第十章 肿瘤遗传学 (Tumor Genetics)

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1 第十章 肿瘤遗传学 (Tumor Genetics)

2 肿瘤（tumor）：细胞增殖和分化失控所形成新生物（neoplasm）:
病理学：新生物；剥削者（地主） 免疫学：免疫性疾病（免疫耐受） 遗传学：遗传病 肿瘤的发生是一个多步骤的复杂过程，既受环境因素的影响，也有遗传因素的作用。

3 环境因素：物理的、化学的和生物的致癌因子。
遗传因素： 基因碱基替换、缺失、插入和基因扩增等；表遗传学改变，如DNA甲基化改变和组蛋白修饰。 染色体的数目和结构的异常，如非整倍体改变、易位等。

4 肿瘤的流行病学研究 一、肿瘤发病率的种族差异：不同的种族和地区有着明显不同的癌发病率： 癌症类型 相差倍数 高发地区 低发地区 黑色素瘤
155 澳大利亚，昆士兰 日本，大坂 鼻咽癌 100 中国 香港 美国西南部 肝癌 49 中国 上海 加拿大 Nova Scotia 宫颈癌（女） 28 巴西 Recife 以色列 非犹太人 食管癌 27 法国 Calvados 罗马尼亚 urban Cluj 胃癌 22 日本 Nagasaki 科威特 Kuweitis 肺癌 19 美国 New Orleans,black 印度 Madras 膀胱癌 16 瑞士 Basell 印度 Nagpur 乳腺癌（女） 7 夏威夷 Hawaiian 以色列非犹太人 白血病 5 加拿大 Ontario

5 中国人鼻咽癌发病率居世界各民族之首，即使移居国外也是如此。如在新加坡的中国人、马来人和印度人鼻咽癌发病率的比例为13. 3:3. 2:0
中国人鼻咽癌发病率居世界各民族之首，即使移居国外也是如此。如在新加坡的中国人、马来人和印度人鼻咽癌发病率的比例为13.3:3.2:0.4。移居到美国的华人鼻咽癌的发病率也比美国白人高34倍。

6 1．癌家族（cancer family）是指一个家族中有多个成员患一种或几种恶性肿瘤，发病年龄较早，通常按常染色体显性方式遗传。
二、肿瘤的家族聚集现象： 1．癌家族（cancer family）是指一个家族中有多个成员患一种或几种恶性肿瘤，发病年龄较早，通常按常染色体显性方式遗传。 遗传性非息肉病性大肠癌(HNPCC)系谱图

7 2．家族性癌（familial carcinoma）是指一个家族内多个成员患同一类型的癌。
5个世代52个成员患鼻咽癌的家系， 3代14人患肝癌的家系, 77对双生子，白血病的同卵双生一致率非常高, 20对同卵双生子均患同一部位肿瘤 这些都说明遗传因素在肿瘤发病中的作用。

8 某些遗传病的癌变倾向 一、染色体病的癌变倾向 21三体综合征患者中急性淋巴细胞白血病高达1/95，而群体发病率约为1/3000；
Klinefelter综合征患者易继发乳腺癌或性腺母细胞瘤； Turner综合征患者的条索状卵巢则易恶变为卵巢癌。

9 5q21 APC 二、单基因病的癌变倾向 良性肿瘤，常染色体显性遗传病，青春期或40岁左右恶变。
1. 家族性结肠息肉（familial polyposis coli, FPC）：黄陂FPC家系 45 y 40 y 5q21 APC 19 y 16 y

10 2.Ⅰ型神经纤维瘤（neurofibromatosis，NF1）
17q11.2; NF1 3. 基底细胞痣综合征（basal cell nevus syndrome）

11 三、染色体不稳定综合征与恶性肿瘤 以染色体不稳定性为特征的疾病或综合征统称染色体不稳定综合征。 通常呈常染色体隐性遗传。 其染色体易发生裂隙、断裂和重排等。 这些综合征中发生肿瘤的风险增加直接与染色体自发断裂的频率增加有关。

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13 Fanconi贫血（Fanconi anaemia, FA）
Bloom综合征 3．毛细血管扩张性共济失调（ataxia telangiectasia,AT） 4．着色性干皮病（xeroderma pigmentosum，XP）

