視網膜母細胞瘤專欄

基因與遺傳表現

視網膜母細胞瘤之基因變化、遺傳表現的概論

陳建銘醫師(言爸)

前言

儘管是有醫學背景的讀者,若非對遺傳生物學或細胞生物學有涉獵者,對於這個主題可能會跟筆者一樣有模模糊糊的概念,但是細微處可能還是不懂,更不說是一般的讀者了。假使沒有相關背景知識的讀者,若是對下述的主題有名詞窒礙難懂時,請參考名詞解釋(在本文最後),希望有幫助。若文中有錯誤,請各位先進指證。

RB1基因簡介以及與視網膜母細胞瘤的關聯

目前確定形成視網膜母細胞瘤的病理機轉是 RB1 基因(Retinoblasoma gene 1)突變,導致失去部分或全部RB1的功能,因而使得視網膜母細胞瘤發生。以下先簡介RB1基因在生物體中的功能,以及缺失後可能發生的疾病:

人類細胞有46 對染色體,而RB1基因座落在地13對染色體q臂的14.1-14.2位置上。RB1基因與RB蛋白質製造有關,RB蛋白質是一種"抑癌蛋白質",是人類發現的第一種抑癌蛋白質,最早就是在視網膜母細胞瘤的病患上發現的,所以直接命名RB1基因與RB1蛋白質,假使有功能缺失,會導致數種癌症的形成。RB1蛋白質在正常細胞的主要功能是與細胞週期有關。細胞週期指的是由一個細胞分裂變成兩個細胞的過程(不論是體細胞還是生殖細胞),而細胞分裂正是維持組織或是器官功能正常的生理現象。若是RB1蛋白質失去功能,代表細胞分裂會失控,細胞失控之後會大量增生,然後就會癌化,所以說RB蛋白質是一種"抑癌蛋白質"。

家族史與視網膜母細胞瘤的關聯

被診斷出視網膜母細胞瘤的病人,約60%是只有單眼的腫瘤,大部分的單眼腫瘤都是一顆(指的是視網膜上的,而非玻璃體中因碎裂而散出去的腫瘤),其他少數是單眼但是視網膜上是多發的(不只一顆)。另外40%是雙眼的視網膜上都有腫瘤。

單眼腫瘤的病人有90%是沒有家族遺傳史的,而雙眼腫瘤的病人也只有25%是有家族遺傳史。所謂的家族遺傳史不光是指家族成員有得到視網膜母細胞瘤,也要包括在眼底鏡檢查下,這些病人家屬有視網膜結痂(retinal scar)以及良性視網膜瘤(retinoma)。

家族遺傳與視網膜母細胞瘤的關聯

一開始視網膜母細胞瘤被認為是顯性遺傳的疾病(簡化的說:單一基因缺失的疾病),因為父母中只要有一個是病患,後代只要有遺傳到這一個基因(父親或母親)就會得到視網膜母細胞瘤。但是在染色體,基因解序,被取下的視網膜母細胞瘤做基因定序以及大量臨床資料蒐集後,目前已知視網膜母細胞瘤是隱性遺傳的疾病,亦即兩條RB1基因都失去功能才會發病。

在西元1971年,Knudson嘗試解釋為什麼腫瘤部位看到是兩條RB1基因都有缺失,但是有家族史的病人其他部位的體細胞檢查(如白血球),卻只有一條RB1基因缺失,而沒有家族史的病人其它體細胞並沒有基因缺失,因此他提出 two-hit理論。

Two-hit 理論假設遺傳型與非遺傳型最主要的差別在於RB1基因突變的時間點不同。非遺傳型的病人,RB1基因突變一定是發生在人體胚胎發育成熟後,亦即突變只發生在體細胞。而遺傳型的病人比較複雜,敘述如下

有家族史的病人,其中一條有缺陷的RB1基因來自父母,一出生就已經有了。而另一條基因,則是在胚胎發育成熟後,在視網膜上發生第二次突變(體細胞突變),最終導致腫瘤發生。

