本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出 從人類基因組計畫談起 生命的叛逆:癌症 周成功 長庚大學生命科學糸 99年3月15日 對應到3-15-10的第一頁 本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣2.5版授權釋出

人類基因組序列究竟可以告訴我們些什麼？ 人之所以為人的道理！

人之異於禽獸者幾希? Fred Seibert Thomas Lersch 很多人說：人之為萬物之靈，是因為他有一雙靈活的手和一個精巧的腦袋。其實這還是不夠的。人類稱霸地球依賴的是他所在演化史上所發展的外在資訊系統，所累積下集體知識。 我們常常用單數「他」來稱呼正個人類，在人類學及演化學，這是非常不恰當的。因為現代的人類沒有一個相當龐大的族群存在的話，幾乎可以保證無法在這個世界中存活下去。過去的人類沒有相當龐大的族群的話，也無法立足演化。四肢體能無法與其他動物競爭的人類，必須以智取勝，而且必須在族群中發展出資訊處理系統，分工合作下，將族群的智慧累積起來，傳給下一代。 「文明人」隨著「生物人」演化。文明是人類生存競爭中的重要本錢（有時則是累贅）。演化學和人類學上，生物人是不能單獨討論。 試把一男一女（人類最小繁殖單位）放入無人的地球生態中，不帶絲毫文明知識，他們能夠延續下去的機會可以斷言是零。 和地球上所有的其他動物一樣，「歷史」是個重要的因素，越「高等」的生物，因為越依賴後天的資訊，「歷史」的因素也越重要。 人類，大概幾百萬年前，就已經跨越依賴外在資訊系統的門檻了。 Fred Seibert Thomas Lersch 3

百分之一點四到百分之四! Fred Seibert Thomas Lersch 很多人說：人之為萬物之靈，是因為他有一雙靈活的手和一個精巧的腦袋。其實這還是不夠的。人類稱霸地球依賴的是他所在演化史上所發展的外在資訊系統，所累積下集體知識。 我們常常用單數「他」來稱呼正個人類，在人類學及演化學，這是非常不恰當的。因為現代的人類沒有一個相當龐大的族群存在的話，幾乎可以保證無法在這個世界中存活下去。過去的人類沒有相當龐大的族群的話，也無法立足演化。四肢體能無法與其他動物競爭的人類，必須以智取勝，而且必須在族群中發展出資訊處理系統，分工合作下，將族群的智慧累積起來，傳給下一代。 「文明人」隨著「生物人」演化。文明是人類生存競爭中的重要本錢（有時則是累贅）。演化學和人類學上，生物人是不能單獨討論。 試把一男一女（人類最小繁殖單位）放入無人的地球生態中，不帶絲毫文明知識，他們能夠延續下去的機會可以斷言是零。 和地球上所有的其他動物一樣，「歷史」是個重要的因素，越「高等」的生物，因為越依賴後天的資訊，「歷史」的因素也越重要。 人類，大概幾百萬年前，就已經跨越依賴外在資訊系統的門檻了。 Fred Seibert Thomas Lersch 4

What about organism specific substitutions? C-C chemokine receptor (nucleotides 1 to 60) Human 1 CAAGTCCAATCTATGACATCAATTATTATACAT Human 2 CAAGTCCAATCTATGACATCAATTATTATACAT Human 3 CAAGTCCAATCTATGACATCAATTATTATACAT Human 4 CAAGTCCAATCTATGACATCAATTATTATACAT Chimp 1 CAAGTCCAATCTATGACATCGATTATTATACAT Chimp 2 CAAGTCCAATCTATGACATCGATTATTATACAT Chimp 3 CAAGTCCAATCTATGACATCGATTATTATACAT Goril 1 CAAGTCCAACCTATGACATCGATTATTATACAT Goril 2 CAAGTCCAACCTATGACATCGATTATTATACAT Goril 3 CAAGTCCAACCTATGACATCGATTATTATACAT 參考自http://sayer.lab.nig.ac.jp/~silver/ Problem: How can we make a conclusion based on one substitution?

