壁有暇。有些正常细胞如白细胞,它们在特定情况下也会拥有端粒酶。这就是说,这些正常细胞的生长也离不开端粒酶,因而抗端粒酶的药物也可能影响某些正常细胞,产生不良副作用。尽管如此,总体说来,研制这种抗端粒酶的药物还是很有吸引力的。要搞清楚是否能制造出抗端粒酶的药物,以及它们是否能有效地治疗肿瘤,研究人员还需再继续努力10年.

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第13章 助人自杀:凋亡和死亡程序

世代钟是人体控制细胞数量的一种方法。但是,人体限制细胞的增殖至少还有另一种计策,可以收到异曲同工之效。人体组织能够诱使多余的或者是有缺陷的细胞自杀。癌细胞一定是掌握了躲过这架死亡机器的本领。这是人体挫败细胞走上恶性癌变道路的另一计。胚胎学家早就发现生物体能够有选择地消灭组织内部的某些细胞。给人印象最深的一个例子也许就是人类双手的发育。最初,大片结缔组织把手指连在一起。后来,结缔组织中的绝大多数细胞都死去了,只在手指根部还留下一部分残余组织。但是在胚胎发育的过程中,在其他很多不那么引人注目的地方,也发生了细胞被大批消灭的情况。例如大脑,大显的未能构成合适的结缔组织的胚胎神经细胞成了牺牲品。

  消灭无用的细胞,这种作法古已有之。有一种原始动物,它在很多方面都和6亿年前人类的远祖非常相似,在它身上可清晰地看到这种杀戮现象。小杆线虫是一种微型蠕虫,卵子在受精后反复分裂产生1090个细胞,其中,131个细胞在胚胎发育的特定时点死亡。

  直到最近,绝大多数生物学家还推测这些细胞是渐进崩溃的,死于自然损耗、饥饿或者要害受损。这种慢性死亡类似中毒造成的某些坏死现象。在坏死情况下,细胞膨胀起来,它的内部成分分崩离析,最后细胞爆裂而亡。

  现在我们知道,很多细胞别出心裁,走了另一条不归之路。它们实际上采用的是一种迅速而刻板的固定模式。某种内部死亡程序决定着细胞的死亡。1972年,安德鲁·怀利(Andrew Wyllie).

  细胞编程性死亡的发现者之一,称之为“凋亡”。这个词源出希腊文,意指树叶脱落。一旦引发死亡程序,细胞的死亡、瓦解、残体消失,这一切的发生不到1个小时。

  似乎在每个人体细胞的控制系统内已经预设了凋亡性死亡程序。这种自毁机制同火箭制造者安装在卫星发射装置中的爆破装置极为类似。如果火箭偏离轨道,地面控制人员将引爆自毁装置。同样,一个出轨的或者无用的细胞也是毁灭对象,这个决策是由周围组织或者细胞自身的内部控制系统作出的。

  细胞凋亡的过程令人怅惆。首先,细胞收缩。然后,多处细胞外膜突出。不久,细胞染色体的DNA片片碎开。最后,细胞爆裂,其碎片迅速被邻居吞没。细胞身后无痕,恰如镜花水月、一枕黄粱。

  直觉告诉我们,胚胎发育时期应该是生机勃勃的扩张阶段。此刻,精心规划过的胚胎似乎只会产生那些对于构建组织必不可少的细胞,既不多也不少。可是,胚胎发育期大批细胞的凋亡和我们的直觉背道而驰。事实上,胚胎的发育效率低下、浪费惊人。发育中的胚胎内,在很多地方,细胞分裂产出的细胞数远远超过形成最终器官或组织所必需的数目。其中,有些细胞形成的进化残余组织,对于现代生物体没有任何用处。其他一些细胞是胚胎发育过程中,构建适当组织的努力失败的产物。凋亡就像雕塑家的凿子,毫不留情地剔除无用的细胞。

  最近的研究显示,不仅在胚胎发育期,生物体在其一生中都在运用凋亡手段。免疫系统中,不能制造适当抗体的细胞被大量抛弃。许多成形组织用凋亡来不断地筛选,保持内部构造。

  哺乳动物的细胞在其他情况下也会采用凋亡性死亡程序。感染了各种病毒的细胞会努力激活凋亡程序。它们的动机很明显:通过迅速自我牺牲,剥夺病毒繁衍的合适宿主,从而终止病毒的生长循环。这种利他主义的高尚行为使得周边细胞免除了被继续感染的危险。为了抵消这种防卫程序,很多病毒发展出了对策,即迅速封闭宿主细胞的凋亡反应。

  对于体内那些存在明显缺陷的细胞,尤其是DNA遭到严重的不可修复的损害的细胞而言,凋亡是惟一的选择。通过某种未知方式,细胞能够感知自己的基因组是否严重受损。细胞不再试图修复创伤,而是按规定自杀。

