安利偉 周兆才

1971年，美國總統(tǒng)尼克松簽署了《國家癌癥法》（National Cancer Act），旨在通過擴大癌癥研究規(guī)模、增加科研經(jīng)費，根除癌癥。在此方案刺激下，癌癥成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域過去50年中研究最多、范圍最廣的疾病，有超過至少100萬篇論文聚焦癌癥發(fā)生機制及治療措施。盡管如此，但根除癌癥之路依然漫長。越來越多的證據(jù)表明，癌癥是一種古老的進化疾病，癌癥的發(fā)生是一個多因素、多步驟的漫長進化過程，是一個體細胞意外突變后不斷適應(yīng)環(huán)境、改造環(huán)境的求生之路，其內(nèi)在的邏輯與生物進化的原理極其類似。簡言之，癌癥是自然選擇的最適者突變體。

正常情況下，人體細胞的基因組結(jié)構(gòu)是極其完整且穩(wěn)定的，細胞的增殖活動受到細胞周期的精準(zhǔn)調(diào)控，不同類型細胞各司其職、相互協(xié)調(diào)，共同保證各器官功能的正常運轉(zhuǎn)及維持組織穩(wěn)態(tài)。然而，體細胞會在某些內(nèi)因（如復(fù)制壓力）及外因（如化學(xué)誘變劑、輻照、紫外線等）影響下，發(fā)生染色體基因組的“意外”突變。盡管大部分突變都是同義突變或很快被校正，仍有少量突變發(fā)生在染色體關(guān)鍵部分，導(dǎo)致編碼基因的功能出現(xiàn)異常，開啟癌前細胞的進化之路。從某種程度上說，癌是一種概率，患癌是一種壞“運氣”。

與癌癥相關(guān)的基因突變主要分為兩類：抑癌基因的功能失活突變（loss-of-function， LOH）和原癌基因的功能獲得突變（gain-of-function， GOF）。抑癌基因是一類對細胞增殖、分化和凋亡起著負調(diào)控作用的基因，它們通過抑制突變細胞增殖并促進凋亡，來保持機體內(nèi)部細胞數(shù)量和功能的平衡，是體細胞維持基因組穩(wěn)定性和完整性自設(shè)的“警察”。然而，當(dāng)“意外”突變正好干擾“警察”基因的表達時，其維持秩序的功能受損，進而誘發(fā)細胞發(fā)生復(fù)制周期的紊亂及增殖失控等問題，正常體細胞則有可能變?yōu)榘┣安∽兗毎?。例如，視網(wǎng)膜母細胞瘤（retinoblastoma， Rb）基因是第一個被鑒定的抑癌基因。正常情況下，Rb蛋白通過調(diào)控細胞周期進程保持細胞的正常增殖和分化。然而，當(dāng)Rb基因發(fā)生突變（如甲基化沉默）會使其功能喪失，無法有效抑制某些基因的轉(zhuǎn)錄活性，導(dǎo)致大量與細胞增殖相關(guān)的基因過度表達，促使細胞不受控制地進行DNA復(fù)制，細胞出現(xiàn)異常增殖和惡性轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)變?yōu)榘┣安∽兗毎?。又如，TP53基因是目前研究得最為深入的抑癌基因，自1979年被首次報道以來，累計有約3萬篇論文聚焦于該基因失調(diào)與癌癥發(fā)生的因果關(guān)系。一般認為，正常細胞在受到內(nèi)因或外因刺激導(dǎo)致基因組損傷時，TP53蛋白能夠快速停滯細胞周期、促進損傷修復(fù)，從而避免受損基因組被傳遞到子代細胞。反之，若損傷難以修復(fù)則會啟動細胞死亡程序，使得機體能快速清除受損宿主細胞。鑒于其在基因組穩(wěn)定性維持中的重要作用，TP53基因也被稱為“守護基因”。因此，TP53基因的突變與腫瘤關(guān)系也最為密切，在30%～50%的人類腫瘤中均發(fā)現(xiàn)有不同類型的失活突變，是突變頻率最高的抑癌基因[1]。

