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1、癌变机理的研究进展过去10 年间，全球癌症的发病及死亡增长了约22%，世界卫生组织预测，2020年全球癌症新发病例将达到2000万，1200万人死于癌症1,2。癌症的发病率和死亡率多年来踞高不下，一个重要原因是当前癌变机制不甚明了，癌症治疗存在相当大的盲目性。我们通过分析当前研究人员对癌变的不同认识，努力在他们的认识基础上分析癌变的具体机制。一 肿瘤和癌变的特征在分析癌变机制之前，有必要首先分析肿瘤和癌变(carcinogenesis)的特征。一个世纪前病理学家Hansemann3用去分化一词来概括肿瘤的本质特征：“某种因素将细胞推向某些完全新的方向该方向在所有的肿瘤甚至在同一种肿瘤中都不一样
2、，细胞通过一些未明确的因素不断破坏有丝分裂，同时产生未分化的细胞，这种不分化或逆分化意味着肿瘤细胞是一种新的生物而不是一种单纯的胚胎细胞，它与个体发生的任何时期的正常细胞都不一样，但是这个新生物并没有完全丢失其起源细胞的特征它已经变化的行为只是夸大或减弱了其起源细胞的某些方面的特征。” 下面我们列出肿瘤和癌变的具体特征。肿瘤的特征：1）不受控制的（自主性）异常增生,恶性肿瘤还具有侵袭和转移的能力3.4；2）大部分肿瘤可以自发演进(progression)，表现为不可逆性5，但是在适当的条件下肿瘤的表型可以被逆转6-8；3）肿瘤组织细胞表型存在很大的异质性(heterogeneity)，在形态、
3、代谢、分化程度、增殖能力、抗原性、侵袭和转移能力等方面几乎不存在两个完全一样的肿瘤细胞3；4）肿瘤细胞与正常细胞融合产生的细胞失去癌的表型特征，提示肿瘤表型为隐性(recessive)遗传方式9；5）肿瘤细胞体外培养可以无限传代（永生化,immortality）3；6）肿瘤细胞可以在不同种属的动物体内移植(transplantation) 3；7）几乎所有癌细胞基因组不稳定(genetic instability)10；8）实体瘤的核型几乎都是非整倍体(aneuploidy)核型，慢性粒细胞白血病急变期伴随核型非整倍体化3,5,10；9）所有的肿瘤细胞都表现为分化异常甚至间变(anaplasi
4、a)3,7。癌变的特征：1）除了少数由急性转化病毒引起的细胞转化过程外，癌变是一个漫长的过程，几个月甚至几十年，一般可以分为几个阶段：过度增生(hyperplasia)、不典型增生(atypical hyperplasia)、良性肿瘤和恶性肿瘤3-5；2）大部分肿瘤单克隆起源（moloclonality）11；3）肿瘤发病率与年龄成指数关系12；4）癌变是一个小概率事件3,4,12。虽然肿瘤和癌变的特征存在于多个方面，但是肿瘤的本质是细胞异常增殖，这一点主要体现在肿瘤概念的演变过程。20世纪40年代，Ewing提出肿瘤是一种自主性过度生长的新生组织13。1967年Willis将肿瘤定义为一种肿
5、块，其生长和周围正常组织不一致，而且在缺乏诱发刺激时仍能存留和生长14。我国医学本科生病理学教材15将肿瘤定义为：机体在各种致癌因素作用下，局部组织的细胞异常增生形成的新生物。至今，虽然研究人员对肿瘤的定义多少有些差别，但是都强调肿瘤是一种细胞异常自主性增生的疾病。二 目前对癌变机理的研究进展和存在问题至今虽然人类在肿瘤研究领域取得很大的进展，但是关于癌变的具体机理还存在争议和分歧6,16,17。主要存在体细胞突变（somatic mutation）假说和表型遗传修饰（epigenesis）改变假说6,16,17，其中体细胞突变假说主要包括基因突变(gene mutation)假说18,19和
