從四倍體到腫瘤

1、關于癌癥中基因組不穩(wěn)定性的探討1序言非整倍體與癌癥的關系2什么是非整倍體？正常的人類擁有46條染色體，2n=46.21三體綜合癥，也稱唐氏綜合癥，患兒智力低下，21號染色體有三條而非正常人的兩條，這是由于卵子在減一時分離錯誤，導致了非整倍性2n+1的產(chǎn)生，類似擁有2n+1或2n-1的錯誤染色體數(shù)目的細胞便稱為非整倍體細胞。3非整倍體與癌癥75%的腫瘤細胞中可以檢測到非整倍體細胞的存在，可以說，非整倍體與腫瘤密切相關，很多人對此做過研究，現(xiàn)在研究存在兩種分歧，即非整倍性到底是癌癥產(chǎn)生的原因還是結果4非整倍體來源1. 普遍認為，非整倍體大多由雙核四倍體細胞分裂而來 BN：binucleatedA/

2、T anaphase/telophase BN：binucleatedA/T ：anaphase/telophase 56非整倍體來源2.在自發(fā)的非整倍體HeLa細胞中，62來源于有絲分裂異常的單核細胞 ，如果該發(fā)現(xiàn)能在多種細胞中得以證實，則可能改變非整倍體起源于多核細胞的傳統(tǒng)觀念。通過長時間活細胞實時攝影，第一次直接測定了細胞周期各時項的長度，為深入研究非整倍體細胞的發(fā)生機制提供了理論基礎。7正文四倍體細胞遺傳不穩(wěn)定性8四倍體細胞非整倍體的主要來源9四倍體形成方式病毒可以導致細胞融合,獲得增殖能力,并產(chǎn)生基因組不穩(wěn)定的四倍體細胞P53沉默這一現(xiàn)象不得不讓人聯(lián)想到病毒的致癌，讓人們開始思考在病

3、毒介導的四倍體細胞形成的過程中是否還存在未知的某種機制10四倍體的形成2：卵裂溝退化,從而導致四倍胞質(zhì)移動異常。相關蛋白很多,每一種蛋白的缺陷都可能會導致胞質(zhì)移動異常11四倍體的形成有絲分裂滑移如果二倍體細胞在諸如紡錘體關卡等周期關卡處出現(xiàn)有絲分裂滑移現(xiàn)象,躲避了有絲分裂,緩慢恢復并重新進入G1 期,也會產(chǎn)生四倍體細胞。1213四倍體的形成Bik1基因是酵母中負責正常的微管動力和著絲粒微管黏附的基因RhoA 和Plk1 。Plk1蛋白于著絲粒和紡錘極,可以引起RhoA活化,后者負責胞質(zhì)分離Chk1、eEF1A1, APC 及其結合伙伴蛋白EB1、E4orf414四倍體的形成目前研究的熱點主要集

4、中在細胞融合、內(nèi)部復制、細胞周期非正常終止152. 四倍體細胞和外界生存壓力體外四倍體或多倍體肝細胞一部分多倍體肝細胞正常發(fā)育,隨著諸如氧化、輻射損傷等細胞損傷及其他生存壓力(如可利用能量資源減少等)的存在,多倍體的細胞數(shù)量在上升,這說明了多倍體細胞的形成與損傷、壓力呈正相關。肝臟切除術后的肝細胞和受氧化損傷的肝細胞中,多倍體的比例要明顯升高;人和鼠的心肌細胞和血管平滑肌細胞在高血壓病中都可以看到多倍體細胞的增多;傷口愈合的時候,四倍體纖維母細胞增多16四倍體與生存壓力那么,為什么面對損傷和壓力會形成四倍體呢?目前認為一個關鍵因素是代謝總量,其和生物體的年齡、氧化損傷等有密切關系。當資源有限時

5、,經(jīng)過內(nèi)部復制的細胞似乎更傾向于把用于細胞分離的能量用于細胞成分和蛋白質(zhì)的合成。從這個角度來講,細胞增殖所用的資源會“競爭”細胞分化所需的資源。四倍體細胞的最大代謝率和正常二倍體細胞比是減低的。在面對損傷和壓力時, 四倍體細胞的生長狀態(tài)更穩(wěn)定,證實了四倍體化是細胞對氧化和衰老壓力的一種自我保護機制。17四倍體與生存壓力一些實驗顯示出了四倍體細胞對DNA 損害的抗性，可是另一方面也有些實驗卻顯示四倍體細胞對一些DNA 損傷更加敏感。如酵母四倍體細胞明顯表達了染色體丟失和重組的現(xiàn)象,同時對射線和其他一些DNA損傷更敏感。結果到底怎樣，學術界也存有爭議，但應該與所取材料來自不同生物有關183.四倍體