  然而,有许多仅仅受了轻微伤害,仍然生机勃勃的细胞也被打发到了凋亡之路上。初初一看,这种自杀行为实在太浪费了。组织不断地生成新的细胞,代管那些被剔除的只有些微缺陷的细胞,肆意挥霍有用资源。可是,比起让一个受损的、也许已经突变的细胞继续存在最终带来的风险,这点资源的消耗仍属小巫见大巫。这就说明,凋亡的一个重要作用就是迅即消灭全身各处组织的越轨细胞,防止它们给党生事。

  细胞内部的生长控制系统存在一点点的失控就会触发死亡程序。这种失控可能发生于癌细胞内部,与代谢失衡及生长信号不当有关。例如,把一个my C癌基因注入一个正常细胞,会引起信号失衡,导致许多细胞启动凋亡性死亡程序。也就是说,很多通过某种意外突变获得了川yC癌基因的细胞都会迅速死于凋亡。也许其中有一小部分细胞通过这样那样的方法,躲过了几无可避的杀身之祸。事实上,当细胞内的某个癌基因被激活时,这些细胞都被规定必须自杀。生物体在所有细胞中都埋设了地雷线。这些报警装置,通过使早期癌细胞迅速自取灭亡,为组织肿瘤的形成构筑了路障。

  我们认为,走在癌变之路上的细胞必定仔细研究过凋亡的雷区。在获得了某个促进生长的癌基因后,细胞必须设法避免凋亡。这种闪避有时是通过第二次突变完成的。例如,一个激活的my C癌基因常常会触发凋亡,但在某种情况下,ras癌基因的后继激活会使细胞避免凋亡。

  免疫系统最能说明突变对于规避凋亡性死亡的作用。前面讲过,免疫细胞如果不能制造适当的抗体,就会被凋亡消灭。某类淋巴细胞是免疫系统发育过程中的主角,其中有超过95%的细胞是被用这种方式抛弃的。我们现在看到,组织消灭的细胞不仅包括存在明显缺陷的和危及生命的细胞,而且包括那些仅仅是非生产性的细胞.

  淋巴细胞对这种死亡程序的抗争也会导致癌症。BC2癌基因专门阻止死亡程序的触发,淋巴细胞通过激活该基因可以胜利大逃亡。拥有一个活性BC2癌基因的淋巴细胞群将开始大量扩张,逃过几乎不可避免的凋亡厄运。这些细胞不是恶性的,它们只会累积到庞大的数目。可是,几年之后,其中一些增量细胞也许会经历其他突变,包括激活周Uc癌基因,然后它们就会变成真正的恶性后代细胞,导致淋巴瘤。越来越多的证据表明,还有其他类型的癌细胞也是要么通过突变,要么使BC2癌基因过度表达来激活BC2,确保自己的长期存活。

  在各类癌症中,单纯从数量上来判断是否属于癌前细胞,会使肿瘤获得羽翼丰满的机会。要形成致命的肿瘤,细胞不仅必须提高自己的繁殖能力同时必须找到躲避死亡的途径。通过获取某个活性癌基因,有些癌前细胞群也许成功地提高了自己的繁殖率,但是它们也许并不能摆脱凋亡和老化的威胁;它们通过增加繁殖获得的任何利益,都可能被等速甚至更快的细胞死亡抵消。细胞群的净收益也许是规模恒定甚至缩减。只有解决了细胞的死亡问题,细胞群才能开始迅速扩张,导致马尔萨斯式的增长”。基因组的卫士,死亡程序的主宰:p53

  有很多中枢控制者影响着细胞作出凋亡与否的决定,其中最有名的是P53肿瘤抑制基因。它通过自己的蛋白质发挥作用,成为生与死的裁判和主管细胞的健康安宁的高度警惕的卫土。它在细胞机制受损或者在细胞开始胡作非为时,敲响丧钟。在自身DNA受损后细胞的反应中,P53的作用最为显著。DNA聚合酶无常的复制错误中,人体细胞的基因组总是处在风雨飘摇的状态。细胞对遗传损害有两种反应:要么使用我们先前描述过的修复机制试图弥补缺损;要么拱手言政,进入细胞编程性死亡。如果突变造成的损害较小,细胞会作修复的努力;如果受到严重损害,修复机制力有不逮,细胞别无选择,只有凋亡。

  细胞一般依靠P53蛋白质帮助感知DNA损害。与其他肿瘤抑制蛋白一样,p53蛋白阻止细胞增殖,为修复机制赢得搜索和修复受损碱基序列的时间。一旦消除了损害,P53就功成而退,使细胞继续生长。

  这种反应背后的逻辑很简单。暂停使细胞不能进入需要复制DNA的生长阶段。只有当成功地修复了DNA的损害后,p53蛋白才会颁发进入DNA复制阶段的许可证,保证复制酶——DNA聚合酶——不至于粗心大意地复制受损的DNA,使得突变代代相传,产生存在同样缺陷的后代细胞。

