國 立 清 華 大 學 生 命 科 學 系 96 年 度 高 中 人 才 培 育 計 畫 課 程 癌 病 探 索 楊 嘉 鈴 教 授 國 立 清 華 大 學 生 命 科 學 系 / 生 物 科 技 研 究 所 2008 年 12 月 20 日 新 竹 市 光 復 路 二 段 101 號 國 立 清 華 大 學 生 物 科 技 研 究 所 Tel: (03)5742756 E-mail: jlyang@life.nthu.edu.tw 1 癌 症 ( 惡 性 腫 瘤 ) 自 民 國 72 年 起 已 經 連 續 為 國 人 每 年 十 大 死 因 之 首, 其 中 肝 癌 與 肺 癌 死 亡 人 數 最 多 平 均 每 4 名 死 者 就 有 1 人 因 癌 症 死 亡, 其 中 男 性 的 死 亡 率 是 女 性 的 1.67 倍 因 癌 症 死 亡 者, 男 女 平 均 壽 命 相 當, 約 66 歲 而 值 得 注 意 的 是, 死 亡 率 增 幅 較 大 的 女 性 乳 癌, 死 亡 平 均 年 齡 為 57 歲, 男 性 口 腔 癌 死 亡 年 齡 也 僅 56 歲, 兩 者 都 是 罹 癌 平 均 死 亡 年 齡 中 最 低 的 2 1
癌 病 與 年 齡 呈 正 相 關 3 癌 症 是 什 麼? 癌 症 是 一 團 不 斷 增 生 的 細 胞 群, 逃 脫 正 常 細 胞 的 生 長 規 律, 當 生 長 成 一 個 腫 塊, 並 壓 迫 旁 邊 的 組 織 而 造 成 症 狀 良 性 腫 瘤, 不 會 發 生 轉 移, 而 惡 性 腫 瘤 ( 也 就 是 癌 症 ) 會 轉 移 到 它 處 癌 細 胞 分 裂 至 22 代, 細 胞 數 約 有 一 千 萬 個, 大 小 約 0.2 公 分, 此 時 會 誘 導 新 生 的 血 管, 長 入 腫 瘤 的 組 織 內, 而 癌 細 胞 就 會 藉 新 生 的 血 管 進 行 轉 移 一 般 而 言, 癌 細 胞 開 始 進 行 微 小 轉 移 時, 仍 然 不 容 易 被 診 斷 出 來, 且 會 成 為 日 後 發 生 再 發 及 遠 處 轉 移 的 病 灶 4 2
七 成 的 癌 病 是 跟 飲 食 習 慣 有 關 改 變 飲 食 習 慣 可 以 降 低 癌 病 罹 患, 包 括 肺 癌 口 腔 癌 食 道 癌 胃 癌 大 腸 癌 和 乳 癌 癌 病 有 關 的 食 物 包 括 脂 肪 酒 精 吸 菸 檳 榔 纖 維 素 及 微 量 維 生 素 等 一 二 成 的 癌 病 具 遺 傳 性 家 族 史 定 義 : 家 族 中 連 續 二 代 有 三 個 近 親 罹 患 癌 病, 且 其 中 二 人 須 為 一 等 親, 同 時 至 少 一 人 的 年 紀 是 小 於 五 十 歲 有 癌 病 好 發 性 家 族 史 者, 一 但 罹 患 癌 病, 通 常 發 病 年 齡 較 輕 且 常 為 多 發 性 病 灶 5 環 境 與 癌 病 6 3
工 作 環 境 中 的 致 癌 因 子 因 工 作 環 境 接 觸 了 許 多 有 機 及 無 機 物 質 導 致 有 致 癌 的 可 能 性, 但 這 些 致 癌 物 皆 缺 乏 立 即 且 明 顯 的 警 訊 有 些 物 質 看 似 無 害 但 在 10~20 年 後 可 能 致 癌 在 無 機 致 癌 物 方 面 包 括 砷 鉻 鎘 鎳 石 棉 等, 而 有 機 致 癌 物 方 面 包 括 石 蠟 石 油, 瀝 青 苯 及 聚 氯 乙 烯 放 射 線 是 另 一 個 重 要 的 致 癌 因 素 7 癌 病 的 起 源 癌 病 是 由 於 體 細 胞 基 因 之 多 重 突 變 造 成 有 些 個 體 因 遺 傳 而 得 到 基 因 突 變, 使 他 們 容 易 得 到 特 別 種 類 的 腫 瘤 每 個 腫 瘤 均 有 數 個 與 調 控 細 胞 增 生 相 關 之 基 因 發 生 突 變 癌 病 的 起 因 : 化 學 致 癌 劑, 輻 射 線, 病 毒 8 4