與抑癌基因的功能相反，正常細胞增殖也需要啟動一系列生物事件，包括基因復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)翻譯等，這些活動需要包括RAS、Myc等在內(nèi)的基因參與。在細胞的非增殖階段，這些基因的活性需要被嚴格“關(guān)閉”，它們也是抑癌基因這些“警察”重點監(jiān)視的對象。這些基因的異常激活會促進不受細胞周期調(diào)控的增殖活動，加劇癌前病變細胞的形成，所以它們也被稱為原癌基因[1]。例如，Myc基因是第一個在腫瘤細胞中被發(fā)現(xiàn)的異常擴增的原癌基因，1982年首次在人伯基特淋巴瘤中被發(fā)現(xiàn)。該基因家族編碼一類在腫瘤發(fā)生和演化中起關(guān)鍵作用的轉(zhuǎn)錄因子，促進增殖細胞所需大量蛋白的轉(zhuǎn)錄翻譯。研究表明約20%的人類腫瘤中存在Myc基因的異常表達，包括常見的乳腺癌、肺癌和結(jié)直腸癌等。與此類似，控制細胞復(fù)制的GTP酶家族成員RAS在約30%的人類惡性腫瘤中存在活化突變。

除此之外，某些發(fā)生在抑癌基因的突變不僅會喪失“警察”監(jiān)視功能，反而會被“策反”發(fā)揮加速癌癥進化的癌基因功能。例如，TP53基因的某些突變不僅使其喪失抑癌監(jiān)視功能，甚至突變后的蛋白還會獲得新的促癌功能，增加細胞遺傳穩(wěn)定性的喪失和腫瘤發(fā)生的風(fēng)險[2]。

盡管體細胞的突變是“意外”的，但基因突變啟動癌癥進化卻是一個有序的過程。2020年，一項研究通過對罹患38種癌癥的2658位患者的組織進行全基因組測序，繪制了基因突變在癌癥進化中的分子時鐘。發(fā)現(xiàn)幾乎所有癌癥的進化都顯示出某種程度的有序性，腫瘤的發(fā)展遵循著驅(qū)動突變或拷貝數(shù)變異由罕見至多樣化的進化軌跡。例如，抑制基因TP53、APC及癌基因RAS的突變一般發(fā)生在進化早期，而包括SMAD4等在內(nèi)的更多癌基因的突變?nèi)菀装l(fā)生在進化晚期[3]。與該結(jié)論類似，另一項研究通過譜系示蹤技術(shù)，也發(fā)現(xiàn)腫瘤起始細胞在雜合性缺失TP53基因后會誘導(dǎo)一種可預(yù)測、有序、確定的癌癥基因組進化，進一步明確了TP53基因突變、基因組不穩(wěn)定性與癌癥發(fā)生的關(guān)系[4]。因此，癌癥的進化起始于“意外”的體細胞突變，但只有遵循進化規(guī)律的那些“意外”才能最終生存下來發(fā)展為癌。

當(dāng)癌前病變細胞按照程序突變逃脫抑癌基因監(jiān)視，獲得抵抗凋亡及不受控制的增殖能力后，即為腫瘤起始細胞。盡管解決了細胞內(nèi)自身的性質(zhì)問題，外部的身份認同挑戰(zhàn)才剛剛開始。當(dāng)該細胞“舉目四望”，首先觀察到周圍都是曾經(jīng)的“好兄弟”——正常體細胞，與此同時，正常組織細胞也會注意到這個本該走向死亡的“同類”。于是，一場正常細胞與腫瘤起始細胞之間的生存之戰(zhàn)隨即展開，細胞競爭也自此貫穿后續(xù)整個癌癥進化過程。癌癥初期，正常體細胞能識別鄰近癌變的異常細胞并通過“擠壓”生存空間清除它們，整個過程無需免疫細胞參與。這一過程在上皮組織類型癌癥如食管癌、胃癌、腸癌、肝癌及皮膚癌早期進化階段發(fā)揮著極其重要的作用，被稱為上皮防御癌癥機制或癌癥的上皮監(jiān)視機制[5]。例如，2021年，一項研究通過實驗發(fā)現(xiàn)化學(xué)誘變劑引起的食管部位早期突變克隆約90%以上在3個月內(nèi)消失，僅極少數(shù)突變克隆能在12個月長成較大的晚期克隆并最終發(fā)展為癌。其機制研究發(fā)現(xiàn)這些早期克隆主要是被周圍正常上皮通過細胞競爭方式進行“圍剿”清除的，免疫細胞并未被招募及發(fā)揮作用[6]。事實上，考慮到體細胞突變及演化是無時無刻不在發(fā)生的，因此，腫瘤起始細胞的數(shù)量應(yīng)該也是相當(dāng)可觀的，但卻只有非常少的起始細胞有機會長成早期克隆，主要障礙就是鄰近正常細胞發(fā)揮了“監(jiān)視”功能。

