个人介绍
作为复杂系统的癌细胞 ——系统生物学和生物物理学视角

主讲教师:

教师团队:共1

  • 敖滨
专业大类: 生物学
开课专业: 细胞生物学

本系列介绍了癌细胞的一些特征。细胞生长失控,癌细胞的一切行为围绕快速增值。原癌基因、肿瘤抑制基因突变癌细胞不受海弗利克极限的限制,它是“永生的”,不会凋亡有氧糖酵解,大量消耗能量物质,形成与正常细胞的资源争夺不传染。三个例外:传染性癌症;器官移植;HPV。

教师团队

敖滨

职称:博士

部门:细胞学

癌细胞

癌细胞是一种变异的细胞,是产生癌症的病源,癌细胞与正常细胞不同,有无限生长、转化和转移三大特点,也因此难以消灭。

在细胞膜上

癌细胞的生存和发展离不开蛋白质的合成,然而,癌细胞在合成蛋白质时,则必须从健康细胞中夺取门冬酰胺,可是,与门冬酰胺共生的门冬酰胺酶却能控制癌细胞的生长,这是它无法克服的第一个矛盾。

在大量的科学验证明,人体内每个细胞的细胞膜上存在着一种cAMP(环式磷酸腺苷)的物质,这种物质是控制或调整细胞新陈代谢的主要成份(并不因为癌化而消失),有趣的是cAMP还有一个最显著的能力,就是使癌细胞变成健康细胞(这是难能可贵的)。

癌细胞的表面有一种肿瘤抗原(CEA),它能生成相应的抗体阻止癌细胞的生长和发展,这种自我免疫力是癌细胞与生俱来的又一矛盾。

在细胞核内

当代分子生物学的卓越成就,已经证实了细胞核结构中的DNA(脱氧核糖核酸)分子在链腱排列上发生了改变时,就能立即向RNA发出“遗传信息”的变异电报,于是细胞就发生了癌变,然而,在细胞核中还存在着一种与之特性相反的逆转录酶,这种逆转录酶的作用是使RNA再把自己所收到的DNA发来的变异电报返送回去,迫使DNA恢复正常的复制功能,这样,癌细胞就变成了健康细胞。

人体其实是由一个个细胞组成的社区。每个细胞照章行事,知道何时该生长分裂,也知道怎样和别的细胞结合,形成组织和器官。而构建不同组织的“图纸”,就是基因。

现在医学家认为:人人体内都有原癌基因,绝对不是人人体内都有癌细胞。原癌基因主管细胞分裂、增殖,人的生长需要它。为了“管束”它,人体里还有抑癌基因。平时,原癌基因和抑癌基因维持着平衡,但在致癌因素作用下,原癌基因的力量会变大,而抑癌基因却变得较弱。因此,致癌因素是启动癌细胞生长的“钥匙”,主要包括精神因素、遗传因素、生活方式、某些化学物质等。多把“钥匙”一起用,才能启动“癌症程序”;“钥匙”越多,启动机会越大。我们还无法破解所有“钥匙”,因此还无法攻克癌症。

内部成因

在正常情况下,细胞内存在着与癌症有关的基因,这些基因的正常表达是个体发育、细胞增殖、组织再生等生命活动不可缺少的,这些基因只有发生突变时才有致癌作用,变成癌基因。这些具有引起细胞癌变潜能的基因称为原癌基因(proto-oncogenes)。原癌基因属于显性基因,等位基因中的一个发生突变,就会引起细胞癌变。正常细胞中虽然存在着原癌基因,但是原癌基因的活动受到严格的精密调控,其编码产物是细胞生长和分化所必需的,不会引起癌变。然而,当原癌基因发生了变化,产生了超出细胞活动所需要的产物,就会引起细胞癌变。原癌基因的这种变化称为原癌基因的激活。