14 一些疾病的遗传背景（基础）促进肿瘤发生，进一步说明遗传因素在肿瘤发生中的作用。

15 遗传性肿瘤 1．遗传性视网膜母细胞瘤（retinoblastoma，RB）
（1）约40%的病例属遗传型，呈常染色体显性遗传。通常大多在2岁内发病，且是双侧发病，可以有家族史。

16 双侧视网膜母细胞瘤右眼已萎缩

17 视网膜母细胞瘤的系谱（AD遗传方式）

18 散发性视网膜母细胞瘤

19 2. 遗传性非息肉病性大肠癌(hereditary non-polyposis colorectal cancer, HNPCC)
呈常染色体显性遗传。 家族病人早发、多发原发性大肠癌，另外还多发胃癌、子宫内膜癌、卵巢癌、乳腺癌、胰腺癌等恶性肿瘤。 DNA错配修复基因(MLH1,MSH2, MSH6和PMS2)遗传性突变或表观遗传性沉默。

20 遗传性非息肉病性大肠癌(HNPCC)系谱图

21 3.遗传性弥漫性胃癌（Hereditary diffuse gastric cancer，HDGC）
HDGC与上皮型钙粘蛋白 (E-cadherin, CDH1)基因突变有关，为常染色体显性遗传。其特点包括：基因外显率高（70％～80％），发病年龄早（平均38岁），病理类型一致，均为弥漫性胃癌（皮革胃） 。

22 1998年汉城国际遗传会议制定遗传性胃癌标准该标准：
①家族中至少有3人患相同疾病，其中一人为另两人的直系亲属； ②至少连续两代人患病； ③家族中的患者至少有1人于45岁之前被确诊； ④至少满足以上标准中的两项标准。

23 肿瘤与染色体畸变 染色体畸变（chromosome aberration）是许多肿瘤的共同特征，包括染色体数目和结构异常。
1．肿瘤的染色体数目异常 正常人体细胞为二倍体细胞，许多肿瘤细胞中均可见染色体数目异常，包括整倍体和非整倍体或异倍体改变。

24 肿瘤细胞异倍体染色体数目的标准范围 染色体数目 异倍体 二倍体范围 三倍体范围 四倍体范围 亚二倍体 35～45 假二倍体 46 超二倍体
47～57 三倍体范围 亚三倍体 58～68 假三倍体 69 超三倍体 70～80 四倍体范围 亚四倍体 81～91 假四倍体 92 超四倍体 93～103

25 2．肿瘤的染色体结构异常 （1）主要包括易位、倒位、缺失、插入、等臂染色体、双微体和均染区等。 （2）双微体（double minutes,DM）是非常小的成双的无着丝粒染色体断片。均染区（homogenously staining region, HSR）是染色体经过显带技术处理而表现为不显带纹并呈均一着色的均匀染色区域。可以认为DM、HSR的存在是癌基因扩增的表现。

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27 均质染色区（HSR）和双微（DM）

28 标记染色体（marker chromosome）：在同一肿瘤内较多细胞出现的同一结构异常的染色体。
标记染色体分为两种：一种是非特异性的，它只见于少数肿瘤，对该类肿瘤来说不具有代表性；另一种是特异性的，它经常出现在某一类肿瘤，对该肿瘤具有代表性。

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31 慢性粒细胞性白血病（CML）的染色体异常
（1）Nowell及Hungerford于1960年发现慢性粒细胞性白血病（CML）患者的血液细胞中有一个小于G组的22q-染色体，由于首先在美国费城（Philadelphia）发现，故命名为Ph染色体。

32 （2）最初认为是22号染色体的长臂缺失所致，后经显带证明是9号和22号染色体长臂易位的结果。
（3）易位使9号染色体长臂（9q34）上的原癌基因c-abl和22号染色体(22q11)上的bcr(break point cluster region)基因重新组合成融合基因。后者编码活性增高了的酪氨酸激酶，可促成细胞的恶性转化。

33 Ph染色体的形成

34 Ph的重要临床意义在于： （1）90%～95％的慢性粒细胞性白血病病例都是Ph阳性，因此它可以作为诊断的依据。 （2）可用以区别临床上相似，但Ph为阴性的其它血液病（如骨髓纤维化等）。 （3）有时Ph染色体先于临床症状出现，故又可用于早期诊断。 （4）已知Ph阴性的慢性粒细胞性白血病患者对治疗反应差，预后不佳。

