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编号:10267059
肿瘤相关基因突变是辐射致癌的主要分子事件
http://www.100md.com 《中华放射医学与防护杂志》 1998年第3期
     作者:李刚 吴德昌

    单位:100850 北京,北京放射医学研究所

    关键词:

    中华放射医学与防护杂志980341.htm

    辐射致癌过程的细胞和分子本质的研究,对阐明辐射流行病学和实验研究的结果越来越具有深刻的影响,而后者是辐射危险度评价的基础;同时辐射作为致癌因子,因其具有详细的流行病资料,以及其肯定性,正被当作手段建立DNA损伤的模型,来研究许多生命的基本问题。因此研究辐射致癌的分子机理具有重要意义,本文就此方面的最新进展作一简要综述。

    1 肿瘤相关基因的重新分类

    研究辐射致癌机理的细胞和分子本质,不能仅仅关注于已知的癌基因或抑癌基因,因为随着致癌机理研究的深入,已不能把癌症相关基因简单的划分为癌基因和抑癌基因两类,需做以下的重新划分:
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    1.1 癌基因:癌基因是原癌基因的突变形式,原癌基因通常参与细胞的信号传导(生长因子/受体),基因的表达与调控(转录因子类癌基因),进而调控细胞的生长、增殖与分化。原癌基因通过获得功能性突变活化为癌基因,所谓获得功能性突变是指经过突变该基因的活性增强或异常。癌基因活化的突变方式有:点突变、染色体移位、基因扩增、DNA甲基化状态的改变等。

    1.2 抑癌基因:抑癌基因是一类在失活和丢失的情况下增加细胞癌变潜能的基因,基因点突变、缺失、基因内插入、以及一些非突变因素都可导致抑癌基因失活。抑癌基因按其功能可分为①转录因子或其修饰子(p53、WT1、RB、BRCA1);②GTP酶激活蛋白(NF1);③细胞质/细胞骨架\|膜的连接蛋白(NF2)。抑癌基因通过复杂的网络系统来参与细胞的信号传导、细胞增殖与分化调控、DNA的复制与修复以及程序性细胞死亡等过程,最终目的为维持基因组的稳定性。

    1.3 DNA修复基因:①错配修复基因:错配修复基因是通过研究遗传性非息肉性结肠癌病人(HNPCC)基因组不稳定性的原因而发现的。HNPCC病人的细胞表型为微卫星DNA及其他短DNA重复顺序的不稳定,同时全基因组中散在大量的突变。它们的发现是不同生物间某些关键基因具有高度保守性的又一例证。因为错配修复基因是首先在大肠杆菌和酵母菌中发现的,如hMSH2基因是酵母msh2基因的同源体[1],hMLH1、hpMS1、hpMS2是细菌mutL基因的同源体[2,3]。错配修复基因缺陷可因缺失、错义或无义突变、插入突变等而产生,其结果是基因组不稳定性增强,自发突变率增加。辐射可诱发此类基因发生突变而失活,更重要的是此类基因缺陷是辐射敏感人群存在的原因之一。②其他,如AT(运动失调性毛细血管扩张症)基因同p53、GADD45、WAF1等一起参与DNA损伤后修复、程序性细胞死亡等过程的信号传递[4]
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    1.4 同肿瘤细胞的侵袭及转移相关的基因:如蛋白水解酶/其抑制剂、化学趋化因子、Intergrins、转移基因nm23等。

    1.5 Ⅱ类肿瘤相关基因:Sager把肿瘤相关基因分为两类[5]:①发生突变缺失的(Ⅰ类);②没有发生突变或缺失的(Ⅱ类)。但其表达水平发生改变,其表达水平改变的原因可能是基因组中某些基因突变的结果,从而导致其异常的转录、处理或降解。基于此提出这样的观点,癌症是通过某些基因的突变(Ⅰ类),导致连锁放大式的下游基因(Ⅱ类)表达的异常而产生的。Ⅱ类基因是更直接决定细胞表型的基因,从治疗的角度来看,要改变Ⅰ类基因的缺失或突变要采用基因治疗,而对Ⅱ类基因来说可用适当的药物逆转其表达,无需置换非直接参与的上游突变基因,甚至可以在尚未识别其上游Ⅰ类基因的情况下进行。已有许多Ⅱ类基因被鉴定出来,如Cornexin26[6]、CaN19[7]、Maspin[8]、TIMP-3[9]等。
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    综上所述,研究辐射致癌机理应对参与此过程的基因作全盘考虑,并尝试发现参与此过程的未知基因。