癌 病 形 成 的 多 重 步 驟 癌 的 初 始 期 : 正 常 細 胞 在 受 到 致 癌 物 導 致 基 因 傷 害 時, 只 需 經 由 一 次 的 基 因 複 製 過 程 就 可 以 形 成 突 變, 若 是 發 生 在 癌 病 基 因 上 就 稱 為 癌 的 初 始 化 癌 的 促 進 期 : 接 著 還 需 要 一 段 漫 長 時 間 的 催 化 過 程, 將 初 始 化 細 胞 變 成 癌 的 先 期 細 胞, 這 期 間 基 因 還 要 累 積 更 多 個 癌 病 基 因 的 變 化 癌 的 轉 移 期 : 癌 的 先 期 細 胞, 還 需 要 數 年 的 光 景, 才 會 進 行 演 變 成 癌 細 胞 如 果 這 時 癌 細 胞 停 止 分 裂, 我 們 根 本 不 知 道 它 的 存 在, 因 此, 可 以 假 設 體 內 事 實 上 已 存 在 著 不 少 癌 的 初 始 細 胞 前 期 細 胞 及 癌 細 胞, 只 是 沒 被 發 現 而 已 9 癌 的 初 始 期 : 癌 病 基 因 受 傷 導 致 突 變 發 生 常 見 的 DNA 鹼 基 傷 害 (a) 脫 嘌 呤 作 用 (b) 脫 氨 作 用 (c) 紫 外 光 照 射 形 成 雙 嘧 啶 鍵 結 10 5
生 物 訊 號 傳 遞 路 徑 在 癌 的 促 進 期 及 轉 移 期 扮 演 重 要 的 角 色 Tyr-P 酪 胺 酸 (tyrosine) 絲 胺 酸 (serine) 息 寧 胺 酸 (threonine) 是 蛋 白 質 上 三 個 重 要 的 磷 酸 化 胺 基 酸, 掌 控 生 物 訊 號 傳 遞 路 徑 之 樞 紐 Ser/Thr-P serine threonine Kinase ( 激 酶 ) protein kinase phosphatase ( 激 酶 去 磷 酸 酶 ) P tyrosine 11 多 數 的 化 學 致 癌 劑 是 致 突 變 劑 有 些 致 癌 劑 不 會 傷 害 基 因, 而 是 會 促 進 癌 細 胞 增 生 有 些 化 學 致 癌 劑 要 經 由 細 胞 內 酵 素 作 用 才 能 傷 害 基 因 ( 黃 麴 毒 素 ) 肝 臟 ( 一 未 上 市 的 殺 蟲 劑 ) 肝 臟 ( 焦 媒 煙 草 中 之 致 癌 劑 ) 肺 臟 12 6
煙 草 含 60 有 種 以 上 的 化 學 致 癌 劑 13 正 常 細 胞 增 生 調 控 細 胞 增 生 失 去 調 控 ( 正 向 生 長 調 控 ) ( 負 向 生 長 調 控 ) ( 生 長 刺 激 因 子 ) ( 生 長 抑 制 因 子 ) ( 生 長 因 子 接 受 器 ) ( 基 因 表 現 ) ( 致 癌 基 因 ) ( 抑 癌 基 因 ) (DNA 合 成 ) 14 7
癌 病 基 因 致 癌 基 因 : 一 旦 發 生 突 變, 就 會 不 受 調 控 地 促 進 細 胞 增 生 抑 癌 基 因 : 若 發 生 突 變, 就 不 能 抑 制 細 胞 增 生 監 督 型 抑 癌 基 因 : 控 制 細 胞 增 生 之 樞 紐 例 如 p53, RB 保 護 型 抑 癌 基 因 : 維 持 基 因 體 之 完 整 性 例 如 HNPCC ( 核 酸 修 補 酵 素 之 基 因 ) 15 正 常 細 胞 和 癌 化 細 胞 型 態 之 差 異 正 常 細 胞 轉 型 細 胞 癌 細 胞 不 朽 細 胞 finite life span infinite life span (immortal) ( 有 一 定 的 生 命 期 限 ) ( 無 限 的 生 命 期 ) serum requirement growth factor independent ( 需 要 血 清 生 長 因 子 ) ( 不 需 要 提 供 生 長 因 子 ) flat and organized morphology piled up and