35 Burkitt淋巴瘤（非洲儿童恶性淋巴瘤）的染色体异常
（1）在约90％的Burkitt淋巴瘤病例中可以见到一条8号染色体长臂末端(8q24)易位到了14号长臂末端(14q32)，形成了8q-和14q+两个异常染色体。 （2）这种易位使位于8q24处的原癌基因MYC移至位于14q32处的免疫球蛋白重链基因IGH的毗邻下游。

36 14q+染色体形成示意图

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38 （3）约10%的Burkitt淋巴瘤患者肿瘤细胞有t(2;8)(p12;q24)或t(8;22)(q24;q11)。2和22号染色体分别带有免疫球蛋白轻链κ基因IGK和免疫球蛋白轻链λ基因IGL。
（4）IGH、IGL和IGK基因因有增强子的作用而不断表达。

39 （5）正常情况下，MYC基因的表达被严格调节，仅在B淋巴细胞成熟的后期表达。易位后，MYC基因受IGH或IGL或IGK增强子的影响，其表达水平很高。不适当的超表达导致细胞过度增殖，从而诱导肿瘤的发生。

40 实体瘤的染色体改变 染色体改变 恶性肿瘤 膀胱癌 i(5p)；9q；11p 结肠癌 5号染色体的缺失和1号、6号染色体的重排 肝癌
1号染色体异常 小细胞肺癌 del(3)(p14p23) 非小细胞肺癌 5q缺失，3p缺失 卵巢癌 6q15-q21缺失；t(6;14)(q21;q24) 乳头状甲状腺癌 inv(10)(q11q21) 前列腺癌 del(10)(q24) 肾癌 del(3)(p11-21) 直肠癌 del(11)(q22-23) 脂肉瘤 t(12;16)(p13.3;p11.2) 滑膜肉瘤 t(X;18)(p11.2;q11.2) Ewing肉瘤 t(11;22)(q24;q12) 甲状腺腺瘤 inv(11)(p15q13) 视网膜母细胞瘤 13号染色体中间缺失（含13q14）;13号染色体与X、1号或3号染色体的易位 脑膜瘤-听觉神经纤维瘤 del(22)(q12) 横纹肌肉瘤 t(2;13)(q37;p14)

41 肿瘤相关基因 癌的生成涉及多种基因，单独一种基因的突变不足以致癌，多种基因变化的积累才能引起控制细胞生长和分化的机制紊乱。 Turning a normal cell into a malignant cancer cell requires perhaps six specific mutations in the one cell.

42 两类基因： ①癌基因（oncogene） ②抑癌基因（cancer suppressor gene）,也称肿瘤抑制基因（tumor suppressor gene, TSG）或抗癌基因（anti-oncogene）。

43 一、癌基因： （1）功能是促进细胞的生长，可引起细胞的恶性转化。 （2）来自细胞的称为细胞癌基因（c-onc）或原癌基因（proto-oncogene），可被激活成为癌基因；来自病毒的称为病毒癌基因（v-onc）。

44 (3) 依其编码产物功能分类： 生长因子： sis PDGF 生长因子受体：erbB1 EGFR 信号传递因子： Ras 核转录因子： myc JUN FOS

45 癌基因产物在细胞内的分布

46 （4）在通常情况下，其表达受到严格的控制，当其发生突变或被异常激活时，产生的癌蛋白在性质或数量上出现异常，就可能导致细胞发生恶性转化。

47 （6）原癌基因的激活： ①病毒诱导：反转录病毒感染细胞后，其基因组所携带的长末端重复序列（long terminal repeat, LTR）内含较强的启动子和增强子，插入到c-onc附近或内部，使之激活。

48 反转录病毒基因组结构 A normal and an acute transforming retrovirus. The RNA genome has terminal repeats (R), subterminal unique sequences (U5, U3) and three genes, gag, pol and env. A complicated scheme of splicing and post-translational processing results in a variety of protein products. In an acute transforming retrovirus (bottom), one or more of the viral genes is replaced by a transduced cellular sequence, the oncogene. Initially it is translated into a fusion protein.

