肺癌分子生物学

第五章　肺癌分子生物学

肿瘤分子生物学的主要范畴，就是研究肿瘤发生发展过程中的各种异常分子事件，阐述肿瘤的生物学特性。目前的共识是，肿瘤的发生发展是一个多基因参与、多步骤渐进的过程。随着研究的不断深入以及文献的大量积累，已经逐渐认识到肺癌的发生发展也应该是一个多阶段、多步骤的过程，其中会发生一系列分子生物学事件，许多分子生物学异常在小细胞肺癌(small ceil lung cancer，SCLC)和非小细胞肺癌(non small cell lung cancer，NSCLC)中具有相似的表现，它们导致了细胞调节和生长调控途径的改变，最终发生临床可见的恶性肿瘤。在肺癌的发病机制中，原癌基因的活化和抑癌基因的失活具有重要作用，而DNA损伤修复基因的异常是否具有重要作用尚无一致意见。当临床可见的肺癌形成后，其侵袭、转移和对治疗的适应会受到另外一些分子生物学机制的影响。

学者Hanahan和Weinberg在2000年QLL杂志上概括了肿瘤分子生物学改变的6大特征:①无须外界刺激即可激活生长信号传导通路;②抑制生长的负调控机制失效;③肿瘤细胞逃脱凋亡;④获得无限增殖的能力;⑤诱导脉管系统的生成;⑥获得侵袭与转移的能力。它们在肺癌的发病和转归过程中均有不同程度的体现。

一、生长信号传导通路的异常

肺癌细胞或其周围的组织细胞可以同时表达某些生长因子及其受体，构成局部的生长信号内分泌或旁分泌环路。其中一些生长因子和(或)受体是活化原癌基因的产物。

促胃液素释放肽(gastrin releasing peptide，GRP)/蛙皮素(bombesin，BN)及其受体构成的自分泌环路，是肺癌中比较明确的自分泌环路。GRP/BN表达于20%～60%的SCLC，而在NSCLC中较少表达。GRP受体属于G蛋白耦联受体超家族，该家族的成员不仅可表达于肺癌细胞，还可以表达于吸烟者的支气管上皮细胞，提示它们在肺癌发病的早期起作用。GRP受体基因位于X染色体上，女性比男性的表达量高。当开始吸烟后，女性比男性更早激活该基因表达，这也许就是女性肺癌患者与吸烟关系更加密切的原因之一。GRP/BN及其受体并未发现明显的突变，该环路活化的机制尚不清楚。

表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)家族(也称为ErbB)及其配体广泛表达于真核细胞和多种肿瘤细胞中。EGFR家族包括ErbB1(EGFR/HERl)、ErbB2(HER2/neu)、ErbB3(HER3)和ErbB 4(HER4)4种受体。它们均是跨膜酪氨酸激酶受体，与配体结合后形成二聚体，进而活化激活下游Ras-Raf-MAPK和PI3K等信号传导通路。其中的EGFR和HER2/neu独立表达于NSCLC。肺癌细胞可以过表达EGFR，同时也表达其配体，如EGF、TGF-α等，从而形成生长信号自分泌环路。EGFR过表达主要见于NSCLC(40%～85%)，而SCLC较少见(0～5%)。由于不同的研究采用的EGFR检测方法不同，加之目前尚缺乏大样本量研究，因此EGFR过表达与NSCLC预后的相关性仍有争议。一项荟萃分析显示，纳入的16项临床研究中的14项采用免疫组化(immunohistochemistry，ICH)法检测EGFR表达水平，对其中资料完整的11项研究(共2 185例NSCLC)进行的生存期分析，发现EGFR表达水平并不能预测患者预后。但如果将生存期分析仅限于其中8个采用ICH法进行检测的研究，则EGFR无表达者预后较好。除EGFR过表达之外，多种肿瘤包括肺癌还能够表达一种由于基因重组或mRNA异常剪切导致的EGFR突变体EGFRvⅢ，它能够持续激活PI3K信号传导通路。

ErbB2/neu的内源性可溶性配体尚未发现，它通常与其他3种ErbB形成异二聚体发挥作用。大约30%的NSCLC，尤其是腺癌高表达HER2/neu，而SCLC很少表达。虽然其表达水平与NSCLC的多药耐药和高度转移倾向有关，但ErbB2表达水平与预后的相关性并不像它在乳腺癌中表现得那么明确。英国癌症杂志发表的一篇系统回顾显示，31%的NSCLC表达ErbB2，它们的风险比(hazard ratio，HR)为1.55(95%置信区间:1.29～1.86)，显示表达ErbB2者NSCLC预后不良。

肝细胞生长因子(hepatocyte growth factor，HGF)能够刺激上皮细胞的增殖和分化，其受体MET是原癌基因c-met的产物。虽然，MET在SCLC和NSCLC细胞上均有表达，但HGF只表达于NSCLC，而且HGF高表达与NSCLC患者预后不良相关。

干细胞因子(stem cell factor，SCF)及其酪氨酸受体CD₁₁₇(c-kit)形成的自分泌环路主要见于SCLC。35%～65%的SCLC标本表达c-kit，Miche等进行的研究显示，表达c-kit的SCLC预后不良。

