胃食管反流病并发Barrett食管及食管腺癌的分子生物学基础

摘要

胃食管反流病及其并发的Barrett食管、食管腺癌的发病率近年明显升高, 其发生机制尚未完全明了, 本文综合阐述了此系列疾病发生过程中相关基因变化等分子生物学基础.

关键词: N/A

N/A

N/A

Correspondence to: N/A

Received: August 10, 2002
Revised: August 20, 2002
Accepted: August 23, 2002
Published online: January 15, 2003

Abstract

N/A

Key Words: N/A

0 引言

胃食管反流病(GERD)是常见的消化道动力障碍性疾病, 其并发的Barrett食管(BE)、食管腺癌(EA)的发病率近年明显升高[1], 已引起国内外广泛重视. GERD食管炎→BE→异型增生→恶变是公认的EA发病过程, 但其确切机制目前尚未完全明了, 可能与多种基因的改变及异常表达造成食管上皮细胞增生与分化失常有关. 本文对此系列疾病发生的分子生物学基础方面的研究进展作一综述.

1 DNA含量

DNA含量即DNA倍性, 正常细胞为二倍体, 而当细胞内出现多倍体或非整倍体(即DNA含量异常)时即为细胞增生异常或恶变的表现. DNA倍性可用流式细胞仪检测, 计算机辅助图像分析病理切片亦可用来检出非整倍体的细胞, 他可根据核的大小和染色程度算出DNA含量, 并同时直接观察细胞核的形态, 从而鉴别BE与异型增生或肿瘤细胞. Montgomery et al[2]发现20例食管腺癌DNA含量全部为非整倍体, 10例BE中有2例为非整倍体DNA, 而反流性食管炎无1例为非整倍体DNA. Reid et al[3]的研究显示无并发症的反流性食管炎患者的食管黏膜倍性正常, 良性的化生Barrett黏膜即可见DNA含量异常, 而癌前性Barrett化生上皮此种改变常见得多, 非整倍体性或G₂/四倍体组分的升高是恶性变的独立危险因素. 推测BE恶变为BE中单个的异常祖细胞发生克隆扩张, 使同样非整倍体性的细胞占据黏膜的大部分.

2 染色体异常

非整倍体为含大量染色体的DNA含量总体异常, 而许多研究发现一些BE及EA有个别染色体变化, 包括Y染色体缺失或呈三倍体变化以及7号和11号染色体易位. 另有文献报道BE起源的腺癌及其周围的良性化生上皮中均可见8号染色体过多, 17号染色体缺失以及Y染色体缺失[4], 说明有些染色体异常发生于BE癌变早期.

3 细胞增生周期的调控基因

细胞增生异常是所有肿瘤组织的基本特征. 广义说来调节细胞生长、转化的诸多因子如激素、生长因子、细胞因子等都要通过调节细胞增生周期起作用. 细胞周期中各因子相互作用形成级联调控网络, 其核心是依赖于细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin dependent kinase, CDK)的活性发挥, 而CDK活性发挥又取决于其正向调节因子细胞周期蛋白及负向调节因子CDK抑制蛋白(CDK-inhibitor, CKI)的水平. 在GERD并发的BE、EA中, 这些基因的改变及表达异常研究很多.

3.1 细胞周期蛋白

细胞周期蛋白分为A、B、C、D、E五种, 在细胞周期的不同时相不同的细胞周期蛋白水平顺序性升高, 分别与相应的CDK结合形成复合物, 使细胞内多种蛋白磷酸化及去磷酸化, 从而调节DNA的合成及有丝分裂, 使细胞完成各个时相转换. 根据调控细胞周期时相的不同细胞周期蛋白分为G₁期和M期两类. 前者包括C、D、E三种, 可促进DNA合成, 在G₁/S交界处发挥作用并启动细胞周期. 其中细胞周期蛋白D研究较多, 他在G₁中期开始合成增多, 与CDK₄、CDK₆结合后作用于其底物Rb蛋白(视网膜母细胞瘤基因编码的蛋白), 后者磷酸化失活并释放转录因子E₂F, E₂F启动进入S期必需的酶蛋白基因的转录从而完成G₁至S过度. 由于其在多种肿瘤组织中过度表达, 且具有强促细胞增生的作用, 现在细胞周期蛋白 D已被看作癌基因. 细胞周期蛋白 E与CDK₂结合, 亦作用于G₁/S期, 机制尚不明了, 细胞周期蛋白C研究更少. 动物实验显示亚硝基甲基苄胺(NMBA)致大鼠食管癌变过程中, 细胞周期蛋白 D和细胞周期蛋白E的表达逐渐增强, 癌前病变及癌灶内均较正常黏膜明显为高[5] ; 对人类Barrett食管及EA的研究[6]亦发现, 46%的BE及63%的EA中细胞周期蛋白 D表达增强(基因扩增或转录增加), BE癌变过程与细胞周期蛋白 D高表达有密切关系. 说明细胞周期蛋白表达增强可能为食管癌变过程中较早期发生的分子事件. 还有研究发现BE癌变过程中细胞周期蛋白 D基因突变及重排. M期细胞周期蛋白包括A、B 两种, 在G₂/ M交界处发挥作用, 诱导细胞分裂, 与肿瘤的关系亦很密切, 但与食管炎及BE 、EA的关系研究很少.