因此，上皮防御癌癥機制也是癌癥進化首先要攻克的生存難題，即如何在正常組織中建立早期克隆這一“根據(jù)地”。目前研究認為，腫瘤細胞一方面利用體細胞晚期突變、代謝重編程、遺傳及表觀遺傳重塑，提高基因轉(zhuǎn)錄及蛋白翻譯活動，加強對組織內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的掠奪，使得自身朝向更有利于高速增殖的方向進化，通過生存競爭模式反向“擠壓”正常細胞生存空間。在提高自身增殖能力的同時，腫瘤細胞也會釋放“破壞因子”干擾鄰近正常細胞的增殖能力，雙管齊下獲得生長優(yōu)勢。例如，2021年有研究發(fā)現(xiàn)Apc突變型腸癌腫瘤起始細胞通過分泌NOTUM這樣一種“破壞因子”，關(guān)閉周圍野生型細胞生長所需的Wnt信號通路，從而抑制鄰近細胞的生長并誘導(dǎo)其凋亡，實現(xiàn)早期腸癌克隆的形成和生長[7-9]?？傮w來看，營養(yǎng)爭奪是細胞競爭勝利的關(guān)鍵，在誘導(dǎo)正常細胞死亡后，腫瘤細胞進一步吸收后者釋放的代謝營養(yǎng)物質(zhì)，以正反饋的形式進一步促進自身增殖。

當(dāng)腫瘤起始細胞通過生存競爭打敗鄰近細胞建立早期癌癥克隆后，新的難題又出現(xiàn)在面前。首先，隨著腫瘤細胞增殖的加快（小兄弟越來越多），光靠克隆周圍“貧瘠”的土壤已經(jīng)難以支撐龐大的隊伍，如何獲得足夠營養(yǎng)支撐是驅(qū)使癌癥下一步進化的首要動力。只有與機體最龐大的營養(yǎng)物質(zhì)運輸系統(tǒng)——血液循環(huán)系統(tǒng)建立聯(lián)系，才能一勞永逸地解決生存問題。然而，并非所有的早期克隆都緊鄰血管，如何建立癌癥克隆與血液循環(huán)系統(tǒng)的聯(lián)系是進化首要考慮的問題?！耙?，先修路”這一理念同樣符合癌癥進化方向，即建立腫瘤自身的血管系統(tǒng)，連接血液循環(huán)并源源不斷將營養(yǎng)物質(zhì)輸送給克隆內(nèi)部的腫瘤細胞。腫瘤的血管生成現(xiàn)象最早在1940年就已被確認發(fā)現(xiàn)。1972年，腫瘤血管生成研究的先驅(qū)?？寺↗. Folkman）就提出了靶向血管生成的抗腫瘤思路，成就了后來一系列的抗血管生成藥的誕生[10]。經(jīng)過近50年發(fā)展，目前主流理論認為腫瘤的存在誘導(dǎo)了血管生成，腫瘤的生長受周圍血管所控制，而抑制血管生成可引起腫瘤的休眠，新血管的生成又促進了腫瘤的生長。此外，血管生成也是癌癥從早期同質(zhì)化的腫瘤細胞克隆，成長為成熟的腫瘤微環(huán)境的關(guān)鍵步驟，是癌癥形成的重要標(biāo)志特征。