沒有家族史卻有雙眼腫瘤的病人,目前認為第一次基因突變是在胚胎發育早期,在胚胎發育越早期產生突變,則全身的細胞在發育成個體後(體細胞或生殖細胞),帶有缺陷的RB1基因。但如果是在胚胎發育後期出現,會出現部分細胞是正常,部分細胞出現RB1基因突變,稱為鑲嵌是突變(Mosaic mutation)。個體出生之後,在視網膜出現第二條RB1基因突變,最後腫瘤發生。

綜合以上,遺傳型的視網膜母細胞瘤,第一條基因缺陷,要嘛從父母來的,要嘛是胚胎發育過程中出現(甚麼原因導致如此,目前不明),這是first hit,而second hit 出現在視網膜細胞(體細胞),故稱 two-hit 理論。
 
RB1基因突變的形式

一、第13對染色體q臂上14位置的地方完全消失,約佔所有病人的4%。這個區域除了RB1基因外,還有其他與生長發育有關的基因,所以臨床上病人除了會發生視網膜母細胞瘤外,還可能有語言、動作發展遲緩以及臉部發育不正常(但這些臉部的特徵與正常人比起來,相差不大)。
RB1基因大範圍缺失:這是指在顯微鏡下就可以觀察到13q14的位置有縮短,一般而言缺失的RB1基因大於100ˇ個鹼基對(BP),約占了8%的視網膜母細胞病人。這些基因缺失無固定斷點,亦即每次的缺失都不一樣。(有些基因容易有大量重複的鹼基對聚集在一起,這些地方容易形成斷點,導致基因缺失)。大範圍缺失的臨床意義代表RB1蛋白無法被製造,是不會有功能的。

RB1基因小部分缺失:相對上述,這類的基因缺失少於100個鹼基對,約佔所有病人的30%,這些小部分缺失的其中約85%是可以製造出部分功能的RB1蛋白,其它的15%無法製造出RB1蛋白。

單一鹼基突變:意思是指DNA序列上的單一鹼基被其它鹼基給取代,導致遺傳密碼亂掉,也稱點突變,約占視網膜母細胞瘤突變的50%。細胞的DNA複製機制也很聰明,有些點突變不一定造成RB1基因無法製造RB1蛋白。所以點突變也依是否製造出功能完整的蛋白而區分以下3類:

無義突變(nonsense mutation):約占點突變的70%。
錯義突變(missense mutation):約占10%。
複雜突變:亦即包含上述兩種以上的突變。

啟動子(Promotor)突變:基因是否要被啟動最後形成功能性蛋白是決定於啟動子基因,啟動子基因位於要被轉譯的基因的前段,當細胞有需要,會先活化啟動基因,之後才一連串基因-->蛋白製造的過程,因此啟動子基因突變會使得RB1基因不能被轉譯,亦即不會形成RB1蛋白。 

基因型與表現型

先解釋一下傳統的孟德爾定律,分第一法則與第二法則:

一、分離律 (Law of segregation): ‧在一生物中,決定生物一遺傳特徵的成對基因在由父或母代傳至子代時會分開,分開的基因會各自進入一個配子(gamete)中,在受精時,由父、母本所來的配子結合,而會有基因重新的組合。亦即配子只帶一個父親基因或母親基因,當受精後,受精卵各帶一個父親,一個母親基因,變成雙套成對基因。

二、獨立分配律:當不同的遺傳特徵的決定性因子(即現在所謂的不同種的基因)進入配子時,是獨立而不互相干擾的。就因為其為獨立而不互相干擾,所以每一個遺傳因子進入配子時是完全由機率來決定的。

在當時的年代,是由先觀察植物授粉後,得到基因變化與表現型,而得到上述定律。也很幸運的是,這個植物遺傳模型剛好是一個基因決定後代表現,所以大幅減少遺傳模型的複雜度。比如下圖

遺傳模型

可是生物體複雜的程度遠超過當時孟德爾定律,比如臨床表現是多基因調控、基因後修飾、或是像視網膜母細胞瘤一樣是在體細胞中第二次突變。以下介紹視網膜母細胞瘤臨床上的表現以及與RB1基因缺損之間的關係