成纤维细胞生长因子受体(fibroblast growthfactor receptor，FGFR)家族的4个成员均有酪氨酸激酶活性，参与有丝分裂和脉管形成。人体内有20余种物质具有FGF活性，能够与FGFR相互作用。多种肿瘤高表达FGF和(或)FGFR。对206例NSCLC标本进行的免疫组化研究显示，分别有27例和52例过表达碱性FGF和FGFR-1，高表达后者的患者预后不良。对103例SCLC进行的分析显示，治疗前血清碱性FGF水平较高者总生存期较短。

二、原癌基因的活化

某些肺癌细胞中的ras原癌基因家族成员，特别是K-ras可通过点突变而激活，导致异常信号传导，引起细胞增殖。这种点突变最常发生于密码子12、13和61。15%～20%的NSCLC可观察到K-ras突变，而20%～30%的腺癌有此改变。研究发现，K-ras突变与吸烟关系密切，G-T碱基颠换常与烟雾中的多环芳烃和亚硝胺类物质有关。对接受术后辅助化疗的NSCLC患者进行的研究显示，K-ras突变与化疗疗效无明显关系，但与生存期有一定程度的相关性。

ras途径最终活化myc家族基因，后者的产物是核蛋白。C-myc在NSCLC和SCLC中均有活化，而该家族中的另外两个成员，MCYN和MYCL的活化主要见于SCLC。18%～31%的SCLC有至少一种myc基因的活化，在NSCLC中该比例为8%～20%。myc基因活化的机制，包括基因扩增、转录后调控异常以及mRNA稳定性提高等。NSCLC中的myc低水平扩增不利于长期生存，如果在表达myc的同时有Caspase-3的表达缺失，则预后更加不良。

三、抑制生长的负调控机制失效

抑癌基因(tumor suppressor gene，TSG)对正常细胞的生长调控具有重要作用，同时也对多种原因造成的DNA损伤进行应答，以保证基因组的稳定性。恶性肿瘤中常有TSG失活，其机制主要包括以“二次打击”学说为代表的染色体杂合性缺失(loss of heterozygosity，LOH)以及TSG启动子区域高甲基化(hypermethylation)。p53、RB和p16等TSG主要通过LOH机制失活。

p53失活是恶性肿瘤中最常见的TSG异常之一。DNA损伤或细胞缺氧均可上调p53基因表达，促进p21、MDM2、GADD45和Bax等下游产物的转录，以调控细胞周期G₁/S期转换、DNA损伤的G₂/M检测点以及细胞凋亡。＞75%的SCLC和约50%的NSCLC存在p53失活。多数研究者认为，存在p53功能异常的NSCLC患者预后不良。

在细胞周期G₁/S期转换的调控中，p16-Cyclin Dl-CDK4-RB途径处于核心地位。包括肺癌在内的许多恶性肿瘤均存在该途径的功能缺陷，该途径中的任何一个因子发生功能异常均会干扰细胞周期调控。由碱基缺失、染色体无义突变或肽链剪切异常导致的RB基因失活，可见于大多数SCLC和15%～30%的NSCLC。

在SCLC中，上述调控途径的异常主要由RB基因失活引起;而在NSCLC中，主要受到另外3个因子，特别是p16功能异常的影响。Cyclin Dl通过CDK4的激酶功能使RB蛋白磷酸化从而降低其活性。Cyclin Dl过表达可见于25%～47%的NSCLC，它也是通过抑制RB蛋白功能起作用。p16位于染色体9p21，它通过抑制CDK4/6的激酶活性调节RB活性。肺癌细胞中p16失活主要是由于染色体缺失或突变，以及启动子高甲基化。30%～50%的早期NSCLC并不表达p16。p16所在的染色体区域还存在p14ARF基因，其产物抑制p53蛋白抑制物MDM2，增加游离p53并减少其降解。

四、肿瘤细胞逃脱凋亡

该环节主要涉及p53基因和Bcl-2原癌基因功能的异常。75%～95%的SCLC高表达抑制凋亡的Bcl-2，但Bcl-2高表达的意义尚未明确。例如，高表达Bcl-2的SCLC对化疗更敏感，其表达水平与NSCLC的生存期呈正相关关系。

p53的调控产物之一是促凋亡的Bax，它与Bcl-2的比例决定了细胞是否凋亡。大多数SCLC有p53功能缺陷，由此导致Bax表达降低，使得Bax/Bcl-2比例降低，有利于肿瘤细胞逃脱凋亡的命运。NSCLC细胞可以通过表达凋亡蛋白抑制物-1(inhibitor of apoptosis protein-1，IAP-1)来对抗脱氧核苷类似物诱导的细胞凋亡。

五、获得无限复制潜能

端粒酶能够将AATGGG寡核苷酸序列添加到染色体DNA末端的端粒上，以修复随每次DNA复制而逐渐变短的端粒。正常体细胞的端粒酶无活性，当端粒缩短到一定程度后它们即停止分裂。几乎所有肺癌细胞均具有端粒酶活性，从而能够无限增殖，成为永生化细胞。端粒酶活化出现在肺癌发病过程的较早期阶段，可以从患者支气管表皮细胞或支气管灌洗液中发现这种变化，因此可作为早期诊断指标之一。