disorganized ( 平 貼 有 規 則 生 長 ) ( 會 堆 疊 不 規 則 生 長 ) Contact inhibition loss of contact inhibition ( 細 胞 之 間 會 經 由 接 觸 而 抑 制 生 長 ) ( 喪 失 細 胞 接 觸 之 抑 制 生 長 功 能 ) Anchorage dependent anchorage independent ( 細 胞 需 附 著 才 能 生 長 ) ( 細 胞 可 以 在 軟 膠 生 長 形 成 聚 落 ) Nontumorigenic in nude mice form tumors in nude mice ( 不 會 在 裸 鼠 形 成 腫 瘤 ) ( 會 在 裸 鼠 形 成 腫 瘤 ) 16 8
DNA 腫 瘤 病 毒 之 致 癌 基 因 有 些 會 造 成 腫 瘤 之 DNA 病 毒 具 有 致 癌 基 因, 能 產 生 致 癌 蛋 白 質, 例 如 : DNA tumor viruses Oncoproteins SV40 large T, small T BPV-1 E6, E7 Polyoma large T, middle T, and small T Adenovirus E1A, E1B 人 類 乳 突 淋 巴 瘤 病 毒 HPV-16, HPV-18 與 子 宮 頸 癌 形 成 有 關,HPV-5, HPV-17 與 皮 膚 癌 形 成 有 關 DNA 病 毒 之 致 癌 基 因 能 嵌 入 宿 主 細 胞 之 基 因 體, 產 生 之 致 癌 蛋 白 質 會 干 擾 宿 主 細 胞 核 酸 複 製 例 如 SV40 large T 蛋 白 質 能 與 宿 主 抑 癌 蛋 白 質 RB, p53 以 及 核 酸 聚 合 酵 素 pol α 結 合 ; DNA 病 毒 之 致 癌 蛋 白 質 E7, E1A 能 與 RB, 而 E6, E1b 能 與 p53 結 合, 因 此 促 使 抑 癌 蛋 白 質 喪 失 功 能, 造 成 宿 主 細 胞 過 度 增 生 17 RNA 腫 瘤 病 毒 之 致 癌 因 子 Reyton Rous (1966 Nobel prize: for his discovery of tumorinducing viruses) 於 1911 年 發 現 一 種 會 誘 發 雞 產 生 腫 瘤 之 病 毒, 命 名 為 Rous sarcoma virus (RSV) 後 來 研 究 得 知 其 為 retrovirus (RNA 腫 瘤 病 毒 ), 含 有 v-src 致 癌 基 因 Michael Bishop 和 Harold Varmus (1989 Nobel prize: for their discovery of the cellular origin of retroviral oncogenes ) 於 1977 年 發 現 正 常 雞 及 其 他 動 物 細 胞 中 含 有 與 RSV 之 v-src 致 癌 基 因 相 似 之 基 因 原 始 的 RNA 腫 瘤 病 毒 並 無 致 癌 基 因, 經 由 transducing, 擷 取 宿 主 細 胞 之 基 因, 透 過 病 毒 極 強 的 基 因 促 進 子 (promoter) 誘 發 該 基 因 過 量 表 現, 而 活 化 了 此 致 癌 基 因 RNA 腫 瘤 病 毒 有 特 定 的 動 物 宿 主, 大 多 不 會 造 成 人 類 腫 瘤 它 們 對 人 類 致 癌 基 因 的 發 現 有 重 大 的 貢 獻 18 9
