2017年7月9日 星期日

細胞週期系列之三 細胞週期調節異常與腫瘤


  細胞週期系列之三  細胞週期調節異常與腫瘤

一、 原致癌基因(proto-oncogenes)以及腫瘤抑制基因(tumor suppressor genes

1980年代開始,科學家們陸續發現有兩類的基因,與腫瘤(tumors)的形成有關,也與細胞週期(the cell cycle)的異常相關。

1.原致癌基因(proto-oncogenes,表現之蛋白質參與細胞週期的正常運作。然而,如果這類原致癌基因發生突變,則變成了致癌基因(​​oncogenes,致癌基因表現之蛋白質,會導致細胞週期的異常,而可能因此形成腫瘤。




01. 原致癌基因(proto-oncogenes)因為致癌物質誘導,突變成致癌基因(​​oncogenes),致癌基因表現之蛋白質,將正常細胞轉型成癌細胞。

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2.腫瘤抑制基因(tumor suppressor genes,表現之蛋白質多為細胞週期的剎車分子。




02. 腫瘤抑制基因(tumor suppressor genes),表現之蛋白質(圖中綠色箭頭部分),可在細胞不同的反應部位踩剎車,停止細胞增生(cell proliferation)=停止細胞周期的進行。

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二、 Ras 原致癌基因

       原致癌基因以Ras原致癌基因為例:




03. Ras原致癌基因(Ras Proto-oncogenes),表現之產物是G蛋白G蛋白在由生長因子至細胞核(from growth factor to nucleus),訊號傳遞過程(signal transduction pathway)中,扮演著重要的角色。

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04. Ras原致癌基因突變,與大約30%的人類癌症有關。

Ras原致癌基因表現之Ras蛋白質是一種G蛋白,將細胞外生長因子(growth factor)的訊號,由細胞外傳送(relay)到細胞內,再進入一連串蛋白激酶的瀑布反應 (protein kinases cascade)中。

蛋白激酶的瀑布反應 (protein kinases cascade reaction)—是指一連串與蛋白激酶相關的化學反應。例如圖06.Ras蛋白活化Raf之後,RafMekErk就是蛋白激酶的瀑布反應

→代表磷酸化也代表活化。

也有人稱之為瀑布放大反應,是指譬如1Raf能活化10Mek10Mek又能活化100Erk的意思。







05. Ras原致癌基因發生誤訊or錯義突變(missense mutations),改變基因產物之性質,使得有絲分裂促進素活化之蛋白激酶瀑布反應(Mitogen-activated protein,MAP kinase cascade),無法再受到適當的調節,導致細胞過度增生,而可能形成腫瘤。

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06.

1兩分子表皮生長因子(Epidermal Growth Factor,EGF),與細胞膜上表皮生長因子接收器(Epidermal Growth Factor Receptor,EGF Recptor) 之兩次單位結合。

2將訊號傳送(relay)入細胞膜內層磷脂後,活化 Ras原致癌基因表現之G蛋白。

3經過有絲分裂促進素活化之蛋白激酶瀑布反應(MAP kinase cascade)

4活化轉錄因子(activation of transcription factors)

5刺激有關細胞增生之基因表現,加速表皮細胞的細胞週期→表皮細胞分裂之速度↑。

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三、腫瘤抑制基因(tumor suppressor genes

    視網膜母細胞瘤(retinoblastomaA cancer of the retina. Found most often in small children; this disease has been linked to the inheritance of mutated copies of the Rb tumor suppressor gene. For more information, see the entries on Rb and Tumor Suppressor., Rb)腫瘤抑制基因;p53腫瘤抑制基因為例,探討腫瘤抑制基因與細胞週期,與腫瘤產生的相關性。