6、非整倍体(aneuploidy)假说20,21。假说的重要特征是可以解释已经观察到的现象和预测未知的实验结果。下面我们通过分析上述假说对肿瘤特征的解释和预测，分析这些假说的科学性和局限性，在此基础上我们提出新的癌变机理模式。（一） 体细胞突变假说大约一个世纪前，Hansemann和Boveri提出肿瘤是体细胞遗传物质发生“突变”的结果，其中Boveri比较完整地提出癌变的非整倍体假说3,20。后来由于Morgan在基因研究方面的贡献和Muller发现X射线可以导致基因突变，促使研究人员将注意力集中在基因方面，因此在随后几十年内非整倍体假说没有得到继续发展3。上世纪7080年代，研究人员在逆转录
7、病毒和癌变关系的研究过程中发现了原癌基因（protooncogene）23。Weinberg等24的癌基因转化实验和Ames提出“致癌剂就是致突变剂”促进“癌基因”(oncogeng)假说25的成熟。随着Knudson提出癌变的“二次打击学说”26,27和DNA病毒致癌机理的研究以及细胞融合实验的事实，研究人员很快克隆出Rb抑癌基因28。癌基因和抑癌基因(anti-oncogene)的发现以及对这些基因功能的研究，结合细胞转化实验和化学诱癌经验，研究人员从分子水平提出癌变是一个多步骤多阶段的过程11,29。90年代初Vogelstein等11提出结肠癌癌变模式加强了人们对癌变的多步骤多阶段假说
8、的认识。但是随着新的癌基因和抑癌基因不断被发现，引起了一些研究人员对基因突变假说的质疑3,30。虽然信号转导(signal transduction)理论逐渐理顺了癌基因和抑癌基因在细胞中的作用以及它们与细胞周期(cell cycle)的关系31-34，但是基因突变假说变得越来越复杂已经远远超越了7080年代研究人员的推测。90年代末Weinberg等35首次宣称应用3个不同的基因可以转化(transform)人类细胞，从一定意义上证明了基因突变假说，但是其转化用了6个月的时间不能排除其它的因素也参与了转化过程。到目前为止人类还没有找到癌变所需的共有的基因突变，研究人员不得不将原来基因突变假说
9、推测的至少37个基因的突变改为至少3个信号转导通路的改变18,19。从历史的角度看，体细胞突变假说后来基本演变为基因突变假说，一些研究人员甚至认为Boveri提出的促进细胞增殖的染色体其实就是癌基因，抑制细胞增殖的染色体就是抑癌基因36，而且近年来教科书中已经不再提及癌变的非整倍体假说。虽然基因突变假说被很多研究人员接受了，但是其本身存在的缺陷和越来越复杂的理论促使Duesberg等37在90年代末又重新提出非整倍体假说，虽然该假说目前仍然存在很大争议，但是它至少引起了很多研究人员对非整倍体的重新重视38。下面我们分析这两种假说的科学性和局限性。1 基因突变假说基因突变主要指DNA碱基序列的改
10、变19。经典的基因突变假说认为37个基因突变可以导致细胞癌变，癌基因突变激活和抑癌基因突变失活导致细胞周期失控是癌细胞异常增殖的主要原因4,39,59。基因突变假说的主要依据有：1）病毒癌基因的DNA序列与细胞原癌基因的DNA序列同源性很高23；2）化学诱癌产生的突变基因能够转化细胞40-43；3）体外细胞转化实验表明34个基因可以导致人类细胞发生转化44,45；4）转基因和基因剔除动物癌变率升高46；5）阻断突变的癌基因信号可以使肿瘤细胞失去肿瘤表型或凋亡47,48；6）重要基因突变的遗传病人癌症发病率升高49；7）很多致癌剂是致突变剂51,52；8）大部分肿瘤单克隆起源11。基因突变假说对
11、肿瘤和癌变现象的解释：1）肿瘤是在自然选择的作用下基因突变不断积累的结果4,52；2）肿瘤异常增殖的原因是癌基因激活和抑癌基因失活导致细胞周期失控的结果39,53,54；3）癌变所需的多个基因突变积累需要很长的时间12,52；4）基因突变积累导致肿瘤的不断演进12,55；5）肿瘤细胞的异质性表型、非整倍体核型以及基因组不稳定是基因突变的结果12,38,56,57；6）癌变需要多个基因独立突变来完成，该过程决定了癌变是一个小概率事件4,12。基因突变假说存在如下问题：1）从相关性来看，至今没有发现共有的基因突变4,20,58；2）基因突变率和癌变率之间存在难以调和的关系：如果癌变需要37个基因突