癌症起始于一个细胞突变,而人体是由大量体细胞组成的。人的一生大约要进行10^16次细胞分裂。即使不接触致癌剂,每个基因发生自然突变的概率为10-6。可以推算出人的一生中每个基因会有10^10突变概率。由此估计,一个突变细胞中应当有许多与细胞增殖有关的基因发生突变,失去了对细胞增殖的调控能力。然而事实上,人体癌症发病率并没有预想的那样高。由此可见,一次突变并不足以将一个健康细胞转变为癌细胞。一个细胞癌变要求在一个细胞中发生几次单独的突变,它们共同作用才能诱发细胞癌变。经统计,一个细胞转化需要发生3~7次单独的随机突变。

虽然癌症起始于一个细胞突变,但是这个突变细胞的后代必须经过几次突变,才能形成癌细胞。流行病学的统计表明,癌症的发病率随年龄的增长而提高,而且是几何级数提高,癌症的发病率是年龄的3次方、4次方甚至5次方。

外部成因

化学致癌因素

这类因素是目前导致肿瘤的主要原因,其来源甚广,种类繁多。经考察和动物实验证实有致癌作用的化学物质已发现有千余种,其中与人类关系密切的化学致癌物就有数百种之多。化学物质致癌潜伏期的相对较长,对人类危害极大,它广泛存在于食物、生产作业环境、农药、医疗药品之中。人们所熟知的黄霉毒素,在花生、玉米、高粱、大米等许多粮食作物中都有沾染,它具有公认的致癌作用,有明显的致癌力,已被证实可导致肝癌的发生。广布于自然界的亚硝胺类化合物(在腌制过的鱼、肉、鸡中含量较高)和熏烤或烧焦后的食物中(尤其是高蛋白食品,如鱼、肉、蛋类)致癌物的种类和含量剧增,以及受到多环芳烃类化合物,如3,4苯并芘、二甲基苯蒽、二苯蒽等致癌物污染的空气,均会对人体产生影响,严重的会诱发并导致肺癌、鼻咽癌、食管癌、贲门癌、胃癌、肝癌、白血病、膀胱癌、大肠癌、阴囊癌、皮肤癌等。

物理致癌因素

物理致癌因素包括灼热、机械性刺激、创伤、紫外线、放射线等。值得高度重视的是,受辐射危害可以来自环境污染,也可以来自医源性。比如多次反复接受X射线照射检查或放射性核素检查可使受检人群患肿瘤机率增加,若用放射疗法治疗某些疾病,也可诱发某些肿瘤。有资料报告,在用放射性核素磷治疗红细胞增多症后,相当数量的患者经过一定的潜伏期而出现白血病。肺结核患者反复的胸透检查,可诱发乳腺癌。

系统生物学

研究生物系统组成成分的构成与相互关系的结构、动态与发生,以系统论和实验、计算方法整合研究为特征的生物学。20世纪中页贝塔朗菲定义“机体生物学”的“机体”为“整体”或“系统”概念,并阐述以开放系统论研究生物学的理论、数学模型与应用计算机方法等。系统生物学不同于以往仅仅关心个别的基因和蛋白质的分子生物学,在于研究细胞信号传导和基因调控网路、生物系统组成之间相互关系的结构和系统功能的涌现

实验方法与系统方法构成科学研究的基该方法,19世纪是实验生物学(生态、生理、遗传与医学等)范式建立,20世纪是实验生物学迅速发展和系统生物学(生态、生理、遗传与医学等)范式形成。系统科学(包括控制论、信息论)根源于生命科学,发展了计算机科学而又应用于生物科学,将开发出生物计算机。维纳与香农从动物与通讯行为的研究中提出控制论与信息论,整个系统科学根植于有机体哲学思维。系统生物学,最初开创于贝塔郎菲的一般系统理论与理论生物学,艾根的超循环理论发展了细胞、生物化学与分子层次的系统论。20世纪70年代国际召开了“系统论与生物学” (systems theory and biology) 会议,80年代召开了生物化学系统论、生物系统的计算机模型等探讨的国际会议 (第11届国际分子系统生物学会议2009 年6 月于中科院上海召开)。系统生物学的概念在20世纪中叶已经提出,合成生物学的概念提出于基因重组技术的产生,进化理论、有机分子合成可以说是最早的探索。

参考教材


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