癌の誕生と遺伝子異常
がん、癌、癌腫、肉腫、これらの意味
は?
腫瘍=新生物=自律増殖する細胞の塊
(悪性新生物) 悪性腫瘍
(がん)
(良性新生物) 良性腫瘍
癌腫 (癌)
上皮由来
肉腫 非上皮由来
腫瘍に関連する言葉の意味
腫瘍には、良性腫瘍と悪性腫瘍があり、悪性腫瘍が一般的な「がん」に相当す
る。がんの中には、上皮由来の癌腫(癌)と非上皮由来の肉腫が含まれる。
新生物 / 腫瘍の定義
1.腫瘍とは細胞が自律的に過剰に増殖してできた組織の塊であ る。
2.原則として単一の細胞に由来する。(単クローン性)
正常細胞は、外からの刺激(増殖因子)に反応して、増殖刺激
がある時のみ増殖する。
正常細胞の新陳代謝
角質層にある古くなった細胞は垢 となって落ちていく。代わって新 しい細胞が誕生する。
新しい細胞の誕生を刺激するもの は何か?
肌の新陳代謝
10 歳代では、約 20 日周期、
20 歳代では、約 28 日周期、
30 歳代では、約 40 日周期、
40 歳代では、約 55 日周期、
50 歳代では、約 75 日周期、
60 歳代では、なんと約 100 日という周 期
筋肉や肝臓などでは 60 日周期 胃腸では 5 日周期
というように、新しい細胞に置き換わっ
ていっている。
細胞の増殖機構
正常細胞の増殖は以下のように調 節される。
1.細胞外からの増殖因子の受容 体
への結合
2.受容体の活性化(自己リン酸 化)
3.アダプター分子を介してシグ ナル
伝達分子の活性化
4.次のシグナル伝達分子のリン 酸
化による活性化
5.増殖シグナル伝達分子の核内 移
行
6.増殖関連蛋白の転写因子活性
化
自律性増殖とは何か?
正常細胞は,細胞周囲環境下の増殖制御機構(増殖 シグナルと増殖停止シグナルを伝えるサイトカイン など)の制御下にあるが,腫瘍細胞は制御機構から 逸脱し,自律して増殖できるようになる。
正常細胞では、死んでいく細胞を補う
ために、増殖因子が産生される。増殖
因子がレセプターに結合すると、細胞
の増殖を刺激する。
自律的増殖とはどういう意味か?
正常細胞では、細胞外の増殖因子が受容体に結合するときだけ、
増殖シグナルが核にまで伝わる。その結果、増殖因子が受容体に 結合したときだけ増殖する。
がん細胞では、増殖因子が受容体に結合するところから、核まで
シグナルを伝えるタンパクのどれかに遺伝子変異が入って、上か
ら伝わる活性化するシグナルがなくても活性化しているタンパク
ができてしまう。その結果、増殖が止まることがない。
腫瘍の特徴は、増殖のブレーキがないことにある。
1.増殖スピードが速いわけではない。
(むしろ血球細胞などに比べると遅い)
2.不老不死ではない。
(がん細胞でも老化して死亡する細胞もあ る) 3.分化する能力を失ってはいない。
(同じ胃癌でも分化型もあれば、未分化型も
ある)
単クローン性の増殖とは何か?
母親( XX ) 父親( XY )
女子( XX )
XX のモザイク X
不活化 X
X
不活化 X
図37.腫瘍の単クローン性増殖の証明
女性の細胞では父由来の X 染色体と母由 来の X 染色体のどちらかのみが働き、も う一方は不活化されている。そのために 体の細胞はモザイク状になっている
モザイク状の体の中にモザイクで ない細胞集団があれば、その集団 は単一の細胞由来と考えられる。
腫瘍
他に一個からスタートしている証拠は?
1.成人 T 細胞性白血病( ATL )の原因ウイルスである HTLV-1 は DNA の中に組み込まれるが、同じ人の ATL 細胞 では同じ場所に入っている。
2.多発性骨髄腫では免疫グロブリンを作る形質細胞系の細
胞ががん化しているため、免疫グロブリンを作る。同じ人の
骨髄腫細胞では同じ免疫グロブリンで、結合する抗原も同じ
ものである。
なぜ一個からスタートすることが重要なのか?