基因組序列比對告訴我們 人、黑猩猩、巨猿與紅毛猩猩在演化上的關係 Kasserman et al (2001) Nat. Genet. 27: 155-56

1997年尼德安持人骨(~30,000 年前!)中粒腺體 DNA 序列定序(378 bp) 對比完成 Ovchinnikov et al. (2000) Nature 404, 490-493 Krings et al. (1997) Cell 90, 19-30

現代人的粒腺體 DNA與尼德安持人的粒腺體 DNA序列非常不同 人與尼德安持人沒有親源的關係！ Krings et al. (1997) Cell 90, 19-30

自從人與黑猩猩在演化上分道揚鑣後又發生了什麼事? 染色體融合事件 (a)人類第二套染色體 (b)黑猩猩其中一套染色體 (c)巨猿其中一套染色體 (d)紅毛猩猩其中一套染色體 Fig. 2. Cytogenetic analysis of human and great ape chromosomes. Human chromosome 2 (a) and equivalent chromosomes from chimpanzee (b), gorilla (c) and orangutan (d) are shown in the late-prophase (1000 band stage).  Changes in gene expression (Enard et al. 2002) Hacia (2001)Trends in Genetics17, 637-645

Sialic Acid 大不同 Chou et al. (1998) Proc. Natl. Acad. Sci Sialic Acid 大不同 Chou et al. (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95, 11751-11756 N-Acetylneuraminic acid (Neu5Ac) Hydroxylase N-Glycolylneuraminic acid (Neu5Gc) human ATG A 92 bp deletion in the CMP-Neu5a hydroxylase is specific to the human lineage chimp ATG gorilla ATG mouse ATG 10

黑猩猩不會受到人類瘧疾原蟲的感染的原因？ Angels Thomas Lersch Neu5Ac Neu5Gc

文明病的演化根源：節檢基因 暴飲暴食的体質 我們的身体是過去幾十萬年演化出適應蠻荒生活的需要 食物缺少，取得困難 胰島素的生理功能：儲存、充份利用 文明社會的病徵：肥胖與胰島素抗拒 胰島素與長壽

黏菌世界中的投機分子：只想成為孢子，而不願成為犧牲自已的支柱細胞！ 對應到3-15-10的15~最後 周成功 黏菌世界中的投機分子：只想成為孢子，而不願成為犧牲自已的支柱細胞！

生物世界如何對付投機分子？ 投機分子多半由於某些基因的突變。 這些基因多半身負多重功能。 黏菌的投機分子單獨存在時，遇到惡劣環境往往無法正常發育分化成為孢子！ 此處得了便宜，它處必然得付出代價。 多細胞生物体內的投機分子：癌症的源起。

癌症源起的決定因素?

遺傳易感受性 (genetic susceptibility) 李承維

癌症源起的決定因素 基因加上環境

不同地區癌症發生的型態不同 在美國 大腸直腸癌 肺癌 乳癌/前列腺癌 血癌 皮膚癌 在臺灣 肝癌 肺癌 子宮頸癌 胃癌 鼻咽癌 食道癌

癌症起源於基因的突變 染色體的互換：血癌 Carcinogenesis vs mutagenesis Chemical carcinogens Ionizing radiations virus

9號與２２號染色體互換導致血癌(chronic myelogenous leukemia)的發生 費城染色體 A Obeidat

染色體的互換讓一亇新的致癌蛋白誕生 高慧芸

癌症起源於基因的突變 Chromosome translocation: leukemia 基因突变與癌症的發生 化學致癌劑 放射線 病毒

黄麴毒素：自然界中最強的基因突變劑與化學致癌物 Oxidases associated with cytochorme P-450 高慧芸 Aflatoxin Aflatoxin-2,3-Epoxide Carcinogen bound to guanine in DNA DNA 高慧芸 黄麴毒素：自然界中最強的基因突變劑與化學致癌物

幾個基因的突變才足夠使正常細胞轉變成癌細胞？

年齡與癌症發生率 之間的關係 180 160 140 120 Incidence rate per 1000,000 20 40 60 80 100 120 140 160 180 10 20 30 40 50 60 70 年齡與癌症發生率 之間的關係 如果一個基因的突变就能讓癌症產生，這條線應該怎麼畫？ Incidence rate per 1000,000 age ※圖表參考自molecular biology of the cell, 4th edition.

