在近20年的大部分时间里,研究人员在探索可能导致癌病的遗传变化,致癌基因成为众矢之敌。这类基因所以引人注目,就在于它们的正常作用是调节细胞的生长发育,但一旦发生了变化,其异常活动造成细胞的失控生长,至少造成一种主要的癌症状。近几年来,整个研究形势发生了微妙变化,致癌基因突变,不再是造成人类癌症的唯一最重要的遗传因素了。

研究发现,在人类癌症中起主要作用的,是“肿瘤抑制基因的失活变化。”抑制基因的明显作用,是维持细胞生长的“受抑制状态”,提供和致癌基因相反的作用。这些抑制基因的失活,与大量野生型人类癌基因的发展息息相关,包括乳腺癌、结肠癌和肺癌在内。科学家们对这些基因表现在科学研究和临床上的关系极感兴趣,一再掀起探其奥妙的热潮。

P53是一种很有代表性的肿瘤抑制基因。它的变化,关系到人类癌病总数的一半以上。自1989年它抑制肿瘤的作用被首次发现以来,致使研究人员对它的兴趣越来越大,论述P53的文章逐年递增;P53几乎占据了整个肿瘤抑制基因的研究领域;结果导致了更多肿瘤抑制基因的发现;单说过去的6个月中,至少有3个新入选的抑制基因被发现,使其家族成员的总数,已达10个;同时,明显拓宽了由这些有用基因编码蛋白质的活动范围。

新的希望

现已发现,肿瘤抑制基因的产物,遍布整个细胞。研究人员更注重的是,由这些基因编码的蛋白质,在细胞内起什么作用,以及在癌细胞内所发生的异常变化。研究人员正顺着这些目标不断前进。“我们信心十足,不仅仅是发现了这些基因,而且也抓住了它们的活动线索”,在全国癌症研究所(NCI)从事肺癌中基因变化研究的库尔特、哈里斯(Curt Harris)说。

有关这些基因功能的线索,有可能提高对癌病的诊断和治疗水平。例如动物实验暗示,把肿瘤抑制基因的正常拷贝,用遗传工程方法引入癌细胞内,可以击退细胞内的肿瘤形成能力;其次,模拟抑制基因的功能,有可能发明有效的治癌药物。在治疗对策方面,不可能很快出结果;但研究人员证实,通过抑制基因的变化,可以提高诊断和预后水平。正如研究P53的专家,普林斯顿大学里的分子生物学家阿诺德 · 莱文(Arnold Levine)所说:“我们首次获得了在临床上应用分子生物学知识的能力。”

研究肿瘤抑制基因的多数人,相信60年代后期,由牛津大学里的分子生物学家亨利 · 哈里斯(Henry Harris)及其同事所进行的实验。他们提供了关于抑制基因的最早证据。他们把啮齿动物细胞和癌细胞进行融合,发现所形成的某些杂种细胞,失去了形成肿瘤的能力。虽然结果暗示出正常细胞有抑制肿瘤发生的能力,但结果并未得到广泛承认;部分原因在于,有关结论并不完全一致;某些杂种并未失去致癌能力。

在开始研究抑制基因时,还遇到了其他困难,问题在于缺乏有关知识,不能够很好地分析所发现的基因。对致癌基因的分析,仅限于实验室内,因为它们具有促使培养中的细胞生长的能力。但正如长期从事肿瘤抑制基因的研究,加利福尼亚大学里的埃里克 · 斯坦布里奇(Eric stanbirdge)所指出,把一个肿瘤抑制基因放入培养中的细胞内,既可以将细胞杀死,也可能并不引起可见的变化,虽然不再在动物细胞内形成肿瘤。因而研究人员试图另辟别径,以便有效地研究肿瘤抑制基因。在80年代以前,各种方法都收效甚微,80年代以后,发明了“位点克隆法”,才算真正实现了对抑制基因的卓有成效的探索。

利用这项技术,研究人员首先寻找癌细胞内指示突变基因存在的遗传变化,或者是关系遗传癌敏感性病人的细胞内的遗传变化。其后逐渐缩小突变位点的范围,至到获得欲寻的基因。这种办法虽然麻烦,但可直接观察到与人类癌病有关连基因的变化。研究致癌基因,是通过致癌基因对小鼠细胞的刺激生长作用,或者是通过其和已知基因的顺序相似性。通过研究,使控制生长的途径出现了眉目,人类肿瘤中出现的极少数基因,显示了更多的作用。