  如果DNA大面积受损,则会有截然不同的反应。与前面一样,细胞中的p53蛋白达到了很高的浓度。细胞再次被迫停下生长的脚步。但是这一次,细胞的损害评估机制将衡量遗传授损的范围,以决定是否激活另一反应:启动凋亡程序。结果迅捷而明确:细胞约在1小时内死亡,同时死去的是它新近遭受重创的基因。不错,细胞凋亡作出的牺牲是显著浪费了生化资源,可是从长远角度考虑,比起在组织中出现某个突变的、高度癌变的细胞,这种选择是非常合算的。

  早期癌细胞通过突变失活P53基因的好处很明显。一旦某个细胞击垮了p53基因,就会严重削弱自己的损害反应通路。后果之一就是,即便细胞及其后代的基因组受到严重损害,细胞们也能继续繁殖。由于缺少功能正常的户53,这些细胞将突飞猛进地复制它们已然受损的DNA,将未作修复的功能障碍纳入新产出的基因组复制酶中。于是,突变基因组可以延递不绝了。

  通常情况下,激活原癌基因、失活肿瘤抑制基因是一个缓慢的突变过程,但是如果没有尽忠职守的p53存在,将大大加快这个进程。由于这些突变事件限制了肿瘤的扩张速度,因此户53不动声色,将大大加速肿瘤细胞群的进化,使成熟的肿瘤提前出现。总而言之,失去P53与DNA修复机制的重大缺陷一样,摧毁了稳定的基因组。

  培养皿中的正常细胞有一种轻微倾向,几乎难以察觉,就是过度累积基因副本。可是如果缺乏功能正常的p53,这种过度累积基因副本的倾向将增大1000倍。如前所述,这种基因“扩增”,将会导致mpc、erb B和erb BZ/neu这样促进生长的癌基因不断增加副本。很多种癌症,如脑瘤、胃癌、乳腺癌和卵巢癌以及儿童视网膜神经胶质瘤等,在它们的形成过程中,都经常会出现这些基因的扩增现象。

  所有肿瘤细胞几乎都掌握了长生不老的本事,P53的失活在肿瘤细胞的不死过程中助了一臂之力。不死的障碍是端粒的缩减和瓦解。一旦端粒耗减到一定的程度,细胞内部会拉响第一次警报,停止生长,进入垂暮状态。细胞似乎能够像感知DNA的损害一样,感觉到端粒的缩短。为回应这一紧急遗传事件,细胞动员了P53,通常是切断细胞的生长。这些细胞将长期处在暮年的静止状态。

  没有P53的细胞,对端粒的耗减视而不见,继续生长。它们冲锋陷阵,继续繁殖上10代或20代细胞,将老化远远抛在脑后。此时,由于端粒继续缩短,短到一定程度,细胞内拉响了第二次警报。这时细胞会大批死亡,只有那些复活了瑞粒酶的少数变体细胞能够逃脱这一劫,修复端粒,获得永生。尽管p53的失活并不能创造出不死的细胞,但是它使肿瘤细胞获得了竞逐金腰带——通过复活端粒酶获得永生——的机会。

  最近,p53失活的另一面展露人前。肿瘤块中的癌细胞由于供血不足导致缺氧,因为缺氧——氧气饥渴——而停止生长。正常细胞的缺氧状态持续事件过长,细胞就会凋亡。p53似乎是反应中介。很多肿瘤细胞中p53基因会被突变失活,这些细胞就具备了超常的耐受力,能一直坚持到成功建立充足血供的时刻,然后恢复通行无阻的迅速增殖。

  细胞中p53蛋白的状态对癌症的治疗也有直接影响。所有治疗癌症的方法—一化疗和放疗——一几乎都是通过损害肿瘤细胞来操作的。化疗会直接作用于DNA碱基,改变DNA结构;或者影响DNA复制酶。X线也会对DNA双螺旋造成难以弥补的损害。

  30年来,人们设想这些抗癌疗法通过大面积地破坏DNA可以杀死癌细胞。这种破坏当然会压倒癌细胞的修复机制。由于癌细胞染色体的DNA被撕成碎片,癌细胞将停止生长,一命呜呼。

  现在我们知道抗癌疗法通常走的是另一条路。剂量足以杀死癌细胞的化疗和X线,实际上并没有给癌细胞的基因组造成大范围的损害。相反,这些治疗方法造成的破坏刚刚够激活P53以及细胞编程性死亡。因此,治疗癌症不是大力击杀癌细胞,而是扭曲癌细胞的控制机制,将它们推过正常生长和凋亡性死亡的分界线。

  这就说明了为什么在决定细胞对抗癌疗法的反应过程中,p53总是一个关键角色。正如最近的观察结果,癌细胞丧失p53功能后常常更具耐药性,显然是因为难以哄骗癌细胞自杀。这些研究成果对于治疗癌症有重大意义,很快,医务人员就能根据患者肿瘤细胞中p53基因的情况来调整治疗方案了。

(责任编辑:泉水)
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