致癌病毒與致癌基因

Peyton Rous (1879 – 1970) 1911 發現雞的致癌病毒 1966 獲頒諾貝爾獎 周成功 27

高慧芸

Figure 3.7b The Biology of Cancer (© Garland Science 2007)

雞肉瘤病毒(Rous Sarcoma Virus) 病毒怎麼樣誘導癌症的發生？ 人類癌症的產生也是由病毒引起的嗎？ 雞的腫瘤是由濾過性病毒所引起： 雞肉瘤病毒(Rous Sarcoma Virus) 病毒怎麼樣誘導癌症的發生？ 人類癌症的產生也是由病毒引起的嗎？ 1971年美國總統尼克森通過國家癌症法案, 正式向癌症宣戰，期望在十年內讓癌症消聲匿跡。 他成功了嗎？

從老鼠到人的正常細胞中都有類似src這樣的 基因資訊存在！

高慧芸

人類癌細胞中的致癌基因與正常細胞中原致癌基因間的差別！ 一字之差 人類癌細胞中的致癌基因與正常細胞中原致癌基因間的差別！ Gly proto-oncogene Leu – Val – Val – Val – Gly – Ala – GGC – Gly – Val – Gly – Lys – Ser CTG–GTG–GTG–GTG–GGC–GCC– GTC– GGT– GTG– GGC–AAG–AGT Val oncogene

是不是所有的人類癌症都帶了這亇突变的致癌基因？ Tumor type Frequency (%) Pancreas 90 (K) Lung adenocarcinoma 35(K) Colorectal 45(K) Thyroid (follicular) 55(H,K,N) Thyroid (undifferentiated papillary) 60(H,K,N) Seminoma 45(K,N) Melanoma 15(N) Bladder 10(H) Liver 30(N) Kidney Myelodysplastic syndrome 40(N,K) Acute myelogenous leukaemia ※H, K and N 分別代表人類 H-RAS, K-RAS, and N-RAS基因 ※本表參考自J. Downward, Nat. Rev. Cancer 3: 11-22, 2003

正常老鼠細胞需要得到幾個 致癌基因才會轉變成癌細胞?

正常老鼠細胞癌化需要二個致癌基因的合作 ras myc or E1A myc or E1A + ras Nature 312:649-51 (1984) myc or E1A + ras ras myc or E1A 李承維

正常人類細胞需要得到幾個致癌基因才會轉變成癌細胞?

Weinberg R. et al Nature 400: 464-8; 1999 hTERT Telomere maintenance Immortalization LT RAS Oncogenic transformation p53 pFb Tumour cell 李承維 Weinberg R. et al Nature 400: 464-8; 1999

為什麼正常細胞需要得到這麼多 基因的突變才會轉變成癌細胞？

癌細胞的六種特異功能 可以完全不理自身或周圍正常細胞發出停止生長的訊號 (loss of contact inhibition). 缺少正常的指令也能生長 (autocrine growth) 有效達成永生 (immortalization) 逃避內建的自我毀滅機制 (anti-apoptosis) 侵犯及擴散到其他組織的能力 (metastasis) 刺激建構新生血管的能力(angiogenesis)

癌細胞失去了接觸抑制的調控 growth medium Contact-inhibited monolayer of normal cells plastic tissue-culture dish Multilayer of uninhibited cancer cells 李承維 癌細胞失去了接觸抑制的調控

正常細胞：透過接觸抑制來調節自已的生長!

癌化的細胞

癌細胞的六種特異功能 可以完全不理自身或周圍正常細胞發出停止生長的訊號 缺少正常的指令也能生長 有效達成永生 (immortalization) 逃避內建的自我毀滅機制 (anti-apoptosis) 侵犯及擴散到其他組織的能力 (metastasis) 刺激建構新生血管的能力(angiogenesis)

正常細胞的命運 細胞 生長與分裂 死亡(Apoptosis) 老化 分化 休眠 (Senescence) (Differentiation) (Quiescent) 分化 (Differentiation) 生長與分裂 (Growth & Division)

正常細胞分裂受到生長因子 (growth factor)的調控 周成功

守門員(品管員)確保細胞分裂時DNA複製沒有出錯！ 周成功

守門員(品管員)壞了會如何？ -/- +/+ % survival +/- age (days) p53 p53 p53 100 90 80 70 p53 60 50 40 -/- 30 p53 20 10 100 200 300 400 500 age (days)

是不是所有的人類癌細胞的p53都壞了？ ovary esophagus colorectum head & neck pancreas TP53 mutation prevalence (as recorded in IARC Database, R7) ovary esophagus colorectum head & neck pancreas lung skin bladder stomach brain liver breast uterus soft tissue sarcomas osteosarcomas hematologic cancers prostate kidney testis thyroid uterine cervix 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 % mutated

癌細胞的六種特異功能 可以完全不理自身或周圍正常細胞發出停止生長的訊號 缺少正常的指令也能生長 (autocrine growth) 有效達成永生 (immortalization) 逃避內建的自我毀滅機制 (anti-apoptosis) 侵犯及擴散到其他組織的能力 (metastasis) 刺激建構新生血管的能力(angiogenesis)