臨床表現

這段談的是已經帶有一條缺陷基因的病人:亦即有家族遺傳史,或是已經基因檢測確定有一條基因缺陷,所以單眼而且體細胞不帶RB1基因突變者不在討論範圍內,請讀者注意。在臨床上表現會略有不同。根據 two-hit理論,在視網膜上產生第二條基因變異會因人而異,所以導致不同表現型。比如說有些病患視網膜上會有多個視網膜母細胞瘤,有些病患則可能只有一個腫瘤,或只有單眼腫瘤,最極端的甚至臨床上沒有發生視網膜母細胞瘤(也稱為不完全外顯)。基於有不完全外顯的情況發生,後來才知道說,從父母方得到的第一個基因變異也會影響臨床的表現表:

1. 如果第一條RB1基因變異會讓RB1蛋白無法製造或是製造出的蛋白沒有功能,臨床上一定是雙眼眼癌,也稱完全外顯。大範圍基因缺失,小部分的基因缺失(導致無法製造蛋白)以及無義突變,都是屬於這一類的情況。

2.如果第一條RB1基因變異會讓製造出的RB1蛋白保有部分功能,那麼臨床上的表現會有:雙眼眼癌,單眼眼癌,或是完全沒有症狀。錯義突變或是剪接缺失突變,都是屬於這類情況。

臨床的表現表

基因檢測

由上可以知道,儘管是臨床上是單眼的視網膜母細胞瘤也沒有家族遺傳史,仍然要考慮基因檢測來確定是否有遺傳基因在身體中。從臨床表現與病史可以大概推估遺傳的傾向,如下圖

遺傳的傾向

一般基因檢測都是先從周邊血液中的白血球中的DNA做基因定序檢查。白血球屬於體細胞,一但有突變代表是全身體細胞都有突變,所以會有遺傳傾向到後代。

如果雙眼眼癌病人是有家族史的情況,可以直接從血液去做基因定序,確定RB1基因有無缺失。

如果是雙眼眼癌但沒有家族史,也是先檢測周邊血液,大部分會發先帶有一條基因突變。但少部分這類病人的確發生周邊血液沒有偵測到突變,這時必須把眼腫瘤(假設已經開刀)的檢體做基因檢測(記得上述所說,視網膜母細胞瘤中一定有RB1基因突變),再把偵測到的突變再與血液偵測的結果相互比較,這時候會有兩種情況:

a. 找到一樣的突變。上述有提到,RB1基因沒有特殊固定的突變點,所以這種做了多次之後才發現的情況是有可能的。
b.找不到突變,那可能是鑲鉗性突變(有些體細胞有突變,有些則無),後代可能還是會有少部分機會遺傳到不正常的基因,所以當病患有小孩時,一定要做基因檢測。

如果是單眼病患且無家族史,建議先檢查已經被取下的視網膜母細胞瘤檢體(假如有的話),先確定突變點,之後再檢查病人的周邊血液。一般而言,這群病人約有10-15%會在周邊血液細胞找到突變(亦即會遺傳給下一代)。

名詞解釋

染色體: 西元1879年,德國生物學家華爾瑟·弗萊明(Walther Flemming)在[顯微鏡]下發現真核細胞中有所謂的染色體,意即可染色的小體,並猜測染色體與遺傳有關。西元1902年,博韋里(T·Boveri)和薩頓(W·S·Sutton)指出,染色體在細胞分裂中的行為與孟德爾的遺傳因子平行:兩者在體細胞中都成對存在,而在生殖細胞中則是單獨存在的;成對的染色體或遺傳因子在細胞減數分裂時彼此分離,進入不同的子細胞中,不同對的染色體或遺傳因子可以自由組合。因而,博韋里和薩頓認為,染色體很可能是遺傳因子的載體。染色體是由許多物質一起組成,其中最重要的是DNA(去氧核醣核酸)。

