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肿瘤生物学:(2)肿瘤病毒

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前言

病毒能够导致广泛的人类疾病,绝大多数病毒都是通过其能在被感染的宿主细胞内增殖,杀死宿主细胞,并释放能够感染其它细胞的子代病毒的能力实现的。然而,某些病毒具有独特的复制周期,能够产生与普通病毒不一样的作用。有些病毒并不杀死被感染的细胞,而是迫使该细胞无限的增殖,这类病毒通常被称为肿瘤病毒,它们能够引发癌症。

在20世纪70年代,人们曾经集中研究肿瘤病毒,因为它们被怀疑是人类很多常见癌症的发病原因。随后十年中所收集到的证据并不能证明这一点,这些证据显示只有一小部分的人类肿瘤是由病毒引起的。但是,这条研究线路被证明对癌症学家是宝贵的,对各种肿瘤病毒的研究为揭开人类癌症很多长期隐藏的秘密提供了钥匙,其中也包括与肿瘤病毒感染不相关的绝大部分癌症。

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肿瘤病毒的发现

在19世界的最后20年中,Louis Pasteur和RobertKoch研究发现了引起痢疾、霍乱、狂犬病和其它一些疾病的传染性媒介物。当时,癌症也被认为是一种传染性疾病。早在1876年,俄国的一位研究者就报道了肿瘤由一只犬到另一只犬的传递:将取自第一只犬的肿瘤组织块移植到第二只犬内,几周后在该位置长出了肿瘤。随后很多类似的试验也在小鼠和大鼠上取得了成功。

但是,这些早期试验的重要性至今仍充满争议。一些研究者将这些结果视为癌症能够传播的证据。而其他人则不屑于这种移植试验,在他们眼里,这些工作仅能说明癌症像正常组织一样,能够从一只动物身上切下并且在第二只动物的身上移植生长。

一直1908年,两位哥本哈根的研究者报道称,他们成功地从鸡白血病细胞中提取得到了一种可滤过性的媒介物,并且将其注入其他的禽类体内,这些禽类随后也感染了这种疾病。但是,他们没有将最初的发现研究到底,这个问题留给了在纽约Rockefeller学院工作的Peyton Rous,他开始探寻肿瘤病毒学的原理。

1909年,Rous开始对出现于雌鸡胸肌的肉瘤进行研究。在最初的试验中,Rous将准备后的小块肿瘤植入同一品种的其他禽类中,成功地进行了肿瘤的传递。随后,他将肉瘤碎片研磨,对匀浆液进行过滤,当他把滤过液注入幼鸡体内,它们也都产生了肿瘤。而诱发的肿瘤再次匀浆后,能作为感染性的媒介物,注入到其他幼鸡体内时,能再次产生肉瘤。

肿瘤生物学:(2)肿瘤病毒          

这些发现在今天对我们是显而易见的,但在当时却无疑是革命性的。这些致癌性介质显然非常微小,因为它们可以通过滤膜,因此,这是一种病毒。

在1911年,当Rous终于发表了他的工作,而另外一个关于传染性兔黏液瘤病毒的报道也同时出现。此后不久,Rous和他的同伴就发现了另外两种鸡肉瘤病毒,接下来,经历了20余年的沉寂后,新的肿瘤病毒才又被发现。在Rous的最初发现半个世纪后,病毒的分子特性和它们增殖的方式仍然是个谜。

 

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肿瘤病毒的研究

对Rous肉瘤病毒研究的复兴开始于位于Pasadena的加利福尼亚技术学院的Renoto Dulbecco实验室。Dulbecco的博士后伙伴HarryRubin发现,将RSV加入培养有鸡胚胎成纤维细胞(CEF)的培养皿时,被RSV感染的细胞居然存活了下来,在当时显然是难以究其原因的。RSV似乎能够在这些细胞中寄生,使它们在几天、几周甚至几个月中稳定地生产子代病毒颗粒。而大多数其它病毒则相反,它们进入宿主细胞,增殖并迅速杀死宿主,从死亡细胞中释放更多的子代病毒,继续感染其它细胞。

肿瘤生物学:(2)肿瘤病毒

             

最重要的是,培养液被RSV感染的细胞表现出很多与癌症细胞相似的性状。这一相似性使Rubin、Howrad Temin(Dulbecco实验室的一个学生)和其他人总结出细胞转化——从正常细胞到肿瘤细胞的转换——的过程能够在培养皿中完成,而不仅是在复杂的难以研究的活组织环境中。