免疫能を失っているマウスに人の細胞を注射すると、腫瘍を 作ってきますが、一個入れて腫瘍を作ることはありません。だ いたい1万個から10万個も入れます。
一個からできるとは考えにくかったため、そして腫瘍内でも分 化度の違う多彩な細胞からできている腫瘍もあるため、昔はが ん化が多数の細胞に怒っていると考えられていた。
一個からスタートして臨床的ながんにまで至る確率は相当低い
。
つまり、臨床的がんになるまでには、途中の幾つものハードル を乗り越える必要がある。
臨床的ガンになるまでには時間がかかる?
一個のがん細胞が誕生してからどれくらいで臨床的がんになる?
がんはどれくらいかかって大きくなるのか?
10
1210
910
61g: 最小臨床検出可能体積 1kg: 致死体積
1個の細胞か らスタートし ておよそ 30 回 以上の分裂を 繰り返して、
初めて検出可 能となる。
10 億個 検出可能と なってから およそ 10 回 分裂すると 致死的なサ イズとなる
。
1 兆個
10
910
1210
610 年
臨床検出可能体積に達するまで に 10 年以上の年月が要する。
1cm
最初の1個のがん細胞
10年以上かかるという証拠は?
図32.広島原爆被爆後のがん発生経過
− ヒトでのがん発生の時間経過を見た実例 −
原爆放射線による人体への影響
(09-02-03-10)
より引用http://www.rist.or.jp/atomica/data/dat_detail.php?Title_Key=09-02-03-10
原子力百科事典(ATOMICA
)高度情報科学技術研究機構(RIST
)被曝後2 - 3年後から白血病が増加しはじめ、固形がんは10年目頃から増加し始めた
。
図33 . 膵癌の進展モデル
浸潤性膵癌 正
常 粘 膜
PanIN-1A PanIN-1B PanIN-2 PanIN-3
がん細胞の誕生
転移
浸潤能 獲得 転移能 獲得
死亡
11.7 年 6.8 年 2.7 年
原因についてどこまで明らかになったのか。小林正伸、
THE GI FOREFRONT
、6月 号、2013
年より改変
誕生するがん細胞のうち選ばれたエ
リートのみが臨床的がんにまで到達し ている。
(1 /1000 とか1 /10000 とかの確率 か?)
1個から10 9 個までに増える10年以 上の間には、いろいろな攻撃(免疫担 当細胞も含む)を乗り越えてきている
。
がん細胞ができるメカニズムは何 か?
がん遺伝子って何?
A)
B) がんウイルス
ウイルスゲノム
殻タンパク
正常細胞 がん細胞
がん遺伝子?
がんウイルスを振り掛けると細胞ががん化する。がんウイルスにはがん化をひきおこす遺伝子があるに違 いない。→がんウイルスの遺伝子から原因遺伝子がとられた。→まさにがん遺伝子
1911 ラ ウ ス 肉 腫 ウ イ ル ス の 発 見
1914 藤 浪 肉 腫 の 発 見
マ ウ ス 白 血 病 ウ イ ル ス の 発 見
1951
白 血 病 ウ イ ル ス か ら 逆 転 写 酵 素 の 発 見
1970 1976
S rc
が ん 遺 伝 子 が 細 胞 由 来 で あ る と 証 明
1982
H -ra s
原 が ん 遺 伝 子 が 膀 胱 が ん の 原 因 R o u s 1
9 6 6 年 ノ ー ベ ル 賞
Te m in , B a lt im o re
1 9 7 5 年 ノ ー ベ ル 賞
B is h o p V a rm o u s
1 9 8 9 年 ノ ー ベ ル 賞
図34.がんウイルスとがん遺伝子、がん原遺伝子
1970 年代のがん遺伝子が発見される前の時代には、
マウスなどの動物のがん化は、ほとんどウイルスに よって起こると考えられていた。
また自然発生するがんも内在ウイルスの活性化による と考えられていた。
ただヒトではがんウイルスが見つかっておらず、自然 発生するヒトのがんの原因は、がんウイルスとは別物 と考えられていた。
がんの原因に関する研究は2つの方向から進められた。
一つはがんウイルスの原因遺伝子の探索、もう一つは
ヒトのガンの原因遺伝子の探索であった。
がん遺伝子の発見=がんウイルスのがん化に 責任のある遺 伝子の発見
当時、細胞内には内在するウイルスが隠れているとする「内在ウ イルス仮説」が信じられており、「その内在ウイルスががん遺伝 子を持っているのではないか」とする仮説が信じられていた。そ こで、がん遺伝子を発見したグループは、正常細胞にもがん遺伝 子があるはずだと考えた。
がんウイルスにあったがん遺伝子が、全く同じではないが、正常 細胞にもあったことを見つけてしまった。
正常細胞にある「がん遺伝子」様の遺伝子は内在 ウイルスなのか?