6、細胞的凋亡四倍體細胞在經(jīng)過有絲分裂逃避和胞質(zhì)移動障礙以后會導致自發(fā)的凋亡使用微管毒性藥物產(chǎn)生了四倍體，這些四倍體細胞出現(xiàn)了紡錘體關口的逃避，順利進入了M期，可隨后，p53和Bax的激活。接著，線粒體膜電位消失,出現(xiàn)了與p53蛋白相關的凋亡。四倍體細胞體內(nèi)如何激活p53 基因轉錄,如何實現(xiàn)PKC誘導的p53蛋白第15位和46位的絲氨酸磷酸化及隨后的凋亡過程,其機制現(xiàn)在還不知道19四倍體凋亡雖然四倍體有較高的自發(fā)凋亡率,但是實驗卻觀察到其對奧沙利鉑、鬼臼乙叉甙、柔紅霉素、羥基脲,特別是另外一些紫外線和射線等造成的DNA 損傷有著高于同系二倍體細胞的抵抗, 相比之下，凋亡率反倒下降試驗中通過siRN

7、A干擾p53 和p53 的靶基因(如Bax、BBC3 /Puma、GADD45A、FDXR)來阻止凋亡，而通過阻滯Chk1可以激活p53, 從而導致p53 依賴的四倍體癌細胞凋亡。p53的磷酸化出現(xiàn)在有絲分裂的完成過程,這說明p53 活化和四倍體細胞基因組的分裂困難有關。20四倍體凋亡四倍體的高凋亡率和其致癌性看起來好像互相矛盾。目前的推測是四倍體細胞形成后其不平衡的細胞分裂和染色體缺失及增加在p53作用下導致了凋亡可是有一群可以抵抗生存壓力的細胞克隆存在并導致了非整倍體的產(chǎn)生和致癌過程214中心體，四倍體，腫瘤的產(chǎn)生中心體由中心粒組成,在一個細胞周期只復制一次,是微管組織中心,具有保證有絲分

8、裂精確性和細胞骨架結構正確性的雙重功能。中心體擴增和腫瘤形成之間的關系是目前腫瘤學研究的一個熱點。如果在一個細胞周期中,中心體復制次數(shù)過多形成多個單中心粒的中心體中心粒旁物質(zhì)過表達從而形成多個無中心粒的中心體都可以形成中心體擴增和四倍體224中心體，四倍體，腫瘤的產(chǎn)生中心體擴增是一個復雜的過程,原癌基因NPM 、B32、Aurora A 和抑癌基因p53、BRCA1、Gadd45 等都是目前確定參與中心體擴增和四倍體關口的基因Aurora A過表達會導致p53- / - 的鼠出現(xiàn)以四倍體化為主要方式的中心體擴增。Gadd45基因剔除的小鼠表現(xiàn)出嚴重的中心體擴增及四倍體。在對分離的畸胎瘤干細胞P

9、19RG01實施熱休克時,四倍體P19RG01細胞出現(xiàn)明顯頻發(fā)的中心體擴增、多極分裂、染色體不分離和其他一系列基因組不穩(wěn)定現(xiàn)象235. 四倍體與腫瘤形成關于四倍體與腫瘤致病性之間的關系,目前的觀點是四倍體細胞引起了異倍體細胞,而異倍體細胞導致了基因組不穩(wěn)定性,從而導致癌癥。在對腫瘤形成的細胞遺傳學研究中,四倍體細胞好像比異倍體細胞更早出現(xiàn)。人們觀察到在很多腫瘤的早期階段可以看到四倍體細胞,而在這些四倍體細胞中,p53和Rb 這兩種抗癌蛋白經(jīng)常是缺失或功能缺陷的。245. 四倍體與腫瘤形成四倍體細胞存在多中心體、進行多極有絲分裂,可以直接增加斷裂的染色體數(shù)目。多極分裂過程中姊妹染色體的黏著點分離

10、錯誤形成染色體斷裂。而且,當染色體丟失或增加時,基因表達的不平衡性導致S期缺陷,DNA斷裂。25人們進行了一系列工作試圖揭示四倍體細胞和腫瘤發(fā)生間的關系四倍體導致染色體的斷裂,可能就造成重要抑癌基因的丟失,不過,四倍體的致癌機理還被進一步研究過265. 四倍體與腫瘤形成Fujiwara在p53- / - 鼠對四倍體細胞的致癌作用進行了研究。他們利用二氫細胞松弛素B ( dihydrocytochalasin B,DCB)處理小鼠乳腺上皮細胞。DCB 可以影響肌動蛋白的功能,與胞質(zhì)流動、變形運動、細胞形態(tài)的維持、細胞膜的動態(tài)變化有關。經(jīng)DCB處理后的乳腺上皮細胞經(jīng)證實形成四倍體細胞后被注射在小鼠

11、的皮下。在沒有致癌因素的存在下,和對照組相比,只有四倍體細胞注射組自發(fā)產(chǎn)生了上皮細胞癌。在對這些癌細胞的研究中發(fā)現(xiàn),它們存在染色體非交互性易位,在含有基質(zhì)金屬蛋白酶基因(一種和乳腺癌相關的致癌基因)的染色體區(qū)域存在830倍的擴增。275. 四倍體與腫瘤形成在對子宮頸癌的發(fā)病機制研究中, Olaharski等發(fā)現(xiàn)四倍體細胞和基因組不穩(wěn)定性在致癌的早期階段就發(fā)生了,然后才形成了包括17號染色體丟失等在內(nèi)的異倍體細胞。四倍體細胞的出現(xiàn)是被稱作“早期事件”。Baia等發(fā)現(xiàn)Notch通路活化和人腦脊膜瘤有關,活化的Notch1 和Notch2 受體可以導致內(nèi)源性HES1表達和伴隨增多的四倍體腦脊膜瘤細胞

