我们已经从病毒原癌基因的发现出发，一步一步地讨论了癌细胞的诱导、人癌基因结构变异的鉴定、基因突变致癌的临床检验、不同癌基因之间的功能互补，以及化学物诱发实验动物肿瘤的分子水平鉴定等涉及肿瘤分子遗传学的萌芽和发展的标志性科学事件。然而，要人们接受癌基因突变有可能导致恶性肿瘤的假说，还需要阐明癌基因及其编码的蛋白质在癌症发生和发展中的作用。我们将以Ras为例来讨论癌基因在细胞和分子水平上的作用。
Ras基因最初是通过逆转录病毒的转化实验，从Harvey和Kirsten这两个大鼠品株的肉瘤病毒中分离和克隆的，分别被定名为v-H-ras和v-K--ras。1982年，温伯格证实人膀胱癌细胞中发生了点突变的Ras基因能导致小鼠NIH3T3细胞发生恶性转化。
人的Ras基因有三种，即H-Ras、K-Ras和N-Ras，它们均编码包含188～189个氨基酸残基、分子量为21 000的Ras-p21蛋白，定位于细胞质膜内侧。Ras蛋白具有结合鸟嘌呤核苷酸（GDP和GTP）的活性，当Ras结合GTP时，Ras-p21蛋白处于活性状态，当Ras结合GDP时，Ras-p21蛋白处于非活性状态。Ras-GTP（Ras-三磷酸鸟苷）和Ras-GDP（Ras-二磷酸鸟苷）各呈现特定的分子构象，只有Ras-GTP能激活下游信号转导的效应分子。Ras蛋白自身还具有GTP酶活性，能将GTP水解为GDP，因此对Ras-GTP和Ras-GDP之间的动态平衡有一定的调节功能。
细胞的原癌基因Ras相关的信号通路起始于细胞外生长因子与细胞表面受体的结合导致受体复合体的激活，这个复合体包括连接分子GRB2（生长因子受体结合蛋白2）、gab（GRB2结合蛋白）、SHC（含SH2结构域的蛋白质）和SHP2（含SH2结构域的蛋白酪氨酸磷酸酶）。受体连接分子复合体能提供借催化Ras的核苷酸交换来增加Ras-GTP水平的鸟嘌、呤核苷酸交换因子SOS 1。而GAP（三磷酸鸟苷-酶激活蛋白）和NF 1（神经纤维瘤蛋白1）与Ras-GTP的结合加速了Ras-GTP向Ras-GDP的转换，增加Ras-GDP的水平，减弱Ras-GTP相关的信号转导。这些分子形成了Ras-GTP/Ras-G DP之间的动态平衡调节环路。图8-10就是依据原癌基因Ras及其相关的信号通路中的关键分子发生突变所造成的发育异常或导致癌症而绘制的Ras相关的信号通路及其生物学效应示意图。
图8-10着重框出了若干Ras-GTP的关键效应分子的信号通路。例如，RAFMAPK-MEK-ERK信号级联通路，通过Ras-GTP激活的下游靶分子丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的RAF家族（含BRAF、ARAF和RAF 1）成员BRAF→细胞分裂素激活蛋白激酶（MAPK）→细胞外信号调节性激酶的激酶（MEK）→→细胞外信号调节性激酶（ERK）这一级联反应，会促进与DNA复制相关的一系列基因的转录，从而直接调控细胞的增殖，这条级联反应的调控异常可能会导致癌症或发育紊乱。又如，PI-3K-Akt信号级联通路，通过Ras-GTP直接结合并激活的磷酸肌醇3-激酶（PI-3K）→3-磷酸肌醇依赖的蛋白激酶（PDK 1）→丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（Akt）信号通路通常会降低对细胞凋亡信号的敏感性，使细胞处于成活状态。这是最重要也是了解最为清楚的两条信号通路。再如，RalGDP解离作用刺激蛋白（RALGDS）、RALGDS样基因（RGL），以及RGL2，都是Ras相关性GTP结合蛋白Ral的鸟嘌呤核苷r交换因子，Ral的下游效应分子磷脂酶D（PLD）是调节细胞内囊泡运输网络的一种酶。此外，T淋巴瘤侵袭转移因子1（TIAM1）则是GTP结合蛋白Rac的交换因子，Rac能动态调节肌动蛋白，也就影响了细胞骨架的重组，以及转录因子NF-κB的活化，促进抗凋亡蛋白的合成，从而抑制细胞凋亡延长细胞寿命。Ras-GTP结合并激活的另一类下游靶分子是磷脂酶C（PLC）和蛋白激酶C（PKC）家族。磷脂酶C的水解产物可参与对钙离子相关信号通路的调节。
图8-10 Ras相关的信号通路及其生物学效应示意（改自S.Schubbert）