3.2 CDK

为一类丝氨酸/苏氨酸激酶, 目前发现的主要有1-6六种, 分别与不同的细胞周期蛋白结合而起作用. 其中CDK₄ 、CDK₆及CDK₂与肿瘤的发生关系最为密切, 在一些肿瘤中出现过度表达, 但在食管疾病中的研究较少. 目前尚未发现CDK存在突变现象.

3.3 CKI

CKI通过与CDK、细胞周期蛋白或细胞周期蛋白-CDK复合物的结合而抑制CDK的活性, 根据其结构特征分为两个家族, 一类为Ink4家族, 包括p15、p16、p18、p19等, 可特异性抑制CDK₄/CDK₆的活性; 另一类为Kip家族, 包括p21、p27、p57, 可抑制各种细胞周期蛋白-CDK复合物. 两类CKI蛋白的结构和功能各自有高度相似性, 均属肿瘤抑制基因, 细述如下.

4 肿瘤抑制基因

肿瘤抑制基因的失活、缺失、突变等也为BE相关的食管腺癌发生的重要机制.

4.1 p53基因

p53基因的抗癌作用已为人们熟知, 他是最先被发现的与BE引起的肿瘤相关的肿瘤抑制基因. p53基因位于17p, 其杂合性缺失(LOH)、突变及过度表达可导致肿瘤的发生. 正常野生型p53蛋白半衰期仅20 min, 而突变型p53蛋白却延长达几小时以上, 这导致核内p53蛋白积聚. Kim et al[7]对人食管的研究显示36%的BE、30%的低度异型增生、85%的高度异型增生及90%的EA中出现p53蛋白积聚, 说明p53蛋白积聚发生于BE癌变的早期; 发现联合检测p53、PCNA(增生细胞核抗原)和C-erbB-2的表达用来诊断BE发生高度异型增生或癌的敏感性达100%, 特异性达81%, 总准确度为83%. BE、异型增生及EA中常发生p53关键的外显子如外显子5-9突变, 最常见鸟嘌呤转换为腺嘌呤, 用PCR-SSCP(聚合酶链反应-单链构象多态性分析)及DNA测序进行检测常可用于检出Barrett上皮异型增生[8]. 内镜下多点活检取食管组织并经流式细胞仪筛选后进行基因突变检测, 发现GERD并发的BE中p53突变率高达50%[9]. 动物实验亦发现食管致癌过程p53基因突变率很高. GERD并发BE及EA 过程中p53除表达异常和突变外, 杂合性缺失(17p LOH)也较常见, Gonzalez et al[10]发现EA中p53的LOH率为90%, 若先用流式细胞仪检出DNA含量异常的细胞, 再对核DNA进行检测发现17p的LOH发生率更高. Fein et al[11]对无p53基因的小鼠和正常基因型的小鼠进行食管空肠吻合术以造成胃肠内容物食管反流, 发现所有小鼠均出现反流性食管炎, 但p53基因缺失小鼠中50%发生BE及EA, 100%发生上皮异型增生, 而正常基因型小鼠无1例出现这些病变, 证实p53基因在反流性食管炎并发BE及EA的过程中起非常重要的作用.

4.2 p16基因

p16基因(MTS1、CDKN2、INK4)是1993年发现的一个比p53更直接与正常细胞癌变有关的肿瘤抑制基因, 定位于人类染色体9p21, 其缺失和突变与多种肿瘤的发生有关, 又称为多瘤抑制基因. p16蛋白能与细胞周期蛋白 D竞争结合CDK4、6而使后者失活, G₁-S期过渡取决于细胞周期蛋白 D与p16蛋白的相对活性. 研究发现食管癌中p16不表达或低水平表达. 用Southern blot法测定发现食管癌p16基因纯合性缺失发生率极高(92%), 其他研究发现食管腺癌中还可见p16基因突变及LOH, p16LOH在EA中发生率为89%[10], 但在BE及异型增生中较少见, 说明p16 LOH在BE癌变过程中较晚出现.

4.3 p21基因

p21(CIP1, WAF1)基因定位于染色体6p21.2, 启动区含有与p53及TGF-β等结合的特异序列, 可被p53诱导并介导p53的抑癌功能, 其mRNA的表达是受p53或其他外源性因子在转录水平调控的, 主要功能在于参与p53介导的DNA损伤后细胞周期抑制及损伤修复[12]. p21还可不依赖p53而广泛地抑制各种细胞周期蛋白-CDK复合物, 其C末端可与PCNA结合, 使PCNA不能与DNA聚合酶δ形成复合物, 抑制DNA复制, 从而使细胞周期停滞, 以量的方式调节细胞周期和细胞分化. Khare et al[13]用半定量RT-PCR及免疫组化的方法研究了大鼠食管癌变过程中p21的表达, 发现癌前病变中p21表达比正常上皮少1.6倍, 而乳头状瘤中减少3.1倍. 用免疫组化法研究人食管癌中p21表达发现44%有不同程度的阳性; 同时发现所有p53突变的病例p21表达均阴性, 而18例无p53突变的病例中11例有p21表达; 研究p21与肿瘤分化程度的关系发现高分化的食管癌出现p21阳性表达, 而低分化癌则p21表达阴性; p21阳性的病例凋亡细胞明显更多, 说明人食管癌中p21的表达受p53诱导, 影响癌细胞的凋亡和分化[14,15].