12、,腦脊膜瘤四倍體細胞表現(xiàn)出明顯的基因組不穩(wěn)定性285. 四倍體與腫瘤形成不管爭論的結果與否, 現(xiàn)已在大量的癌前組織中檢測到了CIN，那么其就有可能作為一個腫瘤診斷的有效標記，用于臨床診斷 Barrett食管作為一種癌前病變,就表達了多見的四倍體細胞,四倍體細胞出現(xiàn)的比例和p53的丟失多少有關。而根據(jù)流式細胞儀檢測四倍體細胞是否存在及其所占的比例數(shù)以估計患者的風險等級和預后已經(jīng)被應用于臨床296存在的爭論和疑問隨著四倍體細胞致癌理論的研究深入,學術界出現(xiàn)了一些爭論和疑問: 染色體不分離產(chǎn)生四倍體這一現(xiàn)象是否是一個普遍現(xiàn)象? 在初級成纖維母細胞內(nèi),Weaver等用重組酶介導了有絲分裂特異蛋白CEN

13、P2E的衰竭。結果染色體的不分離并沒有產(chǎn)生四倍體細胞,只是產(chǎn)生了一些異倍體細胞。Weaver等的解釋是Shi等的結果忽視了一些沒有察覺到的動粒和微管的附著缺陷, 四倍體只是DNA損傷后造成卵裂溝動力學改變引起的。那么事實到底是怎樣的呢?30存在問題與爭議 是否真正存在“四倍體關卡”? 從進化的角度來講,人們順理成章地認為四倍體由于存在很多不利于進化的危險和缺陷會在胞質(zhì)分離異常后在G1 期出現(xiàn)“四倍體關卡”,造成G1 期停頓DCB處理鼠成纖維祖細胞后顯示了p53依賴的四倍體關卡,細胞停止增殖。可是有個疑問,部分正常人類肝細胞是四倍體細胞,可是它們是可以增殖的,并沒有出現(xiàn)所謂。用的“四倍體關卡”。

14、這是僅僅是因為細胞的種類不同引起的嗎? Hu等在對p野生型黑色素瘤細胞Skp2基因的研究中發(fā)現(xiàn),和p53緊密依賴的四倍體停頓和G2 /M調(diào)節(jié)基因的下調(diào),阻滯Skp2基因表達可以出現(xiàn)p53依賴的“四倍體停滯關卡”。而Uetake 53等用小劑量的DCB重新處理發(fā)現(xiàn)四倍體細胞并沒有出現(xiàn)“四倍體關卡”所引起的細胞G1 期停滯。31問題與爭議面對生存壓力和細胞損傷時,四倍體細胞是更能抵抗還是對這些損傷敏感? 四倍體細胞可以直接致癌嗎? 目前的看法是四倍體細胞導致異倍體細胞的產(chǎn)生,導致基因組不穩(wěn)定性,從而導致某些關鍵基因的活化或沉默,進而形成腫瘤,四倍體只是一個中間過渡階段。然而以Duesberg等為代

15、表的部分學者認為,四倍體細胞和異倍體細胞可以不經(jīng)過明顯的致癌基因活化和抑癌基因沉默便可直接導致癌變的發(fā)生。那么果真是這樣嗎? 其過程究竟是怎樣的呢?32問題與爭議在人體中存在正常的四倍體如肝細胞和部分巨核細胞,這些四倍體細胞和致癌的四倍體細胞之間有什么本質(zhì)的生物學區(qū)別?337結語關于四倍體細胞和腫瘤形成過程的研究是目前學術界的一個熱點。目前常用的分析基因組非整倍體性的方法主要有染色體熒光原位雜交( FISH) ,比較基因組雜交(CGH, CGH2array)等?，F(xiàn)在已經(jīng)在實驗室里通過脫碳秋水仙堿得到了鼠的四倍體多能胚胎干細胞。學術爭論會加速科學的進展,關于四倍體導致腫瘤的機制的研究必定會揭示人們還沒有認識到的一些自然界現(xiàn)象,并為癌癥的形成機制擴大視角,為癌癥治療提供新的靶點。34整個染色體的獲得或喪失，能很容易地打亂維持細胞正常生長方式的制衡機制。為了證明這一觀點，沃格爾斯坦和他的同事用化學致癌物培養(yǎng)細胞，經(jīng)處理的細胞在癌信號顯示以前很久就變成了非整倍體。沃格爾斯坦的實驗，支持了杜斯伯格的觀點。研究人員發(fā)現(xiàn)，一般結腸癌細胞當發(fā)生大的染色體變化時，其基因組是不穩(wěn)