49 反转录病毒感染细胞后，其基因组插入到宿主细胞基因组内部

50 ②基因扩增(gene amplification)：是基因组中原癌基因在特殊条件下复制多次使拷贝数增加，而其它基因无增加的现象。基因扩增在大多数情况下随后出现基因的过度表达（over-expression）。 -双微体（double minutes） -均染区（homogenously staining region）

51 人肿瘤中细胞原癌基因扩增举例 肿瘤 癌基因 扩增拷贝数 小细胞肺癌 MYC ～80 MYCN ～50 MYCL ～20 神经母细胞瘤
～250 胶质母细胞瘤 EGFR 乳腺癌 HER2 ～30 CCND1

52 -融合基因（fusion gene）→异常的融合蛋白→细胞转化。 -改变基因的调节→过度表达→细胞转化。
③染色体重排(chromosome rearrangement) ：已在许多血液系统恶性肿瘤和实体瘤中鉴定了由于染色体重排导致的原癌基因激活： -融合基因（fusion gene）→异常的融合蛋白→细胞转化。 -改变基因的调节→过度表达→细胞转化。

53 慢粒（CML） Burkitt淋巴瘤

54 ④点突变(point mutation) 体细胞内的原癌基因可以因点突变而成为癌基因，产生异常的基因产物,导致细胞恶性转化。

55 人原癌基因 人肿瘤 突变 HRAS1 膀胱癌 Gly12→Val 肺癌 Gly16→Leu KRAS2 大肠癌 Gly12→Cys
Gly12→Arg Gly12→Lys

56 NRAS 急性粒细胞白血病 Gly12→Asp Gly13→Val Gly13→Asp 神经母细胞瘤 Gly61→Lys 黑色素瘤 纤维肉瘤 肺癌 Gly61→Arg

57 单个碱基突变而改变了编码蛋白质的功能使癌基因激活.
K-ras， N-ras， H-ras，12、13、61 codon突变 GAP RAS=P21,GTPase激活蛋白(GAP)

58 二、肿瘤抑制基因 （1）抑制细胞的生长和促进细胞的分化。 （2）当两个等位都因突变或缺失而丧失功能，即处于纯合失活状态时，细胞就会因正常抑制的解除而恶性转化。 （3）一般分成两组：把关基因（gatekeeper）和管护基因（caretaker）。

59 把关基因通过抑制细胞增殖或促进细胞凋亡(apoptosis) ，直接控制肿瘤的发生和演进，是癌的限速因子。
管护基因参与DNA修复和维护基因组的完整。它们的失能导致基因组的不稳定，通过增加把关基因、原癌基因等癌相关基因的突变速率，进而促进肿瘤的发生和演进。

60 视网膜母细胞瘤的RB1基因是一个典型的把关基因。
激 活 抑 制

61 RB1基因定位于13q14，约200kb,有27个外显子，编码的蛋白P105含928个氨基酸。约85% RB1蛋白存在于细胞核内，约10%在质膜上。
RB1蛋白在60%以上已研究过的人类肿瘤中失活，其失活可通过多种不同的机制实现，包括基因突变、表观遗传沉默、RB1蛋白磷酸化，或者RB1蛋白与DNA肿瘤病毒的癌蛋白结合。

62 Recognition of insertion-deletion mispairs
DNA错配修复基因(MLH1,MSH2,MSH6和PMS2)是典型的管护基因。 MSH2-MSH6 MSH2-MSH3 MSH2 MSH6 MLH1/PMS2 5’ 3’ ATCGGCGC MLH1/PMS2 MSH2 MSH3 TAGC T GCG 5’ 3’ CACACACACA GTGT--GTGT MLH1/PMS2 MSH2 MSH6 5’ 3’ CCCCCCCC GGGG - GGG Recognition of insertion-deletion mispairs (2-3 base pairs) Recognition of base-base mispairs and single base insertion-deletion mispairs