尋 找 腫 瘤 細 胞 之 致 癌 基 因 : 細 胞 轉 型 法 19 染 色 體 轉 位 常 見 於 血 癌 細 胞 Burkitt 氏 淋 巴 瘤 ( lymphoma ) 常 有 8 號 及 14 號 染 色 體 之 間 基 因 轉 位 : 8 號 的 c-myc 基 因 及 14 號 的 免 疫 球 蛋 白 (immunoglobulin) 基 因 轉 位 費 城 染 色 體 (Philadelphia chromosome): 慢 性 骨 髓 性 白 血 癌 細 胞 ( chronic myelogenous leukemia ) 之 9 號 及 22 號 染 色 體 之 間 基 因 轉 位, 而 形 成 bcr-abl 致 癌 基 因 20 10
癌 細 胞 之 非 雙 套 染 色 體 及 中 心 體 擴 增 經 由 不 正 常 有 絲 分 裂 而 存 活 的 細 胞, 會 產 生 非 雙 套 染 色 體 (aneuploidy) 及 中 心 體 擴 增 (centrosome amplification), 促 使 細 胞 癌 化 21 調 控 細 胞 增 生 之 蛋 白 質 分 類 I. 生 長 刺 激 因 子 II. 生 長 因 子 接 受 器 ( 位 於 細 胞 膜 或 細 胞 質 ) III. 細 胞 內 生 物 訊 號 傳 遞 分 子 IV. 基 因 轉 錄 分 子 V. 細 胞 凋 亡 調 控 分 子 VI. 細 胞 週 期 調 控 分 子 VII. DNA 修 補 酵 素 22 11
有 家 族 遺 傳 傾 向 之 癌 病 症 候 群 症 候 群 家 族 性 視 網 膜 芽 細 胞 瘤 李 法 美 尼 (Li-Fraumeni) 家 族 多 發 性 大 腸 腺 瘤 瘜 肉 乳 癌 及 卵 巢 癌 威 爾 氏 (Wilms) 瘤 遺 傳 性 非 瘜 肉 大 腸 癌 Ataxia telangiectasia ( 微 血 管 擴 張 併 運 動 失 調 症 )- 淋 巴 瘤 Xeroderma pigmentosum ( 著 色 性 皮 膚 乾 萎 症 )- 皮 膚 癌 基 因 變 異 RB1 p53 APC BRCA1, BRCA2 WT1 MLH1, MSH2, MSH6, PMS1, PMS2 ATM XPA, XPB, XPC, XPD, XPE, XPF, XPG, XPV 23 抑 癌 基 因 喪 失 功 能 經 常 因 為 失 去 異 型 對 偶 基 因 (Loss of heterozygosity; LOH) 24 12
基 因 甲 基 化 及 去 甲 基 化 CH 3 5-methylcytosine 哺 乳 類 DNA 之 5 CpG 位 置 的 cytosine 常 有 甲 基 化 的 現 象, 基 因 之 轉 錄 調 控 區 若 高 度 甲 基 化, 基 因 表 現 會 被 抑 制, 因 此 基 因 甲 基 化 會 影 響 細 胞 增 生 癌 病 胚 胎 生 長 發 育 等 DNA 甲 基 化 在 核 酸 複 製 進 行 時 被 暫 時 去 甲 基 化, 即 新 合 成 DNA 之 cytosine 是 在 核 酸 複 製 之 後 才 被 甲 基 化 酵 素 Dnmt1 作 用 產 生 5- methylcytosine 25 基 因 甲 基 化 突 變 與 失 去 異 型 對 偶 基 因 均 會 導 致 抑 癌 基 因 喪 失 功 能 26 13
缺 乏 核 甘 酸 切 除 修 補 酵 素 的 病 人 容 易 被 紫 外 光 誘 發 而 形 成 癌 27 核 甘 酸 切 除 修 補 系 統 (nucleotide excision repair) 正 確 地 修 復 受 損 傷 之 DNA 28 14
遺 傳 性 非 息 肉 型 結 腸 癌 (HNPCC): 缺 乏 核 酸 配 對 錯 誤 修 補 機 制 (methyl-directed mismatch repair) 在 細 菌 是 adenine, 在 人 類 細 胞 則 是 cytosine 被 甲 基 化 29 RB 抑 制 G1 細 胞 週 期 之 進 行 RB 抑 癌 基 因 喪 失 功 能 促 使 視 網 膜 腫 瘤 形 成 30 15