基因名稱
p53
RB
基因發現於
    1979
    1986
基因位於
17染色體之短臂
    (17p13.1)
13染色體之長臂
    (13q14)
基因表現之產物
轉錄因子(Transcription Factor)
磷酸化之細胞核蛋白
主要功能
基因組的守護者
(The Guardian of the Genome)
細胞週期的主要剎車
(a Master Brake of the Cell Cycle)
詳細的功能
1.使細胞不再增生,修補受損DNA
2.DNA無法修補時,使細胞程式性細胞死亡=細胞凋亡(Apoptosis)
 3.抑制血管增生(anti-angiogensis),使癌細胞養分不足,而無法成長、轉移。
1. G1期,pRB的磷酸化程度低→pRBE2F結合→阻斷DNA合成基因之轉錄→阻斷細胞週期由G1期進入S期。(07.& 08.)
2. pRB磷酸化程度增加→pRBE2F分開→細胞週期由G1期進入S期→細胞增生。(08.)





07. 細胞週期之G1期,pRB蛋白質磷酸化程度低,與轉錄因子E2F結合,阻止細胞週期由G1進入S期。結果沒有有絲分裂發生(No Mitosis)

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08. 於細胞週期之G1期,磷酸化程度低之RB蛋白質,與轉錄因子E2F結合,阻止細胞週期由G1進入S(左圖)

磷酸化程度高之RB蛋白質(Phosphorylated Rb protein),與E2F轉錄因子分開,E2F促使S期相關的基因表現,使得細胞週期進入S(右圖)







09. p53是分子量五萬三千道爾敦(53 kDa)細胞核磷酸蛋白。由393胺基酸組成。此圖以不同顏色標示p53各部分之功能。

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10. 在正常的細胞核中,p53蛋白的濃度相當低(因為p53與細胞核中的Mdm2結合,形成p53- Mdm2複合體,離開細胞核,而由細胞質中之蛋白酶體(Proteasome)分解(左圖)

DNA損傷,p53蛋白磷酸化而成為轉錄因子(transcription factor),轉錄因子促使表現之基因,與DNA修補或程式性細胞死亡(Apoptosis)有關(右圖)

Mdm2p53-specific E3 Ubiquitin protein ligase

(Mdm2—專屬p53之范素蛋白連接酶)

p53蛋白的半衰期約為5分鐘,如此短的半衰期,來不及啟動p21基因表現即被分解;磷酸化後的p53蛋白,半衰期可長達45小時,因此可啟動p21基因表現,而抑制細胞週期由G1期進入S期。

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11. 上方為促使p53磷酸化的原因(八點)

1熱休克(Heat shock)

2代謝改變(Metabolic changes)

3缺氧(Hypoxia)

4核苷酸缺失(Nucleotide depletion)

5輻射(Ionizing radiation)

6致癌基因(Oncogenes)

7DNA損傷(DNA damage)

8端粒變短(Telomere shortening)

下方兩邊淡黃色框框,是經由p53調節產生之反應:

左下方框框

1凋亡(APOPTOSIS) =程式性細胞死亡(Programmed cell death)

2DNA修補(DNA REPAIR)

3細胞老化(SENESCENCE)

右下方框框

1細胞分化(DIFFERENTIATION)

2細胞週期停止(CELL-CYCLE ARREST)

圖的中間下方表達的概念,與圖10.相同。

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12. 正常p53蛋白(Normal p53)與突變p53蛋白(Mutated p53)之比較。

正常p53蛋白當DNA損傷(DNA damage)、細胞週期異常(Cell cycle abnormalities) 、缺氧(Hypoxia)時,會停止細胞週期來修補DNA,如DNA無法修補,則產生細胞凋亡(Apoptosis)

突變p53蛋白無法修補損傷的DNA、無法產生細胞凋亡、如果異常的細胞繼續分裂,最後可能導致細胞癌化(Cells with abnormal p53 can become cancerous)

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13. 慣例,在寫原致癌基因以及腫瘤抑制基因時,均以斜體字表示。而在寫原致癌基因以及腫瘤抑制基因表現之蛋白質時,均以正楷體字表示。例如以上表格中,紅色字體為代表性的腫瘤抑制基因(Tumor Suppressor Gene) 均為斜體字




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