被识别的第一个肿瘤抑制基因,是成视网膜细胞瘤(Rb)基因,它关系儿童的遗传性眼癌。虽然在80年代中期,分别由3个小组克隆了该基因,但并非是精确的位点克隆。80年代中期以后,相同的DAN分析技术问世。结合位点克隆技术,鉴别了另外几个人类遗传性癌敏感性基因(见表。)

12.1

位点克隆技术的发明,是过去几年来肿瘤抑制基因研究领域发生变革的唯一动因。另外的显著变化,就是结合对P53基因突变的认识。

识别了P53作为一种肿瘤抑制基因的庐山真面目。在多种癌病中,发现有P53的突变体,耐人寻味的是,该基因的两种形式,发挥相反的作用,关于它的抑制肿瘤的正常作用,自1979年它被发现后的10年间,一直没正确认识,它被视为一种致癌基因。导致误解的主要原因,在于研究过程中,所用的是突变体的译本。1989年,几个小组的努力工作,终于为野生型P53平反昭雪。显然,肿瘤细胞内的许多突变,使P53蛋白质抑制肿瘤的能力丧失,也使其行为貌似致癌基因。这样以来,可以解释,为何P53突变体在如此众多的癌中出现。

加快速度

除了克隆技术的进步,P53被识别为抑制肿瘤的基因以外,还发现这些肿瘤抑制基因,不只是关系少见的遗传性癌的敏感性,而且还涉及常见的“偶发性癌”。遗传似乎不是一种因素。在多种类型的肿瘤内,尚无任何一个的概率能比得上P53。发现在结肠癌中,或肾癌中,出现少量遗传性癌敏感性基因的突变。这少量的突变基因,同样也出现在相应的“偶发性”肿瘤内。这样,就加强了对一般癌病基因的认识。NCI的哈里斯说。

为充分认识肿瘤抑制基因和普通癌病的关系,研究人员先从探索特异癌中的个别基因入手,从中得知肿瘤抑制基因在细胞中的活动位置和作用方式,几个小组的结果暗示,P53对细胞的保护,是作为一种抵抗DNA破坏的成分;它显然有能力感知细胞所遭到的破坏,然后阻止细胞分裂,至到破坏得以恢复;如因破坏太重而不能恢复时,就激起“程序化的细胞死亡”,完全摆脱受破坏的细胞。当该基因发生突变时,细胞保持继续分裂的势头,使DNA的破坏加剧,这便是危险的癌变,加重癌细胞的毒力,或使其提高对化疗药物的抗性。研究发现,P53蛋白质的肿瘤抑制效应,在于作为一种活动因子,协助调节细胞的转录,转录是基因活动中的首要步骤。

的确,P53也为一种转录因子编码。最早认识的3个肿瘤抑制基因P53、Rb和WT-1(为叫做维尔姆斯瘤的儿童肾癌敏感性基因),都产生转录因子蛋白质。因此,研究人员推测,它们抑制作用的施展,在于作为转录因子的活动。但一或两个除外,有待发现它们所调节的靶基因。

随着研究的不断深入,逐渐发现肿瘤抑制基因的活动,不限于细胞核和核所含的DNA内。“这些基因产物的位置和活动场所,有相当大的改变”奥格尔斯坦说。他们小组的证据说明,肿瘤抑制基因DCC(结肠癌中缺失),离核很远,有可能是处于细胞的外膜上,关系到细胞之间的粘连。

1989年发现的另一个肿瘤抑制基因,Ⅱ型神经纤维瘤基因(NF-2),所编码的蛋白质,也有可能是固定在膜,或者是位于膜之下;被认为,其功能与控制细胞之间的粘连很不同。“NF-2是该类蛋白质家族中的典型成员,担负膜和细胞骨架间的连接。”克隆了该基因的小组之一的领导吉姆 · 古斯拉说。细胞骨架是由蛋白质构成的丝状网络,维持细胞的形状。在癌细胞内,这种复杂结构散离。一般被视为是生长失控的第二种效应。但古斯拉认为,也许是相反作用:细胞骨架的分崩瓦解,导致了异常生长。

固定在膜或接近膜的另一个肿瘤抑制基因,是由NIC的迈克尔 · 莱曼(Michael Lerman),伯特 · 兹巴(Bert. Zbar)及其同事所克隆的。该基因与遗传性癌敏感性有关,一种叫作冯佩尔-林道病(Von-Hippel-Lindau)的患者,发展为肾癌。这个基因编码的蛋白质,其位置还不清楚,据其结构的线索暗示,可能是一种膜蛋白。