4.4 其他

食管腺癌中的抑癌基因变化常与食管鳞癌中所见相平行, 还包括位于染色体5q的APC基因, 13q的Rb基因及18q的DDC基因. APC(adenomatosis polyposis coli)基因的LOH在80%的EA中可观察到, Rb基因的LOH率为50%. Zhuang et al[16]研究12个手术切除的含正常食管上皮、胃食管交界上皮、Barrett上皮、异型增生及癌肿的食管标本, 发现正常组织及远离异型增生的Barrett上皮中未发现APC杂合性缺失, 与异型增生相邻的Barrett上皮以及异型增生和肿瘤中都可测定出LOH, 说明APC的 LOH是BE恶变的早期事件. Blount et al[17]研究了14例BE伴高度异型增生或腺癌的患者, 发现与同时有17p(p53)和5q(APC)LOH的细胞相邻的黏膜内可散见仅有17p等位基因缺失的细胞, 但17p等位基因完整的细胞内不出现5q杂合性缺失, 说明BE癌变过程中17p等位基因缺失先于5q发生, 这与结肠癌中5-17 p等位基因缺失的顺序相反. Rb蛋白在CDK-细胞周期蛋白复合物的作用下于细胞周期的关键点G₁/S和G₂/M而起调节作用, 他又反过来调节细胞周期蛋白和p16的转录. Rb的失活与细胞周期蛋白D激活在食管癌中可共同存在, 食管癌的分子发病机制可能涉及CDK₄/细胞周期蛋白 D1、Rb和p16负反馈调节通路的异常[18].

5 PCNA和Ki-67抗原

二者均为调节细胞周期存在于细胞核内的蛋白, 其表达与细胞的增生周期有关. PCNA为DNA聚合酶δ的附属蛋白, 在正常细胞中与细胞周期蛋白、CDK及p21组成复合物调节细胞由G1期向S期过渡, 而Ki-67则在G1/S及G2/M转换期都可检测到变化, 为BE和异型增生、EA时细胞增生的有用指标. Kim et al[7]的前瞻性研究发现PCNA在食管BE高度异型增生上皮中阳性率最高, 其次为低度异型增生, 无异型增生的BE中PCNA表达水平最低. Kimura et al[19]的研究亦表明PCNA在癌前病变BE组表达高于良性BE组, 而食管腺癌组又明显高于前两组. 正常食管复层鳞状上皮中仅基底层细胞具增生性, 正常胃黏膜的增生区限于腺体基底部, 而BE上皮的腺泡及腺管下部均有PCNA和Ki-67的表达, Ki-67阳性细胞百分率较正常胃黏膜高(33.5%对12.8%)[20], 而随BE的异型增生程度的加重, PCNA和Ki-67阳性的增生细胞逐渐向腺管上部发展以至达上皮表面.

6 癌基因

癌基因与食管癌的发生关系研究大部分是关于食管鳞状细胞癌. 在对EA的研究中, Meltzer et al[21]在mRNA水平检测癌基因c-Ha-ras发现在正常食管或BE上皮内均检测不到他的表达, 其他研究亦证实ras基因家族突变并不发生于BE及其相关的肿瘤中, 说明在结肠癌内高度表达的c-Ha-ras基因是高度组织特异性的, 癌基因在BE相关的肿瘤中作用不大. Kim et al[7]用免疫组织化学的方法检测出c-erbB-2癌基因在高度异型增生的BE内(31%)及AE中(10%)的表达; 另一研究却发现c-erbB-2蛋白过度表达仅发生在EA中(11%), 且与EA的预后差有关, 而其周围的异型增生及BE上皮内均无表达[22]. c-src, c-ras, c-jun及c-fos等在食管化生上皮及EA中的检测研究很少见.

此外, 还有许多基因的改变及表达异常亦与GERD发生化生及恶变有关, 如表皮生长因子及其受体表达的增多, 转化生长因子的过度表达[23], 细胞黏附分子(如E-钙黏蛋白)表达的减少或缺失也可确定BE处于向肿瘤进展的危险阶段. 目前EA预后很差, 5年生存率低于15%, 手术后平均生存期少于2年, 但经监测发现的较早期EA预后明显改善, 治愈率可达80%-100%[23], 5a生存率达65%-80%. 故应对高危的GERD 、BE患者, 尤伴异型增生者进行监测, 分子生物学指标监测及辅助诊断因其简便、痛苦少、易重复等优点具有广泛前景. 亦可据此研究抗癌的生物化学治疗.

总之, GERD并发BE、EA是多基因改变及表达异常的综合结果. 分子水平研究对BE、异型增生及EA的早期准确的发现、监测、治疗及预后判断均有重要意义.

备注

编辑: N/A

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