がん遺伝子という言葉の発祥
√ √
√ √ 細胞のがん遺伝子
ウイルスのがん遺伝子
√ √ 内在ウイルス内
に存在するがん 遺伝子
ウイルスがん遺伝子と原がん遺伝子
A
B
C
正常細胞に見つかったがん遺伝子様の遺伝子は、 A にあるよ
うに、飛び飛びに存在していた。もし、内在ウイルス中にが
ん遺伝子があるとすれば、 C のように存在する。
がんウイルスとは、がん細胞に感染してがん細胞にあっ た遺伝子変異をウイルス遺伝子内に取り込んだウイルス であり、このウイルスの方が遺伝子変異を持っていない ウイルスと比べて感染すると細胞ががん化して細胞が増 加するため、ウイルスも増加しやすいという優位性が あった。そのためにがんウイルスが選択されてきたと考 えられる。
では、正常細胞にあったがん遺伝子と似ている遺伝子は 何をしていたのか?実は、増殖因子、増殖因子受容体、
シグナル伝達分子などのタンパクを作る遺伝子であった
。
がんウイルスによるがん化も、自然発生するがん化も、
正常細胞に存在する原がん遺伝子の変異による。
ヒトの原因遺伝子の探索もがんウイルスの原因遺伝子 の探索に遅れたが、6年後に発見された。
しかし、期待に反してがんウイルスに見つかっていた
ras 遺伝子であった。
原がん遺伝子の活性化
活性化のメカニズムは?
がん遺伝子の誕生(原がん遺伝子の活性化)
正常
GAT-GTT-GCC-GCC-AGG-
な遺伝子点突然変異
GAT-GTT-GCC-TCC-AGG-
正常タンパク
異常タンパク
A. 点突然変異
myc 遺伝子
myc 遺伝子の増幅
B. 遺伝子の増幅
myc タンパク
myc タンパクの増産
C. 融合タンパク
9番染色体 22番染色体
9番染色体 22番染色体
abl
bcr
bcr/abl
融合遺伝子bcr/abl
融合タンパク
原がん遺伝子は何をしているのか?
どんな遺伝子が傷つくとがん遺伝子になるのか?
「がん遺伝子」という言葉が、がんの原因遺伝子として作られ、
その後正常細胞にそのもととなる遺伝子があったので、それを原 がん遺伝子と呼んでいる。
むしろ、「遺伝子のうちの傷つくと含意電子としてがん化に寄与
する遺伝子があった。」と考えるべきで、そうした遺伝子の変異
によってがん化した細胞に感染して変異遺伝子を取込んだウイル
スが「がん遺伝子」を持ったがんウイルスとなった
表4.原がん遺伝子
機能別分類 原がん遺伝子 働き
増殖因子 sis 血小板由来増殖因子
int-2 線維芽細胞増殖因子
受容体型チロシンキナーゼ fms MCSF 受容体
her2 EGF 受容体
met HGF 受容体
非受容体型チロシンキナーゼ src シグナル伝達分子 abl
セリンスレオニンキナーゼ raf シグナル伝達分子
GTP 結合蛋白 ras シグナル伝達分子
核蛋白 myc 転写因子
myb
図37. PDGF シグナル伝達経路と原がん遺伝子
STAT3 STAT3
Grb2 Grb2 Ras Ras PI3K
PI3K
SOS SOS
MAPK MAPK
核
PDGFR PDGFR
P P
RAF RAF PDK-1
PDK-1 AKT AKT JA K
JA K
PDGF (c-Sis)
2量体化
相互のリン酸化
PLC-
PIP2 PIP2
{Ca++}
赤字で示したシグナル伝達分子として原がん遺伝子由来タンパクが働いてお り、変異などの機構を介してがん化を起こすがん遺伝子となりうる分子であ る。
P リン酸基
活性化
核内移動
つまり、細胞の増殖に関与するタンパクをコードする遺伝 子に変異が入ると、「常に活性化したタンパクができる」
というメカニズムこそががん化メカニズム。
がんでは、常時増殖へのアクセルがオンになって いる。
アクセルが常にオンになるメカニズム
は?
