细胞癌基因称为原癌基因有两层含义,一方面原癌基因是不发挥作用的c-onc;另一方面v-onc来源于原癌基因,细胞癌基因存在于正常的细胞基因组中,与病毒癌基因有同源序列,具有促进正常细胞生长、增殖、分化和发育等生理功能。现已认为RNA致瘤病毒中的v-onc是在长期生物演化过程中病毒从宿主中摄取的细胞癌基因经过加工后成为致瘤病毒的。细胞癌基因在正常情况下处于静止状态,对机体并不造成危害,故称细胞原癌基因(proto-oncogene),此词现已常与细胞癌基因混用。细胞癌基因有以下特点:①广泛存在生物界;②高度保守性;③其作用通过表达产物(蛋白)体现(正常细胞中无害、维持生理功能);④激活因素可引起数量结构变化(致癌)。从种系进化上看,细胞癌基因在漫长的进化过程中保持下来,因其在细胞分化过程中可能占有重要的地位。在胚胎发育过程中,c-myc的mRNA在妊娠4~5周出现一个高峰,3个月后此mRNA明显降低。在人的足月胚胎,c-fos转录水平高于正常100倍。细胞癌基因是单拷贝基因,且是结构基因,因此都有编码的蛋白产物。细胞癌基因通过其产物发挥作用,引起细胞的增殖。近年来发现细胞癌基因的活化与肿瘤类型有关。
通常把细胞癌基因分为以下几类:
(1) ras基因家族类:包括Ha-ras、Ki-ras、N-ras等5个成员,其活化方式,大都是通过基因结构中单个核苷酸的突变。这类细胞癌基因编码蛋白产物结构很相似,都是相对分子量为2. 08×104(21kD)的磷酸蛋白,称为P21蛋白。它位于细胞质膜的内面,可与GTP结合,有GTP酶活性,并参与cAMP水平的调节。
(2)核内蛋白类:包括myc、N-myc、L-myc、myb、fos、blym、ski癌基因等。这些癌基因的产物都在细胞内,但结构并不相似。其产物可能影响其他调节环节,控制细胞生长。一般情况下,静止期的细胞不表达,但在某些生长因子的作用下常以一定的顺序开始表达。
(3)酪氨酸激酶类:包括erb-B、src、yes、fes、fps、fgr、ros、abl等,都含有相似的基因编码结构,其蛋白产物多具有酪氨酸磷酸化的蛋白激酶活性,定位于胞膜内面或跨膜分布。这一类蛋白产物与生长因子有关。
(4)生长因子类:如sis癌基因,其产物结构与血小板生长因子(PDGF)相似。
(5)其他癌基因:如bcl-2、erb-A、met等。
细胞癌基因是正常的细胞结构基因之一,在正常情况下虽然也可以表达,与细胞的生长、分化、代谢等有关,但仍是处于抑制状态。只有被激活后才能引起肿瘤的发生。因此,细胞癌基因的激活是肿瘤发生的一个关键步骤。癌基因的激活机制有多种,可通过原癌基因扩增、原癌基因突变(如点突变等)、原癌基因获得活化因子(如前病毒的插入、染色体易位与基因重排等)、原癌基因抑制消除、原癌基因耦联等激活机制而被激活。
细胞癌基因是单拷贝基因,且为结构基因,因此有其编码的蛋白质,即癌基因产物。根据这些产物的功能可作如下分类:
(1)生长因子类:
有些v-onc和细胞癌基因的编码产物在细胞恶性转化和肿瘤发生过程中起着重要的始动和维持作用,他们刺激靶细胞生长、增殖。这些产物在结构、功能以及作用方式上有以下特点:编码的蛋白大多是多肽物质,故常称为多肽生长因子,具有各自的特异性,其高亲和性受体分子位于靶细胞膜上。这些蛋白与特异的受体形成复合物后,开始发挥其作用,即特异性的促生长和增殖作用始动于膜“配体-受体”复合物形成。与特异性膜受体结合后可在转录与翻译水平调节某些特定基因的表达。其促生长作用与环核苷酸的信使系统关系不大。现认为与肿瘤发生关系密切的生长因子包括正常情况下细胞基因(包括细胞癌基因)编码的促生长物质(如PDGF、表皮生长因子等)和转化细胞或肿瘤细胞中的转化生长因子(TGF)两类。
(2)膜受体类:
与细胞转化和肿瘤发生有关的膜受体与生长因子一样,也可分为两类,一类是细胞在正常情况下就具有的。如PDGF、EGFR(表皮生长因子受体);另一类是在异常情况下才表达的,似前一类受体的异常结构形式,如erbB产物等。
(3)转导分子类:
这类癌基因产物的成员较多,作用也较为复杂。从作用上看,有的能直接作用和细胞表型转化密切相关的细胞成分,如pp60ras,能直接作用于细胞骨架系统的粘连蛋白,引起细胞表型的转化。有的则能介导激素、生长因子的信号传递,如src、ros等基因产物,它们具有酪氨酸激酶作用,并能使磷脂酰肌醇磷酸化,从而增加聚磷肌醇的形成以发挥其倡导生长因子信号的作用。例如:P21ras是ras基因家族成员的编码产物,在正常细胞代谢过程中发挥普遍意义的作用。此蛋白的95%定位于细胞膜上,与鸟嘌呤核苷酸(GDP或GTP)有高度的亲和性,同时它本身也具有GTP酶活性。ras基因可因其结构中一个核苷酸的突变被激活,并使其编码的P21肽链中第12位正常的甘氨酸被缬氨酸取代,于是引起肿瘤的发生。P21N端12、59、61位是点突变的主要部位。正常时P21的GTP结合部位与某种促调节蛋白作用,抑制GTP所引起的P21活化,但突变后P21的GTP结合部位构型发生改变,失去与此种调节蛋白相互作用,导致突变的P21易被GTP活化成为具有致癌能力的转化蛋白。
(4)核内蛋白类:
主要有myc、N-myc、myb、ski、fos等转化蛋白以及P53等。其特点是分布于细胞核内,静止期的细胞并不表达,其表达常与细胞的生长、增殖同步出现;能直接影响调控细胞生长、分化的基因的表达,使细胞进入分裂期;协同其他癌基因产物致癌,为其他多种癌基因产物引起恶变所需;可能是不同癌基因产物致癌过程的最后共同介导分子。
癌基因的蛋白产物不论是上述的生长因子、膜受体、转导分子或核内蛋白,并无直接的致癌作用,因此认为是通过其他靶分子(如P36蛋白等)才导致恶变效应的。而且,肿瘤的发生是复杂的协同过程,肿瘤的发生常涉及多个细胞癌基因的活化,有多种癌基因产物的参与。正常时,多种癌基因产物在时间、空间上相互配合可使细胞维持正常的发育与分化;当这些癌基因的结构、调节或作用方式发生改变,即可引起细胞的转化,导致肿瘤的发生。