这些简单的观察结果在根本上改变了20世纪癌症研究的进程。Temin和Rubin以及之后的很多人,都采用这一实验模型来研究细胞转化的一些基本原理。

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肿瘤病毒的种类

RSV是已发现的能在被感染的动物体内引发肿瘤的病毒中的一种。至1960年,另外的四类病毒也同样引起了癌症生物学家的注意。直至Rous的先驱性工作25年后,一种新型的病毒才被发现。这一病毒是由Richard Shope在兔中发现的,它能够在皮肤上引发乳头状瘤。

至20世纪50年代末,人们发现Shope病毒与RSV的构造非常不同。乳头瘤病毒颗粒携带DNA基因组,而RSV颗粒携带RNA分子。并且,Shope病毒颗粒由蛋白质外壳包裹,而RSV则在外面还有一个很明显的脂质膜壳。在接下来的数十年中,超过100种不同的人乳头瘤病毒(HPV)相继被发现,它们都与Shope病毒相关。

在20世纪五六十年代,人们又发现了多种DNA肿瘤病毒。多瘤病毒于1953年被发现,在大小和化学组成上与多瘤病毒最接近的是SV40病毒。Shope的乳头瘤病毒、小鼠的多瘤病毒和SV40都归类为DNA肿瘤病毒中的乳多空病毒,这表明SV40病毒在其溶解感染中引发乳头状瘤、多瘤和空泡。至20世纪60年代中期,研究表明乳多空病毒的基因组都是由双链DNA构成。                        

肿瘤生物学:(2)肿瘤病毒

人类腺病毒的发现进一步壮大了DNA肿瘤病毒的队伍,其它被列为DNA肿瘤病毒的都属于疱疹病毒属。尽管人类1型和2型疱疹病毒都显然没有致瘤性,但当一种远源的Sairnire猴疱疹病毒从其他的物种注射入猴子时,能够引起急性致命的淋巴癌。另一种远源相关的疱疹病毒——Epstein Barr病毒(EBV)是在赤道非洲和新几内亚引发小儿Burkitt淋巴瘤的元凶,也是南亚鼻咽癌的主要成因。

肿瘤生物学:(2)肿瘤病毒

研究者发现,腺病毒和疱疹病毒颗粒含有长的线性双链DNA分子,与RSV病毒的基因组相似,它们都携带了病毒复制和诱发细胞转化所需的信息。与乳多空病毒相比,疱疹病毒具有庞大的基因组,提示它们携带有相应的数量巨大的基因。最终,由于乳多空病毒具有相对较小的基因组使其成为癌症分子起源研究的热点。

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肿瘤病毒的复制

肿瘤病毒可以诱发细胞表型的多种变化,如巨大的形态学改变和堆积生长,包括获得致瘤性。已有的试验证据表明,保持细胞的转化状态需要RV基因组的持续作用。这表示,某些或者全部的病毒遗传信息需要以某种方式保留下来,从一个转化的母代细胞传给它的两个子代细胞,并且进一步通过许多次细胞生长和分裂的周期继续传给后代细胞。

与RSV的行为相似,两种被集中研究的DNA肿瘤病毒——SV40和乳多空病毒所引起的细胞转化,似乎也依赖于病毒基因组在原代转化细胞的后代细胞中持续存在。然而,病毒基因组是如何成功地在无限数量的细胞代中有效的复制和传递的呢?这一点尤其令人迷惑,因为病毒基因组似乎缺少在有丝分裂中将染色体适当的分配给子代细胞所需要的遗传元素。

这一难题的答案于1968年被解开,研究发现SV40转化细胞中的病毒DNA与染色体DNA紧密联系,在病毒转化细胞中SV40病毒DNA与染色体DNA是共价相连的。病毒基因组的整合解决了病毒转化的一个重要问题:病毒DNA序列从母代细胞到子代细胞的传递是能够被保证的,因为病毒DNA能够在细胞周期的S期与细胞染色体共同复制。通过与染色体整合,病毒DNA序列有效地成为细胞基因组的一部分,如同细胞自身基因一样。

那么,RSV病毒是如何在细胞系中成功地将其基因组在如此多的世代中传递的呢?RSV病毒的基因组是由单链RNA分子组成,这显然不可能被直接与被感染细胞的染色体DNA整合。而RSV确实能够成功地将它的遗传信息通过细胞生长和分裂周期传递下去。

在20世纪60年代中期和后期,这一问题吸引了Temin,经过细致的研究,他提出了一个在当时看来十分另类的解决方法。Temin提出了反转录的过程,RSV颗粒感染细胞后,立即建立起RNA基因组的双链DNA拷贝,一旦以这种方式固定,病毒基因组的DNA形式——前病毒就承担起细胞基因的分子构型,并且每次细胞复制其染色体DNA时都能够被同时复制。另外,前病毒DNA一旦在基因组中固定,可以用作细胞RNA聚合酶转录的模板,由此产生能够组装入子代病毒颗粒的RNA分子,或者行使mRNA的职责,用于合成病毒蛋白。   