63 Mismatch repair process

64 肿瘤抑制基因及其产物 肿瘤抑制基因 染色体定位 基因产物及其功能 基因异常引起的肿瘤 遗传型 散发型 RB1 13q14.2
P105，细胞周期调节 视网膜母细胞瘤 小细胞肺癌等 P53 17p13.1 P53，细胞周期调节 Li-Frameni综合征 肺癌，乳腺癌等 WT1 11p13 锌脂蛋白，结合DNA Willms瘤 肺癌等 NF1 17p11.2 GTP酶活化蛋白 神经纤维瘤Ⅰ型 － DCC 18q21.3 跨膜磷蛋白，调节细胞粘着 未知 结直肠癌 APC 5q21-22 调节细胞增殖、细胞迁移、细胞粘着及染色体稳定性等。　 家族性腺瘤息肉 结直肠癌、食管癌、胃癌、小细胞肺癌等 MCC 5q21 　  结直肠癌、小细胞肺癌、非小细胞肺癌等　  BCRA1 17q21 核内锌脂蛋白，DNA损伤应答、转录调节等 家族性乳腺癌、卵巢癌 BCRA2 13q12-13 与BCRA1活性相似 家族性乳腺癌

65 肿瘤发生的遗传学说 一、肿瘤的单克隆起源假说 （1）除少数例外，癌是原始的、单个细胞增殖的后代，即癌为单克隆起源。

66 （2）有许多证据证明肿瘤的克隆特性: B或T细胞淋巴瘤的所有细胞都有相同的免疫球蛋白基因或T细胞受体基因重排。 对女性肿瘤的研究发现，一些恶性肿瘤的所有癌细胞都含有相同失活的X染色体。

67 二、两次突变假说 20世纪70年代初期，Alfred Knudson为解释遗传性和非遗传性视网膜母细胞瘤之间的关系时提出了肿瘤抑制基因的“二次打击”(two-hit)假说。

68 Knudson“二次打击”(two-hit)假说

69 遗传性肿瘤第一次突变发生在生殖细胞，第二次突变则随机发生在体细胞中，这样的个体发病概率较高。
非遗传性肿瘤的发生则需要同一个细胞在出生后积累两次突变，因而概率很小。

70 视网膜母细胞瘤临床所见： （1）约40%的病例属遗传型，呈常染色体显性遗传。通常大多在2岁内发病，且是双侧发病，可以有家族史。 （2）约60％的病例属散发型，一般在两岁后发病，并且大多为单侧发病。

71 肿瘤抑制基因失活方式： （1）基因突变：点突变，移码突变，杂合性丢失(loss of heterozygosity, LOH)等。 （2）表观遗传沉默(epigenetic silencing)。

72 LOH analysis

73 Mechanisms of loss of wild-type allele in retinoblastoma
Mechanisms of loss of wild-type allele in retinoblastoma. (A) Loss of a whole chromosome by mitotic non-disjunction. (B) Loss followed by reduplication to give (in the case studied by Cavenee et al.) three copies of the Rb chromosome. (C) Mitotic recombination proximal to the Rb locus (c1), followed by segregation of both Rb-bearing chromosomes into one daughter cell (c2); this was the first demonstration of mitotic recombination in humans, or indeed in mammals. (D) Deletion of the wild-type allele. (E) Pathogenic point mutation of the wild-type allele (adapted from Cavenee et al., 1983). The figures underneath show results of typing normal (N) and tumor (T) DNA for the two markers A and B located as shown. Note the patterns of loss of heterozygosity.

74 高分辨显带技术证明遗传型视网膜母细胞瘤患者均有13号染色体异常，主要是其长臂1区4带的缺失。

75 对多个RB 患者Chr缺失鉴定，最后确定SRO-13q14
最小重叠区 最小重叠区 最小重叠区 最小重叠区 对多个RB 患者Chr缺失鉴定，最后确定SRO-13q14

76 Epigenetic Silencing MLH1 MLH1 MLH1 Protein
Unmethylated Promoter 5´ 3´ Transcription factor Transcription mRNA Protein Translation Condensation of promoter chromatin Hypermethylated Promoter/hypoacetylated 5´ 3´ MLH1 CH3 CH3 MLH1 Hypermethylated Promoter (Condensed) 5´ 3´ Transcription factor Silencing of gene Image source:

77 三、肿瘤的多步骤损伤学说 从正常细胞到形成临床上可检测的肿瘤必须经历很多变化，经过漫长的变异累积过程。

78 大肠癌形成的模式图（Fearon and Vogelstein）