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1、关于癌症中基因组不稳定性的探讨,序言,非整倍体与癌症的关系,什么是非整倍体？,正常的人类拥有46条染色体，2n=46.21三体综合症，也称唐氏综合症，患儿智力低下，21号染色体有三条而非正常人的两条，这是由于卵子在减一时分离错误，导致了非整倍性2n+1的产生，类似拥有2n+1或2n-1的错误染色体数目的细胞便称为非整倍体细胞。,非整倍体与癌症,75%的肿瘤细胞中可以检测到非整倍体细胞的存在，可以说，非整倍体与肿瘤密切相关，很多人对此做过研究，现在研究存在两种分歧，即非整倍性到底是癌症产生的原因还是结果,非整倍体来源,1. 普遍认为，非整倍体大多由双核四倍体细胞分裂而来,BN：binucleat
2、edA/T anaphase/telophase,BN：binucleatedA/T ：anaphase/telophase,非整倍体来源,2.在自发的非整倍体HeLa细胞中，62来源于有丝分裂异常的单核细胞 ，如果该发现能在多种细胞中得以证实，则可能改变非整倍体起源于多核细胞的传统观念。通过长时间活细胞实时摄影，第一次直接测定了细胞周期各时项的长度，为深入研究非整倍体细胞的发生机制提供了理论基础。,正文,四倍体细胞遗传不稳定性,四倍体细胞,非整倍体的主要来源,四倍体形成方式,病毒可以导致细胞融合,获得增殖能力,并产生基因组不稳定的四倍体细胞P53沉默,这一现象不得不让人联想到病毒的致癌，让人
3、们开始思考在病毒介导的四倍体细胞形成的过程中是否还存在未知的某种机制,四倍体的形成,2：卵裂沟退化,从而导致四倍胞质移动异常。相关蛋白很多,每一种蛋白的缺陷都可能会导致胞质移动异常,四倍体的形成,有丝分裂滑移如果二倍体细胞在诸如纺锤体关卡等周期关卡处出现有丝分裂滑移现象,躲避了有丝分裂,缓慢恢复并重新进入G1 期,也会产生四倍体细胞。,四倍体的形成,Bik1基因是酵母中负责正常的微管动力和着丝粒微管黏附的基因RhoA 和Plk1 。Plk1蛋白于着丝粒和纺锤极,可以引起RhoA活化,后者负责胞质分离Chk1、eEF1A1, APC 及其结合伙伴蛋白EB1、E4orf4,四倍体的形成,目前研究的
4、热点主要集中在细胞融合、内部复制、细胞周期非正常终止,2. 四倍体细胞和外界生存压力,体外四倍体或多倍体肝细胞一部分多倍体肝细胞正常发育,随着诸如氧化、辐射损伤等细胞损伤及其他生存压力(如可利用能量资源减少等)的存在,多倍体的细胞数量在上升,这说明了多倍体细胞的形成与损伤、压力呈正相关。肝脏切除术后的肝细胞和受氧化损伤的肝细胞中,多倍体的比例要明显升高;人和鼠的心肌细胞和血管平滑肌细胞在高血压病中都可以看到多倍体细胞的增多;伤口愈合的时候,四倍体纤维母细胞增多,四倍体与生存压力,那么,为什么面对损伤和压力会形成四倍体呢?目前认为一个关键因素是代谢总量,其和生物体的年龄、氧化损伤等有密切关系。当
5、资源有限时,经过内部复制的细胞似乎更倾向于把用于细胞分离的能量用于细胞成分和蛋白质的合成。从这个角度来讲,细胞增殖所用的资源会“竞争”细胞分化所需的资源。四倍体细胞的最大代谢率和正常二倍体细胞比是减低的。在面对损伤和压力时, 四倍体细胞的生长状态更稳定,证实了四倍体化是细胞对氧化和衰老压力的一种自我保护机制。,四倍体与生存压力,一些实验显示出了四倍体细胞对DNA 损害的抗性，可是另一方面也有些实验却显示四倍体细胞对一些DNA 损伤更加敏感。如酵母四倍体细胞明显表达了染色体丢失和重组的现象,同时对射线和其他一些DNA损伤更敏感。结果到底怎样，学术界也存有争议，但应该与所取材料来自不同生物有关,3