PDGF (sis) 正常 PDGF 受容体
正常細胞 がん細胞
がん細胞では増殖因子の刺激が無く ても、変異 PDGF 受容体は活性化し て常にスイッチオンになる。その結 果、常時増殖シグナルが核内に伝わ る。
Ras Ras
RAF RAF
MAPK MAPK
変異 PDGF 受容体
Ras Ras
RAF RAF
MAPK MAPK Ras Ras
RAF RAF
MAPK MAPK
正常細胞では、 PDGF が受容体に結 合すると立体構造が変化して活性化 し、下流のシグナル経路が活性化し て、増殖シグナルが核内に伝わる。
図38.増殖シグナルが常にスイッチオンになるメカニズム
活性化
PDGF 受容体
常時活性化
PDGF 受容体
がん化はがん遺伝子の誕生がアクセルとなる
ほかにがん化のメカニズムはあるのか?
がん細胞
+
正常細胞 正解は正解は 正常細胞がん細胞
正常細胞
?
欠損 2つともに欠損
(A) がん細胞と正常細胞の融合
(B) がん抑制遺伝子の不活化によるがん化
がん抑制遺伝子の可能性
正常細胞 正常細胞 がん細胞
がん細胞と正常細胞を癒合すると、がん細胞側の がん遺伝子が働いて、がん細胞になると考えられ ていた。
しかし結果は、意外にも正常細胞になってしまっ た。
正常細胞にはがん化にブレーキをかけて、アクセ ルを踏んでもがん化しないタンパクがあるに違い ないと考えられた。
( B )はクヌードソンの two hit theory
1986 年に最初のがん抑制遺伝子 Rb が見つかっ た。その後 p53 もがん抑制遺伝子であることが 分かった。 P53 遺伝子の変異・欠失は約半分の がんに認められることが分かった。
がん抑制遺伝子の本来の働きは?
ストレス
DNA 損傷
低酸素
細胞質
核 p53
P53 標的遺伝子
p21 p21 GADD45 GADD45 14-3-3 14-3-3
Cdk2 Cdk2
Cdc2 Cdc2
S 期
M 期
遺伝子修復可能な場合 細胞周期停止
Bax Bax Apaf1 Apaf1
遺伝子修復不可能な場合 アポトーシス
Apaf1 Apaf1 CytC CytC
caspase9 caspase9
図40. P53 の働き
表 5 .がん抑制遺伝子
癌抑制遺伝子 遺伝性癌 非遺伝性癌 機能
Rb 家族性網膜芽細胞種 骨肉種 , 肺癌など 転写制御
P53 Li-Ffraumeni 症候群 大腸癌 , 肺癌など 転写制御
P16 家族性悪性黒色腫 食道癌など 細胞周期制御
APC 家族性大腸ポリポーシス 大腸癌 , 胃癌など タンパク分解 vHL
von Hippel lindau 病 腎臓癌 ユビキチン化
BRACA1 家族性乳癌 乳癌 DNA 修復
BRACA2 家族性乳癌 乳癌 DNA 修復
娘細胞 細胞分裂
正常細胞 正常細胞
P53 標的タンパク DNA 損傷
がん細胞 がん細胞 DNA 損傷
DNA 損傷
p21 p21
細胞周期停止 と遺伝子修復 アポトーシス or
Bax Bax
細胞周期は停止せず
、 分裂した細胞に DNA 損傷は蓄積する。
図41. P53 の異常がもたらすがん細胞の変化
p53
図42.がん遺伝子の協同作用
myc +ras
ラット胚線維芽細胞 に myc+ras を導入し たところ、形質転換 した細胞のフォーカ ス形成を認めた。
myc
ラット胚線維芽細胞 に myc を導入したと ころ、形質転換した 細胞のフォーカス形 成を認めなかった。
ras
ラット胚線維芽細胞 に ras を単独で導入 しても、形質転換し た細胞のフォーカス 形成を認めなかった
。
フォーカス:がん細胞に転換すると、接触阻止がおこらずに盛り上がるように増殖が継続し、最終的には細胞 の塊を形成する。細胞の塊の部分は周囲の1列の細胞シートに比べて黒く見えるため、数を数えることができ る。この塊をフォーカスと呼んでいる。