    2 辐射致癌的特殊性

    癌基因的激活主要是靠点突变和染色体移位,并且并非任意位点的突变都能激活癌基因,而是限定于少数的几个密码子;通过染色体移位激活癌基因通常需要原癌基因序列同另一强活性基因的调控序列相融和,也不容易实现。而抑癌基因可通过点突变、缺失、插入等多种途径而失活,能提供较多的突变失活位点。有力的证据表明电离辐射所致的DNA损伤以DNA双链断裂为主,同此相一致的是对辐射诱发哺乳动物细胞的HPRT、TK、和DHFR等基因突变的详细研究表明,电离辐射诱发的基因突变以缺失为主,相对来说辐射是一种弱的基因点突变诱导剂。由于辐射致突变的此种特点,因此推测抑癌基因是辐射致癌的主要靶基因。这就是所谓的靶学说,即认为对电离辐射来说,靶越大击中的概率越大,但靶的大小不但决定于该基因的实际大小,而且决定于该基因激活或失活的特点及条件[10]。但并不能形而上学的对待上述观点,因为①靶细胞启动后要经过克隆选择的过程,不同的癌基因或抑癌基因赋予细胞不同的生长优势,有时虽然某种突变的频率较低,但由于赋予靶细胞较强的生长优势,该突变最终仍有可能被保存下来;②辐射可导致高基因组不稳定性的发生,因此某些突变并不是辐射直接作用的结果;③辐射作用下,染色体的移位及缺失突变的发生并不是随机的,同该基因内部及其周围的某些特殊(重复)序列以及基因结构有关。因此对于某基因所能提供的理论靶大小的计算,要在该基因实际大小的基础上从几方面加以加权修正:①其激活或失活的方式及条件;②该基因突变后赋予细胞恶性表型的潜力;③该基因所处的位置,其本身及其周围顺序的结构特点,如染色体脆性位点的存在;④基因组不稳定性的影响;⑤辐射敏感个体的存在及其基因组对辐射做出反应的特异性。最终目的可在该基因理论靶大小的基础上,结合辐射径迹结构的特点,对辐射致癌的特点做出部分的阐明。
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    3 辐射致癌过程中已知癌基因和抑癌基因的变化

    有关辐射致癌过程中已知癌基因和抑癌基因的变化情况已有多篇综述发表,在此只就最近的进展情况作一简述。

    3.1 CDKN2基因:CDKN2(MTS1)基因编码周期素依赖激酶的抑制剂P16蛋白。CDKN2基因直接参与细胞周期的调控。在许多肿瘤中,包括膀胱癌、乳腺癌、肾癌、黑素瘤等都存在该基因的缺失或突变,其突变频率甚至比p53还高[11]。Pollok等[12]通过分析30个黑素瘤细胞系的CDKN2基因的突变方式,观察到CC\|TT的突变以及高频率的C:G\|T:A的转换,支持紫外辐射在黑素瘤的发病中起着重要作用,CDKN2是紫外辐射的靶基因之一。

    3.2 BRCA1基因:对原爆幸存者乳腺癌发病的流行病学研究表明[13]:原爆幸存者在不同的年龄段有不同的超额相对危险,在第一年龄段(35岁以前)有一尖峰(ERR35岁前=13.5,ERR35岁后=2),揭示辐射敏感人群的存在。BRCA1是新近被克隆到的乳腺癌易感基因,其蛋白质功能尚不清楚,根据其氨基酸序列推测其含有一锌指区,因此可能具有转录调控因子的功能[14]。Land等推测携带突变的BRCA1基因是辐射敏感人群存在的原因之一[13],乳腺癌易感基因除BRCA1以外,还有p53、AT、雄激素受体基因等。越来越明确的是肿瘤在人群中不是随机出现的,人群中存在辐射敏感人群,研究其基因缺陷具有重要意义。
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    4 方法学的进展