然而，福禍相倚，腫瘤克隆通過連接血管獲得機體營養(yǎng)物質(zhì)的同時，也會引起循環(huán)免疫細胞（免疫警察）的注意，從而開啟癌癥進化之路的另一場“反圍剿”斗爭。以巨噬細胞為代表的“偵察兵”——先天免疫細胞會通過血管首先到達克隆部位，一方面分泌大量炎癥因子攻擊殺傷腫瘤細胞，同時發(fā)射救援信號“呼叫”適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，如T細胞和B細胞等聯(lián)合圍剿腫瘤細胞，發(fā)揮對癌癥早期克隆的免疫監(jiān)視及清除功能。因此，躲避免疫監(jiān)視和抵抗殺傷成為癌癥進化新的內(nèi)在驅(qū)動力。一方面，腫瘤細胞會學(xué)習(xí)正常細胞與自身免疫系統(tǒng)的互相識別機制，讓免疫系統(tǒng)誤判為“自己人”。例如，為防止免疫細胞過度監(jiān)視造成損傷自身正常組織，正常細胞會表達免疫檢查點分子（類似身份證），在遇到免疫細胞時，向?qū)Ψ搅撩魃矸菀员苊獗粴宄６[瘤細胞也利用這套機制通過提高自身表達包括PD-L1，CD47和CD24等檢查點分子，分別迷惑T細胞、B細胞和巨噬細胞等，從而躲避免疫細胞的識別和殺傷，這一過程稱為免疫逃逸機制[11]。與戰(zhàn)勝正常體細胞類似，除增強自身躲避免疫識別的能力外，腫瘤細胞也會采用“策反”戰(zhàn)略化敵為友，通過直接相互作用或者分泌因子改造免疫細胞。例如，充當(dāng)“偵察兵”的巨噬細胞會被誘導(dǎo)從抗腫瘤的M1型轉(zhuǎn)化為促腫瘤的M2型，或者殺傷性T細胞被解除“武裝”而成為不具有攻擊力的耗竭性細胞等[11]。簡言之，腫瘤細胞通過武裝自己、瓦解敵人這一套組合策略，最終實現(xiàn)免疫逃逸，贏得“第二次反圍剿”勝利。

除免疫細胞外，宿主中包括成纖維細胞、脂肪細胞、神經(jīng)細胞、間充質(zhì)干細胞等多種類型的細胞都會加入“圍剿”癌細胞的戰(zhàn)斗序列。然而，癌細胞均采用與體細胞、免疫細胞斗爭的經(jīng)驗進化生存，并充分利用“策反”戰(zhàn)略使這些類型細胞轉(zhuǎn)變?yōu)橛兄诎┌Y發(fā)生發(fā)展的“幫兇”。此外，本著團結(jié)一切可以團結(jié)的力量，腫瘤細胞還會充分利用血液循環(huán)系統(tǒng)調(diào)用包括細菌、病毒、真菌等外源微生物的代謝物及活菌體等，進一步促進自身增殖、增強進化動力，從而建立起一個涵蓋多種類型細胞、連接血液循環(huán)系統(tǒng)、具備強大抵抗力和戰(zhàn)斗力的生態(tài)系統(tǒng)——腫瘤微環(huán)境。

當(dāng)腫瘤微環(huán)境完全在原發(fā)器官建立完成時，已從最初的腫瘤起始細胞成長為“一方諸侯”的癌癥，為繼續(xù)擴大影響力，需要從原發(fā)灶部位啟動轉(zhuǎn)移建立跨器官的“新殖民地”——轉(zhuǎn)移灶。轉(zhuǎn)移既是癌癥進化的末期事件，同時也可理解為新腫瘤開啟的“海外”進化之旅。首先，哪些組織器官適合定植轉(zhuǎn)移是要解決的關(guān)鍵問題，為此，腫瘤微環(huán)境部位會釋放大量因子通過血液系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到各個靶器官，通過對駐地組織細胞進行重塑來建立適合癌細胞生存的轉(zhuǎn)移前微環(huán)境。同時，這些先遣部隊可能會通過重塑后的轉(zhuǎn)移前微環(huán)境釋放信號反饋給原發(fā)灶癌，啟動腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移。被選擇的腫瘤細胞則會從增殖狀態(tài)轉(zhuǎn)化為更適合移動的轉(zhuǎn)移狀態(tài)，從而增強自身的遷移和侵襲能力。這些轉(zhuǎn)移腫瘤細胞從原發(fā)灶出發(fā)，通過血液循環(huán)或淋巴系統(tǒng)轉(zhuǎn)運到繼發(fā)性靶器官定植，這一階段的腫瘤細胞稱為循環(huán)腫瘤細胞（circulating tumor cell， CTC）。CTC在轉(zhuǎn)移過程中會遭受血液流動的剪切力、循環(huán)免疫細胞的攻擊、靶器官“原住民”細胞的生存競爭，它們歷經(jīng)“九死一生”才能在轉(zhuǎn)移器官逐漸建立定居點，完成轉(zhuǎn)移進程。

