癌症生物学系列：肿瘤的发生发展

1 前言

恶性肿瘤的形成是一个很复杂的过程，一般需要经过几十年的时间。正常个体的组织细胞通过演化并逐步发展成具有恶性表型的肿瘤，这一过程称为肿瘤进展。肿瘤可以发生在正常人体各种组织中，并随着机体年龄的增长发病率增加。只有在很少数的情况下，癌变的细胞才会进展为临床上可见的占位性病变的肿瘤组织。

肿瘤进展是由于DNA序列序贯发生了随机突变累积和表观遗传学改变，从而影响了基因调控网络相关的细胞增殖、生存，以及与恶性表型相关的其他性状。这一复杂的过程反映了进化过程的另一功能，即在正常细胞和肿瘤细胞之间建立了一系列的屏障。因此，肿瘤进展过程中所完成的每一步都可以看作是癌前细胞克隆性生长的障碍屏障被破坏的过程。

2 癌症的发生需要时间积累

流行病学调查显示，年龄是癌症发病的一个重要因素。在美国，70岁的男性死于结肠癌的风险比10岁儿童高出大约1000倍。这一事实告诉我们，包括这一类型癌症在内的许多其他常见癌症同样需要经过几年或几十年的发生与发展。

流行病学从另一个角度给我们提供了多阶段致瘤的重要证据。当我们观察人间皮瘤和小鼠皮肤癌的发生频率时，可以发现这些肿瘤的形成需要反复暴露与致癌物，持续很长一段时间才能发生肿瘤，并且暴露的持续时间决定了疾病的周期。下图可以看出是致癌刺激的暴露累积，而不是暴露开始的年龄决定了发生可检测到的肿瘤的可能性。

此外，从不同上皮组织中的肿瘤发生过程的组织病理学来看，从正常发展到具有侵袭性的这种演化过程精确地描述了肿瘤发展的实际情况。

3 肿瘤进展不断累积遗传学变化

科学家们在20世纪80年代的研究发现，随着结肠组织从正常至高度癌变进展的过程中，这一系列组织中的上皮细胞会不断积累越来越多的包括癌基因和抑癌基因的突变。  

将不同阶段的结肠癌组织样品的DNA提取后，进行杂合性缺失分析。一般来说，患者正常组织细胞中每条染色体臂上杂合性缺失形式都可以反映一个或多个遗传学特性。随着肿瘤的进展，结肠上皮细胞染色体臂上杂合性缺失数量逐渐增加。

研究发现，早期腺瘤就已经表现出5号染色体长臂的杂合性缺失。而对于体积稍大的腺瘤，几乎50%会另外携带突变的K-ras癌基因。而在体积更大的腺瘤中，18号染色体长臂倾向于发生高频率的杂合性缺失。几乎一半的结肠癌会在此基础上发生17号染色体短臂的杂合性缺失。

4 肿瘤发生与达尔文进化论

对于肿瘤进展来说，进化单元是细胞群体中互相竞争的个体细胞，而不是种群中互相竞争的生物个体。正如现代达尔文进化论所描述的一样，随机突变在细胞群体中产生了遗传多样性。一旦产生遗传异质性群体，那些恰好由突变等位基因赋予的特征，尤其是那些利于细胞在活体组织微环境内生长的特征就会在选择压力下使细胞获得优势生长。

把达尔文进化论与肿瘤进展多步骤理论结合起来，研究者就能够把肿瘤发生过程描述为一个序贯的克隆扩增过程。这一理论的逻辑为：随机突变能产生具有优势生长和生存能力的细胞，继而这一细胞和它的子代细胞能够比它们周围的细胞更高效地增殖，最终产生一个大的克隆细胞群，从而成为肿瘤组织的主要成分并遗传上淹没了不具优势的邻近细胞。这一细胞克隆早晚会达到足够大的体积使细胞克隆易于随机发生其他具有生存优势的突变。

5 瘤内异质性

上述肿瘤发生的达尔文进化论克隆演进模型认为肿瘤团块内参与形成某个特定克隆扩增的所有细胞在遗传学上都是彼此相同的，并且肿瘤形成是这些线性克隆扩增的结果。但是，肿瘤发生的实际过程却由于另一因素的存在比这个模型所描述的模式复杂的多。

随着肿瘤的进展，肿瘤基因组经常会变得更加不稳定，每一代细胞增殖获得突变的几率大大增加。遗传改变以及由此导致遗传差异的速率很快会超过达尔文选择的速率。因此，许多肿瘤团块进展的实际过程并不是一个线性的克隆演进过程，而很可能是高度分支化的克隆结构。

在这一克隆变异模型中，每个亚克隆都代表着一个相对稳定、同源的细胞群体，这与处于极端遗传不稳定状态的情况相反，后者中的每个细胞都不断地产生新的遗传变异组合。这种差异性表明所分析的肿瘤细胞基因组的可塑性非常大，甚至可能会随着每次细胞生长和分裂周期而发生改变。这些波动的发生看起来几乎是随机的，其发生的速率远远超过了达尔文选择清除不适合生存的变异细胞亚克隆的能力。

遗传异质性累积的结果可能体现在两个水平。在特定的肿瘤实体中，不同的亚克隆包含不同的遗传改变的组合，这种异质性也会影响造成不同患者之间同一类型肿瘤之间的差异。因此，这些肿瘤的基因型之间可能会存在着巨大的差异。

6 肿瘤发生需要多基因协同作用

20世纪80年代初，研究DNA肿瘤病毒时发现，它们的基因组中携带有多个癌基因，如多瘤病毒带有中T和大T基因两个突变，研究人员发现这两个癌基因具有协同促进啮齿类动物细胞发生转化的作用。

实际上，在人早幼粒白血病细胞中就发现携带有活化的N-ras和myc两个癌基因，这两个癌基因共同决定了白血病细胞的恶性表型。当我们将myc基因与H-ras基因共同转染入大鼠的胚胎成纤维细胞时，便使其产生了恶性转化，然而，单独转入某一个癌基因并不能使其发生恶性转化。

很显然，这两个癌基因通过两种截然不同的方式影响着细胞表型，每个基因单独作用能使细胞产生某种类型的表型变化，两个基因相互协调、相互补充最终使细胞发生恶性转化。例如，ras基因可以诱导细胞非锚定依赖性生长，另外还能导致细胞失去接触抑制；而myc基因使得细胞发生永生化且不依赖生长因子的调控。

这些癌基因之间相互作用的体外试验为体内细胞多级转化模型奠定了基础，同时也为人类肿瘤形成过程中复杂的基因改变提供了理论基础。癌基因对细胞的影响有着比较明确的进化理论：哺乳动物细胞的基因组中是可以出现原癌基因的，这样的原癌基因对于单个细胞癌变过程中的作用微乎其微，但是很多这种改变的积累对于整个机体的肿瘤形成起到很大的作用。即细胞和组织必须在多重干扰下才能发生恶性转化。

参考文献：

1. 《The biology of CANCER》second edition. Robert.A Weinberg