12、变，从统计概率计算的癌变率远远小于实际癌变发生率3,60，为了解释该问题，vogelstein等提出癌变细胞首先发生基因组不稳定，之后基因组不稳定加速基因突变61；Loeb等提出肿瘤是突变表型(mutator phenotype)的概念，即肿瘤细胞中存在成千上万个基因突变62,63，目前这个问题仍在争论之中64；3）基因突变假说认为癌基因的激活和抑癌基因的失活导致细胞周期异常从而导致肿瘤发生，根据该假说得出推论：癌变的根本原因是肿瘤的细胞周期快于正常细胞的细胞周期。但是许多研究表明肿瘤细胞的细胞周期并不缩短甚至延长，肿瘤并不是简单的细胞周期问题65；4）基因突变假说认为癌变过程是选择扩增获得突
13、变优势细胞的过程52，事实上，肿瘤细胞存在很大的异质性，对肿瘤增殖起决定作用的只是少数肿瘤干细胞，并不是所有的肿瘤细胞，也就是说基因突变并不能够赋予所有的肿瘤细胞相同的遗传表型和生存优势66-68；5）基因突变的性质是不可逆和积累性的，因此肿瘤细胞表型应当是不可逆和积累性的，但是事实上肿瘤的表型总是处于变化之中，各种表型独立演进甚至还可以逆转3,6-8,69；6）癌细胞与正常细胞融合的细胞总失去癌的表型，该结果支持存在抑癌基因而不是癌基因9,70；7）基因变异假说认为致癌因素都是通过基因突变导致肿瘤发生，但是现在发现许多化学物质不能引起基因突变却可以诱导肿瘤发生3,71；9）突变的发生是瞬间的
14、事件，在致突变因素作用下细胞基因的变异会很快发生，因此细胞转化应当与致癌基因的突变几乎同时发生，但是在致癌因素作用后几年或数十年细胞才发生恶性转化3；10）根据基因变异假说肿瘤细胞应当是二倍体(diploidy)细胞，与正常细胞的差别只是因为其基因组的某些的癌基因被激活和/或另一些抑癌基因被灭活，但事实上除了很少的由逆转录病毒转化的二倍体细胞存在外，几乎所有的实体肿瘤细胞都是非整倍体核型3,20,72,73；12）随着年龄的增加肿瘤发生的几率增加1000倍20,12，基因变异假说认为这是由于细胞中变异基因积累的结果，由于基因变异可以遗传，因此年轻人应当具有较高肿瘤发生率才对，可事实上老年人的肿
15、瘤率发生最高；13）体外转化实验所用的启动子都是病毒的启动子，它们调控的基因表达量远远高于细胞本身基因的表达水平，因此基因表达量的差别在转化实验中的作用无法排除45,74；14)不存在真正的癌基因，一些经典的癌基因在不同的组织细胞中的作用不同，在一些细胞中促进细胞增殖29，但是在另一些细胞中促进细胞分化衰老凋亡75,76。2 非整倍体假说非整倍体指染色体结构和数目的改变3,20。Boveri首先提出非整倍体假说，主要观点是非整倍体通过保留具有促进细胞增殖的染色体而丢失具有抑制细胞增殖的染色体，产生特定染色体组合（核型）是癌变的重要原因20,77。最近Duesberg等重新提出的非整倍体假说，虽然他们也认为特定的核型是癌变的根本原因，但是他们更强调非整倍体导致细胞内正常基因的表达比例失衡而不是个别少数突变基因是癌变的主要原因3,20-22。该假说的主要依据是：1）从相关性分析，几乎所有的实体肿瘤都是非整倍体核型3,20,37；2）虽然部分肿瘤细胞非整倍体的产生与基因突变有关38，但是很多肿瘤的非整倍体产生与有丝分裂错误、端粒缩短引起基因组不稳定、致癌因素直接作用等等有关，因此非整倍体的产生与基因突变不存在确定的因果关系，非整倍体可以是癌变的原始启动因素3,78-80；3）癌变早期和癌前病变细胞就已经出现非整倍体核型81-84；4）非整倍体的程度基本与肿