肿瘤生物学:(2)肿瘤病毒

建立RNA分子的DNA拷贝,在当时没有分子生物学先例的情况下,当时的观点认为信息是以DNA-RNA-蛋白质的形式单向传递。但是这一观点最终获胜了,Temin和David Baltimore在1970年同时发现了RSV和相关病毒颗粒携带有反转录酶,强有力地证明了这个观点。

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肿瘤病毒的作用机制

对于RSV而言,病毒突变株的应用揭示出病毒的复制功能需要一系列的基因,而病毒转化功能则需要另外一系列基因。

至少有三种反转录病毒的基因涉及病毒的复制,其中两种编码病毒颗粒装配所需的结构蛋白质,第三种则编码反转录酶。RSV病毒的RNA基因组与失去转化能力的相关反转录病毒的基因组相比显示,仅有非常少量的RSV病毒基因组致力于编码已知的病毒功能——转化。由此,研究RSV病毒的遗传学家推测,所以病毒的转化功能体现在一个基因,该基因被称为src,代表其在被感染的鸡体内形成肉瘤的作用。              

肿瘤生物学:(2)肿瘤病毒

1975年,加利福利亚大学,由J.Michael Bishop和Harold-Varmus共同的实验室通过src的特异性DNA探针,在细胞中将src迅速地检测出来。这一试验的实际结果却与预期的完全不同,研究小组发现,src序列显然已经存在于未被病毒感染的鸡细胞中。这些src序列以单拷贝细胞基因形式存在,也就是说每个二倍体鸡细胞基因组中存在两个src相关DNA序列的拷贝——恰恰是细胞基因组中大多数基因的存在形式。

许多其它证据表明,在未被感染的鸡细胞基因组中存在的src序列,拥有正常细胞基因的所有的性质,在每个单倍体基因组中存在一个单独的拷贝,在几千万年中缓慢的进化,同时也存在于鸟类和哺乳动物共同的祖先脊椎动物中。这一认识使人们对肿瘤起源的思考有了革命性的进展。

在正常有机体的基因组中存在着高度保守的src基因,上万个鸡细胞基因中的这个细胞基因,被类似于RSV病毒的反转录病毒进行一些细微的改造后,即可能被转化为潜在的病毒癌基因。因为它是一种活性癌基因的前体,c-src又被成为原癌基因。原癌基因的概念是革命性的:它暗示正常脊椎动物细胞的基因组携带着在特定环境中有潜力诱发细胞转化和肿瘤的基因。

人们在哺乳动物中也发现有反转录病毒,这些病毒一样能够获取细胞原癌基因并将其转化为癌基因。其中,猫科的白血病病毒在其基因组中获得fes癌基因,引发猫科的肉瘤,而一种杂交的大鼠-小鼠白血病病毒在不同情况下获得了两个不同的原癌基因:由此产生Harvey和Kirsten两种肉瘤病毒转化反转录病毒,在基因组中分别携带有H-ras和K-ras两种癌基因。至今,已经发现了30多个不同的脊椎动物原癌基因,它们中的许多以最初被发现的病毒来命名。

肿瘤生物学:(2)肿瘤病毒

那么,肿瘤病毒是如何诱发原癌基因发挥作用的呢?这一疑惑于1981年得到解答,解决的方法来自于对ALV在鸡体内诱发的白血病的研究,更准备地说,是通过对白血病细胞对的基因组DNA进行详细分析。分析结果得到了令人惊讶的结果,在大多数这类白血病细胞基因组中,ALV前病毒都整合在c-myc原癌基因的染色体DNA位点附近,而这种较近的自然距离使两个遗传原件之间具有一种功能上的联系。病毒转录启动子嵌套于ALV前病毒中,破坏了c-myc基因正常表达的调控机制。

肿瘤生物学:(2)肿瘤病毒

细胞c-myc基因不再受自身基因启动子的调控,而被直接置于病毒的转录调控之下。由此,相比较在正常细胞周期内受到精密的上调或下调,而c-myc的表达被外来统治者接手,将其表达量保持在较高水平。基本上,白血病细胞染色体中产生的杂交的病毒-细胞基因起到类似于禽髓细胞瘤病毒携带的v-myc癌基因的作用。

参考文献:
1. 《The biology of CANCER》second edition. Robert.A Weinberg
2. 《癌生物学》詹启敏 刘芝华 主译

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