还有些肿瘤抑制基因,处于外膜和核之间的细胞质内。例如1990年分别由密执安大学和犹他大学的科学家们所克隆的I型神经纤维瘤(NF-1)基因,与周质神经的良性瘤有关,它编码的蛋白质,显然是在细胞质中活动,并作为ras致癌基因蛋白质的激活剂。尤其是,NF-1激发ras分裂含能分子GTP,因为GTP分裂为GDP时,ras蛋白质失活;所以NF-1的作用,可能是维持这一致癌基因的“受抑制状态”。

鉴别了NF-1基因的蛋白质功能,对肿瘤抑制基因的活动方式和作用位置有了更深入的了解,同时认识到,肿瘤抑制基因和致癌基因,以及各自基因之间的相互作用。按照由莱文的小组所提供的这一线索,发现了P53蛋白质和致癌基因mdm2蛋白质产物之间的相互作用。这可以解释mdm2致癌基因的活动;当P53和mdm2结合时,P53的活动受阻。

在此基础上,莱文小组还发现P53刺激mdm2的产生,两种蛋白质共同参与进一种反馈环中,这种环维持P53的活动和mdm2合成之间的平衡;—旦失衡,就将细胞推入过度生长的癌变过程。其实,莱文还有其他人,都对两种蛋白质进行过观察,都取得了对癌患者的预后有价值的结果;患者肿瘤内出现P53突变,病情加重;如果P53突变加上mdm2扩增,情况就会更糟。

mdm2不是P53蛋白质的唯一配偶体。在费城威斯塔研究所里的弗兰克 · 劳舍尔(Frank Rauscher)和麻洲总医院里的丹尼尔-哈伯(Daniel Haber)及其同事,发现P53蛋白质和WT-1编码的蛋白质,相互作用;“这些成分间相互作用的事实,暗示着一种调节网络的存在,虽然研究人员对确切的作用还知之不多。”莱文说。

临床应用

上述知识的积累,尤其是对P53的认识,使在临床上应用肿瘤抑制基因成为可能。众多的突变基因,被指定为遗传癌敏感性的罪犯。认识了肿瘤抑制基因的活动范围,容易鉴别带有突变体基因的家庭成员,和癌发率高家族的成员。

根据有关证据,可以作出极重病人的预后。据意大利的几位科学家报道,P53突变体的表达提高,关系到患负结性乳腺癌,妇女的迅速复发,而且寿命降低。

诊断方面的信息也是很可贵的。初步的结果暗示,通过P53和其他肿瘤抑制基因,可以很好地确定治疗目标。斯坦布里奇(E. Stanbridge's)所领导的小组,进行了一项有效的实验,把带有其中一个(P53,APC和DCC)肿瘤抑制基因的染色体引进人类的结肠癌细胞内。完全抑制了裸鼠内细胞向癌发展的能力。甚至说明,结肠癌的发展,需要几个基因的缺失。“可以掌握有多种缺失的细胞系,任何一种得到矫正(指肿瘤抑制基因缺失),都可使恶性势头发生逆转、这对于治疗,显然是极好信息;”斯坦布里奇说。

捕捉有用信息的一项对策,就是利用遗传工程方法,把肿瘤抑制基因的好拷贝转移到癌细胞中;其次是发现一种能使肿瘤内缺失蛋白质的功能恢复的药物。

在苏格兰,丹迪大学里的戴维 · 莱恩(David Lane)及其同事,发现肿瘤细胞内一定的突变体P53,明显失去了应答正常细胞信号的能力,还发现,其实突变体并非完全无反应性,它可被人工抗体激活,方式是把抗体结合进该蛋白质内。“我们试图详细研究这种调节作用,寻找能使死亡P53复活的治疗剂。”莱恩说。

当然,人类肿瘤内死亡的P53和其他肿瘤抑制基因,能否被救活,有待观察。急待解决的另外问题,是要搞清抑制基因的数量。研究者们面临的任务十分艰巨,需要对迄今所识别的近100个致癌基因,逐个进行探究,找出相应的抑制基因。当前最热门的话题,要属候选的乳腺癌敏感性基因。能否发现特异地肿瘤抑制基因呢?很清楚,该领域内出现令人振奋的局面,已是为期不远了。

[据Science,1993年9月10日]