DNA(去氧核醣核酸):DNA是一種長鏈聚合物,組成單位稱為核苷酸,組成其長鏈骨架。核甘酸中含有鹼基,因鹼基不同而區分成4種不同核甘酸,英文縮寫為A、T、C、G,各代表一種核甘酸。這些鹼基互相連接形成DNA長鏈。沿著DNA長鏈所排列而成的序列,可組成遺傳密碼,每3個英文縮寫(如ATC)就形成一個遺傳密碼,這些一連串的遺傳密碼是蛋白質胺基酸序列合成的依據。不是所有的密碼都是有用的密碼,所以必須經過複雜的過程轉成可用的密碼,讀取且形成可用密碼的過程稱為轉錄,轉錄成的可用密碼形式為RNA(核糖核酸)。

染色體_0.png

RNA(核糖核酸): 每個RNA分子也是由核苷酸組成的長鏈,但核苷酸種類跟DNA略有不同,英文縮寫為A、U、C、G。RNA是具有細胞結構的生物的遺傳訊息中間載體,並參與蛋白質合成,蛋白質的合成需要核醣體的幫忙,也是每3個英文字母當作是一組密碼,對應到所謂胺基酸,之後各個胺基酸組成胜肽或是蛋白質。

核鹼基(Nucleobase):在生物學上通常簡單地稱之鹼基(base),是在DNA和RNA中,起配對作用的部分。常見的核鹼基共有5種:胞嘧啶(縮寫C)、鳥嘌呤(G)、腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T,通常為DNA專有)和尿嘧啶(U,為RNA專有)。

鹼基對(BP, Base Pair): 鹼基對是形成DNA、RNA以及編碼遺傳信息的化學結構。組成鹼基對的鹼基包括腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)。嚴格地說,鹼基對是一對相互匹配的鹼基(即A:T, G:C),它常被用來衡量DNA和RNA的長度。

Ribosome(核糖體): 由一大一小兩個亞基結合形成,核醣體是細胞內蛋白質合成的場所,能讀取RNA核苷酸序列所包含的遺傳資訊,並使之轉化為蛋白質中胺基酸的序列資訊以合成蛋白質,此過程在生物學中被稱為「轉譯」。

蛋白質(Protein): 蛋白質是一種由胺基酸分子組成的有機化合物,是地球上生物體中的必要組成成分,參與了細胞生命活動的每一個進程。酶是最常見的一類蛋白質,它們催化生物化學反應,尤其對於生物體的代謝至關重要。除了酶之外,還有許多結構性或機械性蛋白質,如肌肉中的肌動蛋白和肌球蛋白,以及細胞骨架中的微管蛋白(參與形成細胞內的支撐網路以維持細胞外形)。另外一些蛋白質則參與細胞信號傳導、免疫反應、細胞黏附和細胞周期調控等,可以說人體的表現都是蛋白質組成或調控的。

基因(gene): 是指攜帶有遺傳信息的DNA序列,基因通過指導蛋白質的合成來表達自己所攜帶的遺傳信息,從而控制生物個體的性狀表現。在人體中,人類約有兩萬至兩萬五千個基因,一般來說,生物體中的每個細胞都含有相同的基因,但並不是每個細胞中的每個基因所攜帶的遺傳信息都會被表達出來。不同部位和功能的細胞,能將遺傳信息表達出來的基因也不同。

DNA_0.png

細胞週期(cell cycle): 細胞週期通常可劃分為分裂間期和分裂期,分裂間期是物質準備和積累階段,分裂期則是細胞增殖的實施過程。整個週期表示為:G1期→S期→G2期→M期,其中分裂間期又常常可以劃分為DNA合成前期(G1,gap 1),DNA合成期(S, synthesis)和DNA合成後期(G2, gap2)。在此期間的任務主要是完成染色質中的DNA複製和相關蛋白質的合成。而分裂期通常分作分裂前期(Prophase)、前中期(Prometaphase)、中期(Metaphase)、後期(Anaphase)和末期(Telophase)5個階段,在此期間進行細胞物質的平均分配並形成兩個新的細胞。在人體中,細胞隨時會死去,也隨時分裂形成新的細胞。