6、.四倍体细胞的凋亡,四倍体细胞在经过有丝分裂逃避和胞质移动障碍以后会导致自发的凋亡使用微管毒性药物产生了四倍体，这些四倍体细胞出现了纺锤体关口的逃避，顺利进入了M期，可随后，p53和Bax的激活。接着，线粒体膜电位消失,出现了与p53蛋白相关的凋亡。四倍体细胞体内如何激活p53 基因转录,如何实现PKC诱导的p53蛋白第15位和46位的丝氨酸磷酸化及随后的凋亡过程,其机制现在还不知道,四倍体凋亡,虽然四倍体有较高的自发凋亡率,但是实验却观察到其对奥沙利铂、鬼臼乙叉甙、柔红霉素、羟基脲,特别是另外一些紫外线和射线等造成的DNA 损伤有着高于同系二倍体细胞的抵抗, 相比之下，凋亡率反倒下降试验中通
7、过siRNA干扰p53 和p53 的靶基因(如Bax、BBC3 /Puma、GADD45A、FDXR)来阻止凋亡，而通过阻滞Chk1可以激活p53, 从而导致p53 依赖的四倍体癌细胞凋亡。p53的磷酸化出现在有丝分裂的完成过程,这说明p53 活化和四倍体细胞基因组的分裂困难有关。,四倍体凋亡,四倍体的高凋亡率和其致癌性看起来好像互相矛盾。目前的推测是四倍体细胞形成后其不平衡的细胞分裂和染色体缺失及增加在p53作用下导致了凋亡可是有一群可以抵抗生存压力的细胞克隆存在并导致了非整倍体的产生和致癌过程,4中心体，四倍体，肿瘤的产生,中心体由中心粒组成,在一个细胞周期只复制一次,是微管组织中心,具有
8、保证有丝分裂精确性和细胞骨架结构正确性的双重功能。中心体扩增和肿瘤形成之间的关系是目前肿瘤学研究的一个热点。如果在一个细胞周期中,中心体复制次数过多形成多个单中心粒的中心体中心粒旁物质过表达从而形成多个无中心粒的中心体都可以形成中心体扩增和四倍体,4中心体，四倍体，肿瘤的产生,中心体扩增是一个复杂的过程,原癌基因NPM 、B32、Aurora A 和抑癌基因p53、BRCA1、Gadd45 等都是目前确定参与中心体扩增和四倍体关口的基因Aurora A过表达会导致p53- / - 的鼠出现以四倍体化为主要方式的中心体扩增。Gadd45基因剔除的小鼠表现出严重的中心体扩增及四倍体。在对分离的畸胎
9、瘤干细胞P19RG01实施热休克时,四倍体P19RG01细胞出现明显频发的中心体扩增、多极分裂、染色体不分离和其他一系列基因组不稳定现象,5. 四倍体与肿瘤形成,关于四倍体与肿瘤致病性之间的关系,目前的观点是四倍体细胞引起了异倍体细胞,而异倍体细胞导致了基因组不稳定性,从而导致癌症。在对肿瘤形成的细胞遗传学研究中,四倍体细胞好像比异倍体细胞更早出现。人们观察到在很多肿瘤的早期阶段可以看到四倍体细胞,而在这些四倍体细胞中,p53和Rb 这两种抗癌蛋白经常是缺失或功能缺陷的。,5. 四倍体与肿瘤形成,四倍体细胞存在多中心体、进行多极有丝分裂,可以直接增加断裂的染色体数目。多极分裂过程中姊妹染色体的
10、黏着点分离错误形成染色体断裂。而且,当染色体丢失或增加时,基因表达的不平衡性导致S期缺陷,DNA断裂。,人们进行了一系列工作试图揭示四倍体细胞和肿瘤发生间的关系,四倍体导致染色体的断裂,可能就造成重要抑癌基因的丢失,不过,四倍体的致癌机理还被进一步研究过,5. 四倍体与肿瘤形成,Fujiwara在p53- / - 鼠对四倍体细胞的致癌作用进行了研究。他们利用二氢细胞松弛素B ( dihydrocytochalasin B,DCB)处理小鼠乳腺上皮细胞。DCB 可以影响肌动蛋白的功能,与胞质流动、变形运动、细胞形态的维持、细胞膜的动态变化有关。经DCB处理后的乳腺上皮细胞经证实形成四倍体细胞后被
11、注射在小鼠的皮下。在没有致癌因素的存在下,和对照组相比,只有四倍体细胞注射组自发产生了上皮细胞癌。在对这些癌细胞的研究中发现,它们存在染色体非交互性易位,在含有基质金属蛋白酶基因(一种和乳腺癌相关的致癌基因)的染色体区域存在830倍的扩增。,5. 四倍体与肿瘤形成,在对子宫颈癌的发病机制研究中, Olaharski等发现四倍体细胞和基因组不稳定性在致癌的早期阶段就发生了,然后才形成了包括17号染色体丢失等在内的异倍体细胞。四倍体细胞的出现是被称作“早期事件”。Baia等发现Notch通路活化和人脑脊膜瘤有关,活化的Notch1 和Notch2 受体可以导致内源性HES1表达和伴随增多的四倍体脑