微 血 管 擴 張 併 運 動 失 調 症 (ataxia telangiectasia) AT 病 人 對 γ- 輻 射 線 非 常 敏 感, 照 射 後, 細 胞 易 死 亡, 且 存 活 者 易 形 成 腫 瘤 31 DNA 斷 裂 之 監 控 系 統 ATM 是 一 重 要 激 酶, 是 偵 測 DNA 斷 裂 之 監 控 系 統 的 生 物 訊 號 上 游 樞 紐 AT 病 人 之 ATM 基 因 喪 失 功 能, 無 法 參 與 調 控 p53 以 及 其 他 監 控 細 胞 週 期 暫 停 運 轉 之 抑 癌 蛋 白 質 正 常 情 況 下, 細 胞 中 p53 蛋 白 質 半 衰 期 約 15 分 鐘 當 細 胞 處 於 逆 境 時, 例 如 DNA 遭 受 傷 害 或 致 癌 基 因 過 量 表 現 時, 會 大 量 誘 發 p53, 並 使 p53 磷 酸 化 而 增 加 穩 定 性 活 化 的 p53 可 以 使 細 胞 週 期 運 轉 暫 停, 誘 發 DNA 修 補, 或 促 使 細 胞 凋 亡 32 16
細 胞 程 序 性 凋 亡 (apoptosis) 嗜 殺 性 T 細 胞 ( 橘 色 ) 誘 發 癌 細 胞 ( 紫 色 ) 進 行 程 式 性 凋 亡 巨 噬 細 胞 吞 噬 凋 亡 之 細 胞 33 細 胞 程 序 性 凋 亡 機 轉 34 17
大 腸 結 腸 癌 之 形 成 35 36 18
惡 性 腫 瘤 形 成 的 必 要 條 件 1. 能 自 我 提 供 生 長 訊 號 2. 對 抑 制 生 長 的 訊 號 失 去 敏 感 度 3. 逃 脫 細 胞 凋 亡 機 轉 4. 能 無 限 的 增 生 5. 促 使 血 管 淋 巴 管 形 成 6. 侵 入 組 織 及 誘 發 癌 轉 移 37 癌 症 的 預 防 不 吸 菸 及 拒 抽 二 手 菸, 可 減 少 罹 患 肺 癌 或 口 腔 癌 的 機 會 減 少 煙 燻 燒 烤 醃 漬 食 物 的 攝 取 不 嚼 檳 榔, 可 減 少 罹 患 口 腔 癌 的 機 會 避 免 過 度 曝 曬 於 烈 陽 下, 可 減 少 罹 患 皮 膚 癌 的 機 會 青 菜 及 水 果 均 需 充 分 清 洗 覆 蓋 於 表 面 的 除 蟲 劑 ( 如 農 藥 ) 減 少 加 速 癌 症 進 展 之 因 素, 如 過 度 肥 胖 過 量 飲 酒 生 活 不 正 常 壓 力 過 大, 都 或 多 或 少 加 速 癌 症 之 形 成 與 進 展 多 吃 新 鮮 蔬 菜 及 水 果, 尤 其 是 深 綠 色 及 橙 黃 色 的 蔬 果, 如 十 字 花 科 的 蔬 菜 木 瓜 胡 蘿 蔔 牛 奶 等, 這 些 都 含 有 豐 富 的 維 他 命 C A 纖 維 硒 鈣 等 此 外 補 充 維 他 命 E 也 有 加 強 性 的 效 果, 尤 其 在 抗 氧 化 的 作 用 上 對 於 高 危 險 群 的 人, 定 期 的 癌 症 篩 檢, 是 非 常 必 要 的 38 19
癌 症 檢 測 的 未 來 趨 勢 : 微 量 取 樣 生 物 晶 片 生 物 資 訊 39 癌 症 的 標 靶 治 療 瞭 解 致 癌 機 轉 有 助 於 新 藥 的 研 發 STI571 商 品 名 在 美 國 是 Gleevec, 在 其 他 國 家 是 Glivec STI571 可 以 有 效 地 抑 制 慢 性 骨 髓 白 血 病 (Chronic Myeloid Leukemia; CML), 因 其 bcr-abl 癌 症 基 因 會 不 斷 地 產 出 活 化 的 酪 胺 酸 激 酶 而 促 進 癌 細 胞 增 生 這 是 利 用 分 子 生 物 的 學 理, 直 接 抑 制 標 靶 分 子 來 達 到 極 佳 療 效 之 典 範 STI571 用 於 治 療 一 極 少 見 的 腸 胃 道 結 締 組 織 腫 瘤, 此 腫 瘤 因 具 有 酪 胺 酸 激 酶 之 活 性, 因 而 對 STI571 有 相 當 好 的 臨 床 反 應, 即 使 遠 處 轉 移 也 有 效 40 20