    令人鼓舞的是新近发展了几种可用于研究,发现致癌相关基因尤其是新基因的方法,可用于辐射致癌的研究。

    4.1 1mRNA差异显示:其基本原理是通过利用3′端的锚定引物和5′端的随机引物进行反转录PCR扩增mRNA的3′末端,由于5′端的随机引物较短,能同多种cDNA配对,因此扩增出来的并不是单一的cDNA片段,而是许多cDNA片段,通过测序胶电泳可显示出一定的谱带来。比较不同功能状态细胞的cDNA谱带,可鉴定出差异表达的基因。差异显示简单、快速,可同时显示过度表达的基因如癌基因、被抑制的基因如抑癌基因,还可用于发现参与某一过程的未知基因。已有把此方法用于放射生物学研究的报道,如Jung等[15]采用此方法观察到人鳞癌细胞受照后EF\|1的表达增强,结合细胞周期的分析,提示EF\|1可能参与细胞G2\|M期检测点的调控。Sakuma等[16]报道鼠星形胶质细胞受照后一种新型氨酸激酶受体Ptk\|3表达显著增强,Ptk\|3的膜外区同凝血因子Ⅴ、Ⅷ、及补体成分C1的膜外区有同源性。
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    4.2 代表性差异分析:代表性差异分析(RDA)是把差减杂交的原理同PCR的强大功能结合起来的一种方法[17]。其原理:①代表,即用限制性内切酶切割全基因组DNA,酶解片段同寡合苷酸接头相连接后进行全基因组PCR。由于PCR只能扩增较短的片段,因此经过此过程,一方面降低了DNA序列的复杂性,有利于提高下一步的差减效率;另一方面可把两基因组间限制性内切酶位点的差异转换为DNA序列浓度之间的差异。②差异扩增,根据研究目的确定被检测样品(Tester),以及对应的检测样品(Driver)。把Tester基因组的PCR扩增片段同去磷酸化的寡合苷酸接头相连接。每次差减时,Tester DNA样品同超量的Driver DNA样品混合,进行变性、退火。Tester DNA样品中的特异(靶)DNA片段,由于在Driver DNA样品中缺乏,主要是自我退火,结果其两端都带有接头序列;而两基因组间具同源性的片段主要形成异源杂交体,只有某一端带有控头序列。用接头序列及其互补序列为引物进行PCR扩增时,只有差异序列参与对数扩增,差异序列得以纯化及扩增。变换接头、重复以上过程,可使差异顺序得到进一步的扩增及纯化。此方法灵敏度非常高,可以分离出转基因鼠同其相应的父辈鼠基因组间的微小差异。由于辐射所诱发的突变以缺失为主,抑癌基因是辐射致癌的靶基因,而RDA的主要特点恰好是检测基因组间的微小差异(如缺失等),因此该方法可为研究辐射致癌机理提供一个强有力的工具,但至今尚未见到有关这方面的报道。
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    参考文献

    1 Leach FS,Nicolaides NC,Papadopoulos N,et al.Mutations of a muts homolog in hereditary nonpolyposis colorectal cancer.Cell,1993,75:1215.

    2 Bronner CE,Baker SM,Morrison PT,et al.Mutation in the DNA mismatch repair gene homologue hMLH1 is associated with hereditary nonpolyposis colon cancer.Nature,1994,368:258.

    3 Nicolaides NC,Papadopoulos N,Liu B,et al.Mutations of two PMS homologues in hereditary nonpolyposis colon cancer.Nature,1994,371:75.
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    4 Kastan MB,Zhan Q,E1\|Deiry WS,et al.A mammalian cell cycle checkpoint pathway utilizing p53 and GADD45 is defective in Ataxia\|Telangiectasia.Cell,1992,71:587.

    5 Sager R,Aniosowicz A,Neveu M,et al.Identification by differential display of alpha 6 intergrin as a candidate tumor suppressor gene.FASEB J,1993,7:964.

    6 Lee SW,Tomasetto C,Paul D,et al.Transcriptional downregulation of gapjumction proteins blocks junctional communication in human mammary tumor cell lines.J Cell Biol,1992,118:1213.
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    7 Lee S,Tomasetto C,Swisshelm K,et al.Down\|regulation of a member of the s100 gene family in mammary carcinoma cells and reexpression by azadeoxycytidine treatment.Proc Natl Acad Sci USA,1992,89:2504.

    8 Zou ZQ,Anisowicz A,Hendrix M,et al.Masipin,a serpin with tumor suppressing activity in human ammary epithlial cells.Science,1994,263:526.

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    10 Cox R.Molecular mechanisms of radiation oncogenesis.Int J Radiat Biol,1994,65:57.

    11 Kamp A,Gruis NA,Weaver\|Fedhaus J,et al.A cell cycle regulator potentially involved in genesis of many tumor types.Science,1994,264:436.

    12 Pollok PM,Yu F,Qiu L,et al.Evidence for U.V.induction of CDKN2 mutations in melanoma cell lines.Oncogene,1995,11:663.

    13 Land CE.Studies of cancer and radiation dose among atomic bomb suvivors:the example of breast cancer.JAMA,1995,274:427.
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    14 Miki Y,Swensen J,Shattuck\|Eidens D,et al.A strong candidate for the breast and ovarian cancer susceptibility gene BRCA1.Science,1994,266:66.

    15 Jung M,Kondratyev AD, Dritschilo A.Elongation factor 1δ is enhanced following exposure to ionizing radiation.Cancer Res,1994,54:2514.

    16 Sakuma S,Sara H,Ijichi A,et al.Radiation induction of receptor tyrosine kinase gene Ptk\|3 in nomal rat astrocytes.Radiat Res,1995,143:1.

    17 Lisitsyn NA.Representational difference analysis:finding the difference between genomes.Trends Genetics,1995,11:303.

    (收稿:1997-11-01 修回:1997-12-11), http://www.100md.com