12、脊膜瘤细胞,脑脊膜瘤四倍体细胞表现出明显的基因组不稳定性,5. 四倍体与肿瘤形成,不管争论的结果与否, 现已在大量的癌前组织中检测到了CIN，那么其就有可能作为一个肿瘤诊断的有效标记，用于临床诊断 Barrett食管作为一种癌前病变,就表达了多见的四倍体细胞,四倍体细胞出现的比例和p53的丢失多少有关。而根据流式细胞仪检测四倍体细胞是否存在及其所占的比例数以估计患者的风险等级和预后已经被应用于临床,6存在的争论和疑问,随着四倍体细胞致癌理论的研究深入,学术界出现了一些争论和疑问: 染色体不分离产生四倍体这一现象是否是一个普遍现象? 在初级成纤维母细胞内,Weaver等用重组酶介导了有丝分裂特异
13、蛋白CENP2E的衰竭。结果染色体的不分离并没有产生四倍体细胞,只是产生了一些异倍体细胞。Weaver等的解释是Shi等的结果忽视了一些没有察觉到的动粒和微管的附着缺陷, 四倍体只是DNA损伤后造成卵裂沟动力学改变引起的。那么事实到底是怎样的呢?,存在问题与争议,是否真正存在“四倍体关卡”? 从进化的角度来讲,人们顺理成章地认为四倍体由于存在很多不利于进化的危险和缺陷会在胞质分离异常后在G1 期出现“四倍体关卡”,造成G1 期停顿DCB处理鼠成纤维祖细胞后显示了p53依赖的四倍体关卡,细胞停止增殖。可是有个疑问,部分正常人类肝细胞是四倍体细胞,可是它们是可以增殖的,并没有出现所谓。用的“四倍体
14、关卡”。这是仅仅是因为细胞的种类不同引起的吗? Hu等在对p野生型黑色素瘤细胞Skp2基因的研究中发现,和p53紧密依赖的四倍体停顿和G2 /M调节基因的下调,阻滞Skp2基因表达可以出现p53依赖的“四倍体停滞关卡”。而Uetake 53等用小剂量的DCB重新处理发现四倍体细胞并没有出现“四倍体关卡”所引起的细胞G1 期停滞。,问题与争议,面对生存压力和细胞损伤时,四倍体细胞是更能抵抗还是对这些损伤敏感? 四倍体细胞可以直接致癌吗? 目前的看法是四倍体细胞导致异倍体细胞的产生,导致基因组不稳定性,从而导致某些关键基因的活化或沉默,进而形成肿瘤,四倍体只是一个中间过渡阶段。然而以Duesber
15、g等为代表的部分学者认为,四倍体细胞和异倍体细胞可以不经过明显的致癌基因活化和抑癌基因沉默便可直接导致癌变的发生。那么果真是这样吗? 其过程究竟是怎样的呢?,问题与争议,在人体中存在正常的四倍体如肝细胞和部分巨核细胞,这些四倍体细胞和致癌的四倍体细胞之间有什么本质的生物学区别?,7结语,关于四倍体细胞和肿瘤形成过程的研究是目前学术界的一个热点。目前常用的分析基因组非整倍体性的方法主要有染色体荧光原位杂交( FISH) ,比较基因组杂交(CGH, CGH2array)等。现在已经在实验室里通过脱碳秋水仙碱得到了鼠的四倍体多能胚胎干细胞。学术争论会加速科学的进展,关于四倍体导致肿瘤的机制的研究必定
16、会揭示人们还没有认识到的一些自然界现象,并为癌症的形成机制扩大视角,为癌症治疗提供新的靶点。,整个染色体的获得或丧失，能很容易地打乱维持细胞正常生长方式的制衡机制。为了证明这一观点，沃格尔斯坦和他的同事用化学致癌物培养细胞，经处理的细胞在癌信号显示以前很久就变成了非整倍体。沃格尔斯坦的实验，支持了杜斯伯格的观点。研究人员发现，一般结肠癌细胞当发生大的染色体变化时，其基因组是不稳的。,目前。关于基因组不稳性在癌变中所起作用问题的争论还难见分晓。但可肯定的是，癌症研究者们不必为新观点或新研究项目的层出不穷而担心，他们都在试图为更好地认识癌症的发生而努力工作。,为了用实验方法来评估用数学方法得出的关于基因组不稳性作用的问题，研究人员往往会把目光转向结肠癌，因为肠癌是从良性息肉和腺瘤逐步发展成真正侵袭性癌的，每一发展阶段上都可取得组织样品供研究。这项研究的目标主要是非遗传性癌，结果并不一致。肯定和否定早期基因组不稳性在癌变中的作用的人常常观察的是不同类型的突变,