六、肿瘤组织脉管形成

脉管形成对恶性肿瘤的生长、侵袭和转移具有重要意义。肺癌细胞能够产生大量血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)以促进新生血管网的形成。VEGF家族有VEGFA、B、C、D、E和胎盘生长因子6个成员，其中VEGF－A是作用最强、特异性最高的促内皮生长因子。VEGF受体(VEGFR)与配体结合后形成二聚体，再激活下游信号传导通路。通过检测血浆VEGF水平能够估计NSCLC脉管形成的程度。多项研究显示，肺癌的肿瘤毛细血管计数与预后具有一定相关性，VEGF高表达提示预后不良。对血小板衍生内皮生长因子、bFGF和VEGF与NSCLC淋巴结转移关系的研究显示，这三项全部阳性者中有77%出现淋巴结转移，三项全部阴性者中仅43%出现转移。

七、局部侵袭和远处转移

恶性肿瘤的局部侵袭和远处转移，不仅涉及脱离原发部位组织结构的束缚，而且需要肿瘤细胞能够逃脱机体免疫系统的监视和杀伤，并且能够适应、甚至改造新的环境。这是一个连贯而复杂的过程，其中的变化尚未完全阐明。上述6个方面的分子生物学异常在肺癌获得侵袭与转移能力的过程中发挥着不同的作用，另外还有一些局部因素也对肺癌的侵袭和转移具有促进作用。这些微环境成分的改变可能与肺癌预后不良相关。

对肺癌手术标本的研究发现，塌陷反应介导蛋白-l(collapsin response mediator protein-l，CRMPl)介导神经生长抑制因子collapsin的功能，其低表达与淋巴结转移、术后早期复发和生存期缩短相关。

板层素(laminin)和整合素(integrin)功能异常是恶性肿瘤脱离基底膜的束缚，进而发生侵袭、转移的重要标志。肺癌细胞常有板层素α₃和α₅肽链低表达，使得基底膜破损、周围间质增生，为肿瘤侵袭创造条件。板层素-5及其受体α₆β₄整合素仅表达于NSCLC细胞而不表达在SCLC，提示它们参与构成了NSCLC独特的生长微环境。临床研究显示，高表达板层素-5的NSCLC预后不良。

总之，分子生物学研究是基础研究和临床实践之间的一座重要桥梁，其成果可用于肺癌的流行病学研究、高危人群的筛查、患者的早期检测、临床诊断、指导疾病分类和治疗以及判断预后等诸多方面。

(孙玉兰)

参考文献

1.石远凯.肺癌诊断治疗学［M］.北京:人民卫生出版社，2008.

2.Fong KM，Sekido Y，Gazdar AF，et al.Lung cancer:Molecular biology of lung cancer:clinical implications［J］.Thorax，2003，58:892－900.

3.Shriver S，Bourdeau H，Gubish C，et al.Sex-specific expression of gastrin-releasing peptide receptor:relationship to smoking history and risk of lung cancer［J］.J Natl Cancer Inst，2000，92:24－33.

4.Yu D，Wang S-S，Dulski MK，et al.C-erB-2/neu overexpression enhances metastatic potential of human lung cancer cells by induction of metastasis associated properties［J］.Cancer Res，1994，54:3 260－3 266.

5.Miche P，Basrai M，Faldum A，et al.Characterization of c-kit expression in small cell lung cancer:prognostic and therapeutic implications［J］.Clin Cancer Res，2003，9:188－194.

6.Moriya Y，Nike T，Yamada T，et al.Increased expression of laminin-5 and its prognostic significance in lung adenocarcinomas of small size.An immunohistochemical analysis of 102 cases［J］.Cancer，2001，91:1 129－1 141.

7.Fontanini G，Lucchi M，Vignati S，et al.Angiogenesis as a prognostic indicator of survival in non－small－cell lung carcinoma:a prospective study［J］.J Natl Cancer Inst，1997，89:881－886.

8.Ruotsalainen T，Joensuu H，Mattson K，et al.High pretreatment serum concentration of basic fibroblast growth factor is a predictor of poor prognosis in small cell lung cancer［J］.Cancer Epidemiol Biomarkers Prev，2002，11:1 492－1 495.

9.Bandala E，Espinosa M，Maldonado V，et al.Inhibitor of apoptosis-1(IAP-1)expression and apoptosis in non-small-cell lung cancer cells exposed to gemcitabine［J］.Biochem Pharmacol，2001，62:13－19.

10.Schiller J，Adak S，Feins R，et al.Lack of prognostic significance of p53 and K-ras mutations in primary resected non-small-cell lung cancer on E4592:a Laboratory Ancillary Study on an Eastern Cooperative Oncology Group Prospective Randomized Trial of Postoperative Adjuvant Therapy［J］.J Clin Oncol，2001，19:448－457.