原發(fā)灶的哪些腫瘤細胞更傾向于發(fā)生轉(zhuǎn)移是目前困擾科學(xué)家的一個難題。傳統(tǒng)觀點認為那些增殖能力強、生存力旺盛的“領(lǐng)頭”腫瘤細胞可能會率先加入到轉(zhuǎn)移隊伍中去開疆拓土。然而，從進化生物學(xué)角度看，這種主動“犧牲”的精神卻不一定符合真實情況，尤其考慮到當(dāng)腫瘤細胞在原發(fā)灶已先后打敗正常體細胞及免疫細胞后，微環(huán)境內(nèi)部的腫瘤細胞之間也存在激烈的生存之爭，那些“優(yōu)勝者”細胞是否有需要去開啟一場冒險之旅仍有待商榷。近期的一項研究認為，是原發(fā)性腫瘤內(nèi)部細胞競爭的“失利者”，即那些適應(yīng)度不太好的細胞被迫轉(zhuǎn)移到機體循環(huán)中，并在遠端器官中定植生長發(fā)展為轉(zhuǎn)移灶[12]。由于這些細胞增殖能力弱，它們甚至?xí)诘竭_轉(zhuǎn)移灶后啟動休眠狀態(tài)，從而保存自身實力并規(guī)避“原住民”細胞的競爭和攻擊，待到環(huán)境逐漸合適時再啟動增殖狀態(tài)。這些潛伏期的轉(zhuǎn)移細胞也是造成轉(zhuǎn)移難以發(fā)現(xiàn)及完全清除的重要原因[12]。然而，無論哪種理論，癌癥轉(zhuǎn)移都是一場艱難的生存之旅，是癌癥進化論的“終極之戰(zhàn)”。

2022年，最新公布的癌癥標(biāo)志特征列舉了腫瘤的14種典型特征，有助于我們透過癌癥表型去深入理解其發(fā)生發(fā)展過程中的本質(zhì)變化[13]。從進化的角度來看，包括基因組失穩(wěn)、抵抗細胞死亡、逃避生長抑制、持續(xù)增殖信號及無限復(fù)制能力等五大特征，是癌癥早期進化用以規(guī)避自身抑癌基因及鄰近正常體細胞監(jiān)視、初步建立癌細胞克隆所需要的生存技能；而促進血管生成、逃避免疫清除、腫瘤促炎作用及微生物多態(tài)性等特征，則是癌癥從單純克隆到建立腫瘤微環(huán)境過程中通過進化獲得的技能；激活侵潤和轉(zhuǎn)移及細胞衰老等特征則是與癌癥轉(zhuǎn)移密切相關(guān)的進化標(biāo)志。能量代謝重塑、解鎖表型可塑性及表觀遺傳重塑等特征則貫穿癌癥進化全過程。正如生物進化論所述，癌癥進化也是腫瘤起始細胞改變自身獲得更強生存技能的學(xué)習(xí)之旅。

因此，目前的抗癌策略也是圍繞對抗癌癥進化獲得生存技能展開，例如傳統(tǒng)的放化療策略和靶向藥物PAPR抑制劑，是圍繞基因組失穩(wěn)特征，選擇性促進腫瘤細胞凋亡；抗血管生成藥物主要是阻斷腫瘤獲取營養(yǎng)物質(zhì)以達到“餓死”癌細胞目的；包括EGFR抑制劑在內(nèi)的一系列信號通路抑制劑，均是為了阻斷癌癥獲得無限增殖能力。此外，如今最知名的癌癥免疫治療策略，如PD-L1抑制劑（即人們常說的“O”藥、“K”藥）主要是阻斷腫瘤免疫逃逸機制，提高機體免疫細胞對腫瘤的殺傷效果。然而，目前這些治療策略或多或少存在靶向性差、響應(yīng)率低及易耐藥等難題，這也說明治療過程中腫瘤細胞會進化出新技能以適應(yīng)更加艱難的治療環(huán)境。