給予充分的營養，細胞在體外能無限期的生長分裂嗎？ 死亡(Apoptosis) 老化 (Senescence) 細胞 休眠 (Quiescent) 分化 (Differentiation) 生長與分裂 (Growth & Division)

Yes and No! Young fibroblast Senescent fibroblast

細胞為什麼會老？ 都是染色體端粒子惹的禍！

Telomere Telomere 端粒子的結構與功能 中心粒 維持染色體結構的完整。 避免染色體彼此頭尾融合。 協助染色體複製完全。 (In Greek, Telos means end; meros, part) Telomere Telomere 中心粒 AGGGTTAGGGTTAGGG-3’ TCCC-5’ 李承維 維持染色體結構的完整。 避免染色體彼此頭尾融合。 協助染色體複製完全。 End-to-end fusion

端粒子,細胞的老化與癌症 端粒酵素的活化 細胞的老化與死亡! Cell divisions Cell divisions Cell cycle arrest (M1) 細胞的老化與死亡! Catastrophe (M2) 李承維

為什麼正常老鼠細胞癌化需要ras 和myc的合作？ myc or E1A + ras ras myc or E1A 李承維

大量製造ras蛋白讓正常細胞停止生長！ 大量製造ras蛋白讓正常細胞進入老化！

細胞老化 – 身體對抗癌細胞發生的自衛手段！ 癌細胞能逃脫正常細胞老化的限制 死亡(Apoptosis) 老化 (Senescence) 細胞 休眠 (Quiescent) 分化 (Differentiation) 生長與分裂 (Growth & Division)

癌細胞的六種特異功能 可以完全不理自身或周圍正常細胞發出停止生長的訊號 缺少正常的指令也能生長 (autocrine growth) 有效達成永生 (immortalization) 逃避內建的自我毀滅機制 (anti-apoptosis) 侵犯及擴散到其他組織的能力 (metastasis) 刺激建構新生血管的能力(angiogenesis)

為什麼正常老鼠細胞癌化需要ras 和myc的合作？ myc or E1A + ras ras myc or E1A 李承維

大量製造myc蛋白讓正常細胞死亡！

細胞 生長與分裂 細胞死亡也是身體防止癌細胞產生的重要機制！ 癌細胞源起於失去了正常細胞分化或自殺的能力 死亡(Apoptosis) 老化 (Senescence) 細胞 休眠 (Quiescent) 分化 (Differentiation) 生長與分裂 (Growth & Division)

癌細胞的六種特異功能 可以完全不理自身或周圍正常細胞發出停止生長的訊號 缺少正常的指令也能生長 (autocrine growth) 有效達成永生 (immortalization) 逃避內建的自我毀滅機制 (anti-apoptosis) 侵犯及擴散到其他組織的能力 (metastasis) 刺激建構新生血管的能力(angiogenesis)

良性還是惡性?

癌細胞轉移的複雜過程

癌細胞的六種特異功能 可以完全不理自身或周圍正常細胞發出停止生長的訊號 缺少正常的指令也能生長 (autocrine growth) 有效達成永生 (immortalization) 逃避內建的自我毀滅機制 (anti-apoptosis) 侵犯及擴散到其他組織的能力 (metastasis) 刺激建構新生血管的能力(angiogenesis)

Yale Rosen   建構新生血管: 營飬及氧氣的供給!

癌細胞在身体內部出現需要克服那些障礙? 如何才能長生不老? 如何逃脫免疫系统的追殺? 如何有效得到養分及適應環境? 癌細胞的特異功能1-4! 身体內部物競天擇的演化 如何有效得到養分及適應環境? 癌細胞的特異功能5-6!

Cancer 癌細胞在身体內的演化 細胞的遺傳不穩定性太超過 正常細胞 細胞的遺傳不穩定性適中 李承維 癌細胞演化過程中必須突破的兩層選擇屏障 李承維 癌細胞在身体內的演化

細胞分裂的剎車 剎車被破壞 細胞分裂的油門 油門數目變多或活性變強 Result 正常細胞 過度增生 過度增生 李承維 正常細胞 過度增生 過度增生 Two copies of tumor-suppressor gene two copies of proto-oncogene Cell-cycle control system both tumor-supressor genes inactivated mutation makes single proto-oncogene hyperactive (oncogenic) Result 李承維