正是因为Ras-p21蛋白与涉及细胞增殖与分化、存活与凋亡，以及细胞骨架和细胞内囊膜运输系统的形成等重要结构和代谢功能的调控，一旦它因突变或表观遗传修饰异常而持续处于与GTP结合的活化状态则可能引起细胞异常增殖，甚至诱导细胞发生恶性转化和肿瘤形成。已经在膀胱癌、乳腺癌、结肠癌、肾癌、肝癌、肺癌、胰腺癌、胃癌及造血系统肿瘤中检测到Ras基因的异常。大量临床研究表明，至少有30%的人肿瘤与Ras-GTP相关的信号通路异常而又持续的激活存在某种有规律性关联。
染色体易位等染色体畸变也可能使癌基因在另外的调控系统作用下出现异常激活，甚至完全新的功能。最早发现也是了解得最为清楚的一个例子是1958年在慢性髓细胞性白血病患者血液病理检查时发现的一种新的小染色体，1978年证实这个新染色体是9号染色体和22号染色体之间交互易位的产物。由于这个染色体是在美国费城儿童医院发现的，所以命名为费城染色体（Philadelphia choomosome）。由此造成9号染色体上的断裂集簇区（break cluster region，BCR）的部分序列和22号染色体上的原癌基因ABL-1的部分序列愈合形成的融合基因获得了酪氨酸激酶活性，具有激活下游与细胞增殖相关的能力，甚至导致细胞的恶性转化。图8-11既比较了慢性髓细胞性白血病患者白细胞和正常白细胞的差异，也显示了9号染色体与22号染色体相互易位生成费城染色体和融合基因bcrabl的机制。图8-11a显示了慢性髓细胞白血病患者的白细胞与正常白细胞的细胞病理比较，图8-1lb是染色体9/22易位及费城染色体生成过程示意图，图8-11c列出不同染色体断裂点（图中箭头所示）和愈合点（图中红色和蓝色拼接处）产生不尽相同的费城染色体和融合基因。这几个实例说明不同的染色体断裂和愈合点可以造成不完全相同的费城染色体和bcr-abl融合基因，由此转录的mRNA长度也不同，所编码的蛋白质的分子量和生物学活性也就不尽相同，造成的疾病的严重程度和发病的病理机制也可能不一样。研究还提示，多种诱变剂和致癌化合物，以及X射线、γ射线和来源于地球大气层的中子辐射等环境因素在白血病发生发展进程中起着不可忽视的作用，流行病学观察还提示癌症风险的高低可能取决于暴露电离辐射时的年龄。
造成细胞原癌基因激活途径是多种多样的，图8-12显示了常见的如基因突变、基因扩增、染色体易位、DNA重排和外源DNA片段插入等几种类型。除此之外，多种表观遗传修饰异常也会激活原癌基因，我们将在有关表观遗传与癌变的章节中详细讨论。
图8-11 染色体断裂和重组生成的费城染色体及其携带的具有促细胞增殖的融合基因bcr-ab/的可能机制（改自Y.Lim等）
图8-12 原癌基因被激活的多种途径（引自Pearson Education Inc.）
如果我们把视野从单个ras基因的功能相关信号通路扩展到与肿瘤发生和发展的整个调控网络，那么就必然涉及若干个癌基因相关信号通路之间的关系。大半个世纪以前，劳斯等在研究病毒诱发的家兔乳头状瘤时就曾提出：“致瘤是个一步一步越变越坏的过程。” 1944年，劳斯等又把癌变过程划分为启动（ initiation）和促进（promotion）两个阶段。此后，班恩布鲁（I.Benenblum）把致癌的两阶段学说大大推进了一步，他把化学致癌物区分为启动剂（initiator）和促进剂（promoter），前者以多环芳烃为例，后者以巴豆油为例。他认为启动剂造成了某种不可逆的、可遗传的、但表型改变不大的突变，而促进剂引起的变化最初是可逆的，随之也会使细胞发生不可逆的遗传变化，导致恶性转化过程的发展和加剧。
在人肿瘤的实验病理学研究基础上，福尔兹（L.Foulds）陆续提出了一些肿瘤演变发展的基本原则。他指出肿瘤的恶性发展在时间和空间上是不连续的，致癌的各阶段是有质的区别的。癌的表型由许多“单位性状”组成，这些单位性状包括对生长因子或激素的依赖性，癌细胞的侵袭性和转移性等。其中某些性状则要在癌变充分发展后才会表现，有时甚至会出现诸如药物抗性这样全新的性状。福尔兹认识到这并不是由最初的遗传变异所决定的，而是在恶变过程中新的突变不断产生，加上肿瘤在发展演化中的选择作用，造成肿瘤相关突变逐渐积累的结果。他在1969年发表的代表作中写过这样一段话：“肿瘤的行为取决于多种多样的因素，这些因素在很大程度上是独立变化的，是一些影响肿瘤发展的自变数，但它们能相互组合，匹配补充，而又倾向于独立发展。”福尔兹的概念十分妥帖，并能在分子水平上对这个概念进行分析。然而，把这些概念和有关癌基因的研究联系起来，必然会产生这样一个问题：细胞恶变中的具体“单位性状”是不是由特定的癌基因决定的？也就是说，在癌变发展的各个阶段中，各个癌基因是怎样通过功能协同而导致正常细胞恶性转化的？