從生物進化本質(zhì)來看，癌癥被認為是多細胞生物如人類高度分化細胞出現(xiàn)的返祖現(xiàn)象，即獲得單細胞生物具備的無限增殖能力。從癌癥進化的角度來看，如何在進化早期提高對癌前病變細胞的監(jiān)測及清除，可能是根治腫瘤最好的突破口，也是目前開發(fā)癌癥早篩策略的立足之本。在此方面，正常體細胞與腫瘤起始細胞的“兄弟之爭”是決定癌癥進化的關(guān)鍵事件，如何增強正常細胞的增殖能力是癌癥早期防御的關(guān)鍵，也是目前科學(xué)家在預(yù)防早癌中大力推進的研究方向。然而，現(xiàn)實卻有不良飲食、酒精、壓力、衰老等諸多環(huán)境因素，通過損傷上皮組織、削弱其監(jiān)視和清除早期克隆的能力，導(dǎo)致腫瘤更易發(fā)生發(fā)展。另一方面，考慮到癌細胞本是機體的一部分，如果能夠在實現(xiàn)共存的條件下阻滯其進化轉(zhuǎn)移，也可能是治療癌癥的一種策略。如果癌癥進化不可避免，那么減緩其進化速率，讓癌癥成為一種慢性病，與生物體一起衰老，也不失為一種較好的思考及應(yīng)對策略。

（致謝：本文相關(guān)研究受到科技部重點研發(fā)計劃2020YFA0803200項目支持，韓毅對插圖繪制提供了幫助。）

[1]Mel Greaves. Cancer： the evolutionary legacy. Nat Med， 2000， 6（5）： 496.

[2]Levine A J. p53： 800 million years of evolution and 40 years of discovery. Nat Rev Cancer， 2020，20（8）： 471-480.

[3]Gerstung M， Jolly C， Leshchiner L， et al. The evolutionary history of 2，658 cancers. Nature， 2020， 578（7793）： 122-128.

[4]Baslan T， Morris IV J， Zhao Z， et al. Ordered and deterministic cancer genome evolution after p53 loss. Nature， 2022， 608（7924）： 795-802.

[5]Vishwakarma M， Piddini E. Outcompeting cancer. Nat Rev Cancer， 2020， 20（3）： 187-198.

[6]Colom B， Herms A， Hall M， et al. Mutant clones in normal epithelium outcompete and eliminate emerging tumours. Nature， 2021， 598（7881）： 510-514.

[7]Flanagan D J， Pentinmikko N， Luopajarvi K， et al. NOTUM from Apc-mutant cells biases clonal competition to initiate cancer. Nature， 2021， 594（7863）： 430-435.

[8]Yum M K， Han S， Fink J， et al. Tracing oncogene-driven remodelling of the intestinal stem cell niche. Nature， 2021， 594（7863）： 442-447.

[9]van Neerven S M， de Groot N E， Nijman L E， et al. Apc-mutant cells act as supercompetitors in intestinal tumour initiation. Nature， 2021， 594（7863）： 436-441.

[10]Folkman J. Tumor angiogenesis： therapeutic implications. N Engl J Med， 1971， 285（21）： 1182-1186.

[11]Hiam-Galvez K J， Allen B M， Spitzer M H. Systemic immunity in cancer. Nat Rev Cancer， 2021， 21（6）： 345-359.

[12]Kim K， Huang H， Parida P K， et al. Cell competition shapes metastatic latency and relapse. Cancer Discov， 2023， 13（1）： 85-97.

[13]Hanahan D. Hallmarks of cancer： new dimensions. Cancer Discov， 2022， 12（1）： 31-46.

關(guān)鍵詞：癌癥 進化 生存競爭 免疫逃逸 靶向治療 ■