Colon tumor progression and LOH : Loss tumor suppressor genes Normal epithelium LOH Chr. 5q Hyperplastic epithelium early intermediate late adenomas activation of K-ras LOH Chr. 18q LOH Chr. 17p carcinoma invasion & metastasis Loss of APC DAN hypomethylation LOH Chr. 18q TSG loss of p53 李承維

一連串的基因突變和在身体內部長期優生劣敗的天擇 癌症的興起 一連串的基因突變和在身体內部長期優生劣敗的天擇

對付叛逆的策略：防範於未然 征剿、安撫、矯正 生命的叛逆:癌症 對付叛逆的策略：防範於未然 征剿、安撫、矯正

謝謝聆聽

版權標示頁 周成功

作品 授權條件 作者/來源 Fred Seibert http://www.flickr.com/photos/84568447@N00/3206995812/ 2010/09/13 visited Thomas Lersch http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chimpanzee-Head.jpg 2010/09/13 visited Angels http://picasaweb.google.com/lh/photo/j_OFs2q_R4I5kIqD9IP6Ng 2010/09/29 visted

作品 授權條件 作者/來源 Henrik Kaessmann et al, Great ape DNA sequences reveal a reduced diversity and an expansion in humans, Nature Genetics - 27, 155 - 156; 2001 Igor V. Ovchinnikov et al, Molecular analysis of Neanderthal DNA from the northern Caucasus , Nature 404, 490-493; 2000 Matthias Krings et al, Neandertal DNA Sequences and the Origin of Modern Humans , Vol 90, 19-30 11; 1997

作品 授權條件 作者/來源 參考自http://sayer.lab.nig.ac.jp/~silver/ Joseph G. Hacia, Genome of the Apes, Trends in Genetics, Vol 17,637-645 ;2001 Wolfgang Enard et al, Intra- and Interspecific Variation in Primate Gene Expression Patterns, Science, Vol. 296, 340 – 343; 2002: Yikrazuul http://commons.wikimedia.org/wiki/File:N-Acetylneuraminic_acid.svg / 2010/09/13 visited http://commons.wikimedia.org/wiki/File:N-glycolylneuraminic_acid.svg 2010/09/13 visited 參考自http://sayer.lab.nig.ac.jp/~silver/

作品 授權條件 作者/來源 長庚大學 周成功 臺灣大學動物所 李承維 臺灣大學動物所 高慧芸 A Obeidat 長庚大學 周成功 臺灣大學動物所 李承維 A Obeidat http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Philadelphia_chromosome.jpg 2010/09/16 visited 臺灣大學動物所 高慧芸 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Aflatoxin_B1.png 2010/10/08 visited

作品 授權條件 作者/來源 臺灣大學動物所 高慧芸 臺灣大學動物所 高慧芸 圖表參考自molecular biology of the cell, 4th edition. http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1966/rous-bio.htm 2010/10/22 visited 長庚大學 周成功 The Biology of Cancer, 1st edition, Weinberg, Garland Science Publishing, 2007

作品 授權條件 作者/來源 表參考自J. Downward, Nat. Rev. Cancer 3: 11-22, 2003 臺灣大學動物所 高慧芸 表參考自J. Downward, Nat. Rev. Cancer 3: 11-22, 2003 臺灣大學動物所 李承維 The Biology of Cancer, 1st edition, Weinberg, Garland Science Publishing, 2007

作品 授權條件 作者/來源 The Biology of Cancer, 1st edition, Weinberg, Garland Science Publishing, 2007 Biology, 4th edition , Neil A. Campbell et al, Benjamin Cummings Publishing, 2003 長庚大學 周成功 Biology, 6th edition , Raven & Johnson et al, McGraw-Hill Publishing, 2002 G. A. McFarland and R. Holliday (1994) Experimental Cell Research 212, p167-175

作品 授權條件 作者/來源 臺灣大學動物所 李承維 臺灣大學動物所 李承維 Manuel Serrano et al, Oncogenic Provokes Premature Cell Associated with Accumulation of p53 and p16INK4a, Cell Vol. 88, p593-602; 1997 Gerard I. Evan et al, Induction of Apoptosis in Fibroblasts by c-myc Protein, Cell. Vol. 69, 119-128; 1992 Robert J Brooker (2005) Genetics: Analysis&Priciples 2nd edition. McGraw Hill companies, pp.615

作品 授權條件 作者/來源 臺灣大學動物所 李承維 Sharon F McGee et al., (2006) EMBO reports 7, 1084 - 1088 Yale Rosen   http://www.flickr.com/photos/pulmonary_pathology/3932734098/ 2010/10/22 visited 臺灣大學動物所 李承維