关于癌基因在功能上的相互关系，目前有两种代表性的看法：一种是“调节级联反应”假设；另一种是“网状调控”假设。
前面已经介绍了正常的c-ras基因的产物能接受外来的生长信号，并进而将这种信号传递给信息流的下一个效应靶分子。在发生了恶性转化的细胞中，激活的ras基因及其产物会在没有接受任何外来生长信号的情况下，“自动”向某个靶位传递信息而致使失控。这种看法的核心是一系列活化的癌基因扰乱了细胞外源生长信号的产生、接受、传递和效应系统的正常调节功能，导致细胞的恶性转化和异常生长。反过来讲，未活化的正常癌基因编码的蛋白质可能是某种生长激素，也可能是细胞表面受体，还可能是专司信息传递的某种信息载体蛋白，这些原癌基因的蛋白产物组成了一个使生长信号逐级放大的“调节级联反应（regulatory cascades）”，支持这种看法的实验证据很多。
早在1983年，就有两个实验室用不同的分析方法研究了类人猿病毒癌基因v-sis，发现它和寄主细胞的血小板源生长因素（platelet derivedgrowth factor，PDGF）的结构基因是同源的。还有人发现人骨肉瘤和胶母细胞瘤会分泌PDGF样的多肽。另一个有趣的实验是从禽类成红细胞增多症病毒（AEV）分离到的癌基因v-erbB所编码的蛋白质p65是细胞质膜上的一种糖蛋白，而糖蛋白往往作为各种信息载体分子的受体而起着重要的调节功能。生物信息学研究还表明，ras基因（包括Ha-ras、Ki-ras和N-ras）编码的p21蛋白的部分氨基酸序列和牛线粒体中的质子转移酶H＋-ATP酶的β亚基的氨基酸序列极为相似。活化的ras基因，如EJ--onc，则能造成细胞质膜电位的改变。当时还发现p21是细胞质膜上的一种能够产生电子的GTP酶，它的构型的改变可能会改变细胞质膜两侧的化学电位，导致与癌变有关的多向效应。
另外，美国和德国的科学家多次证实PDGF可诱导原癌基因c-fos（与小鼠FBJ骨肉瘤病毒癌基因v-fos同源）的表达，而c-fos的表达又可诱导c-myc的表达。前面已经讲过PDGF和原癌基因c-sis编码的蛋白质结构相似。把这些研究结果联系起来，构成了PDGF（c-sis）激活c -fos，c-fos再激活下游的信号分子c-myc。推测这条信号通路的存在似乎佐证了调控级联反应假设。
然而，提出网状调控假设的人认为，已识别的20多种癌基因所编码的蛋白质是多种多样的，有的是位于细胞质膜上的蛋白激酶（如src、abl、ras等编码的蛋白质），有的是与DNA结合的核内蛋白（如myc、myb、fos等编码的蛋白质），有的是在质膜上游动的糖蛋白（如erbB编码的蛋白质），还有些是功能尚未弄清的，也许作用方式也更为复杂多样的蛋白质。这些说明，致癌的途径可以是多种多样的。可以设想有一个调节控制细胞生长和分裂的调控网络，覆盖和联络了从细胞核的中心一直到细胞膜的许多调控网点。如果这个调控网络的任何一个节点或几个节点发生异常或失去平衡，将会导致细胞的恶性生长。各种各样原癌基因呈现的多姿多态的功能，也许正是这个调控网络的组分的某些反映。图8-13只是与癌变相关的部分信号通路的一种示意图。深入研究癌基因及其所编码的蛋白质使我们有可能去揭示这个细胞生长调控网络的结构与功能。
与调控小瀑布假设不同，网络假设认为在正常的生长和发育条件下，所有的原癌基因都是表达其功能的，只有当原癌基因表达产物的量（超量表达）或质（结构异常）发生了会导致细胞恶性转化的变化时，细胞才会进入致癌的“轨道”。
图8-13 癌变相关的部分信号通路的示意（引自lookfordiagnosis.com网）
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