癌細胞(cancer cell):細胞分裂或細胞增殖是普遍發生在許多組織的一個生理過程,通常細胞增殖和細胞凋亡會達到平衡,而且受到嚴謹地調控以保證器官和組織的完整性。DNA的突變或是經遺傳得到的缺陷基因導致這些有序的過程受到改變。隨著細胞生長複製,如同滾雪球般持續累積新突變,最終不受管制而增殖的細胞通常會轉變成惡性細胞,即癌細胞。

癌細胞.png

生殖細胞(Germ cell): 指的是性腺的細胞,它們經歷兩種細胞分裂,有絲分裂與減數分裂,繼而細胞分化為成熟的配子,即卵子或精子,而能把遺傳訊息傳到下一代。

體細胞(Somatic cell): 是相對於生殖細胞的概念。 這類細胞的遺傳信息不會像生殖細胞那樣遺傳給下一代。 高等生物的細胞大部分都是體細胞,除了精子和卵細胞以及它們的母細胞之外。 體細胞產生的突變不會對下一代產生影響。 體細胞的染色體數是經減數分裂得出的生殖細胞的兩倍。 例如在人類,體細胞是雙倍體 (具有兩套完整的染色體組 ),而精子卵子則是單倍體(具有一套完整的染色體組)。

基因突變(mutation):指細胞中的遺傳基因發生的改變。它包括單個鹼基改變所引起的[點突變],或多個鹼基的[缺失]、[重複]和[插入]。原因可以是細胞分裂時遺傳基因的複製發生錯誤、或受化學物質、基因毒性、輻射或病毒的影響。突變通常會導致細胞運作不正常或死亡,甚至可以在較高等生物中引發癌症。但同時,突變也被視為物種進化的「推動力」。

點突變(Point mutation):是突變的一種類型,會使單一個鹼基核苷酸替換成另一種核苷酸,點突變可依發生位置對基因功能的影響而作以下分類:

無義突變(nonsense mutation):使原本可製造蛋白質的密碼變成停止密碼,而使蛋白質只被製造出一小段,形成完全無用或部分有用的蛋白質。
錯義突變(missense mutation):使密碼所對應的胺基酸改變,會使製造出來的蛋白質的功能有改變,但不會完全沒有功能。
沉默突變(silent mutation):密碼改變,但對應的胺基酸不變,亦即蛋白質功能不會受損。

剪接缺失突變(in frame deletion): 是指遺失一小段密碼,但是突變的基因可以製造正常或是部分正常的蛋白。

移碼突變(frame shift mutatio/out of framedeletion): 是指遺失一小段密碼,但是突變的基因無法製造蛋白。

鑲嵌式突變(Mosaic mutation):指的是一個人卻有兩種以上細胞來源,帶有二個或更多不同的基因型。不論是體細胞或生殖細胞都有可能被包括在內。原因是因為受精卵開始分裂的過程中發生突變,在細胞部段分裂的過程中,正常的細胞會一直分裂成正常細胞,而有突變的細胞也會一直分裂。這可能會出現正常和不正常的細胞一起在同一個組織,器官或人身上的情形。

顯性遺傳:人體的染色體是成對的,也就是會有兩條相同基因位於不同染色體上。假使父母雙方有一方帶有特定基因基因的情況下,子代只要遺傳到此基因(另一基因不會影響),就會出現此基因的表達性狀。

隱性遺傳:相對於顯性遺傳,隱性遺傳指的是在遺傳過程中,某個基因的性狀並不表達出來,而有可能“隱藏”於基因內,除非來自父母雙方的基因都給子代遺傳了此基因的情況下,才會在子代身上使此隱性基因得到表達。


參考資料
1. Asian J. Exp. Sci. 2006; 20 Supplement: 81-96
2. Human Mutation 1999; 14:283-–288
3. Natue 1989; 339: 556-558
4. Nature 1989; 340: 312-313
5. http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%BB%9E%E7%AA%81%E8%AE%8A
6. http://en.wikipedia.org/wiki/Penetrance
7. http://www.wisegeek.com/what-is-somatic-mutation.htm
8. http://en.wikipedia.org/wiki/Loss_of_heterozygosity
9. http://www.beckerunited.com/info/in-frameout-of-frame/
10. DNA 複製與突變

基金會信箱:ccf168.roc@gmail.com