癌癥進化史淺說

安利偉 周兆才

1971年，美國總統尼克松簽署了《國家癌癥法》（National Cancer Act），旨在通過擴大癌癥研究規模、增加科研經費，根除癌癥。在此方案刺激下，癌癥成為生物醫學領域過去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。越來越多的證據表明，癌癥是一種古老的進化疾病，癌癥的發生是一個多因素、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環境、改造環境的求生之路，其內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構是極其完整且穩定的，細胞的增殖活動受到細胞周期的精準調控，不同類型細胞各司其職、相互協調，共同保證各器官功能的正常運轉及維持組織穩態。然而，體細胞會在某些內因（如復制壓力）及外因（如化學誘變劑、輻照、紫外線等）影響下，發生染色體基因組的“意外”突變。盡管大部分突變都是同義突變或很快被校正，仍有少量突變發生在染色體關鍵部分，導致編碼基因的功能出現異常，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，來保持機體內部細胞數量和功能的平衡，是體細胞維持基因組穩定性和完整性自設的“警察”。然而，當“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，進而誘發細胞發生復制周期的紊亂及增殖失控等問題，正常體細胞則有可能變為癌前病變細胞。例如，視網膜母細胞瘤（retinoblastoma， Rb）基因是第一個被鑒定的抑癌基因。正常情況下，Rb蛋白通過調控細胞周期進程保持細胞的正常增殖和分化。然而，當Rb基因發生突變（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錄活性，導致大量與細胞增殖相關的基因過度表達，促使細胞不受控制地進行DNA復制，細胞出現異常增殖和惡性轉化，轉變為癌前病變細胞。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與癌癥發生的因果關系。一般認為，正常細胞在受到內因或外因刺激導致基因組損傷時，TP53蛋白能夠快速停滯細胞周期、促進損傷修復，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系也最為密切，在30%～50%的人類腫瘤中均發現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，包括基因復制、轉錄及蛋白質翻譯等，這些活動需要包括RAS、Myc等在內的基因參與。在細胞的非增殖階段，這些基因的活性需要被嚴格“關閉”，它們也是抑癌基因這些“警察”重點監視的對象。這些基因的異常激活會促進不受細胞周期調控的增殖活動，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現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現。該基因家族編碼一類在腫瘤發生和演化中起關鍵作用的轉錄因子，促進增殖細胞所需大量蛋白的轉錄翻譯。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、肺癌和結直腸癌等。與此類似，控制細胞復制的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，某些發生在抑癌基因的突變不僅會喪失“警察”監視功能，反而會被“策反”發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，增加細胞遺傳穩定性的喪失和腫瘤發生的風險[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。發現幾乎所有癌癥的進化都顯示出某種程度的有序性，腫瘤的發展遵循著驅動突變或拷貝數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的突變一般發生在進化早期，而包括SMAD4等在內的更多癌基因的突變容易發生在進化晚期[3]。與該結論類似，另一項研究通過譜系示蹤技術，也發現腫瘤起始細胞在雜合性缺失TP53基因后會誘導一種可預測、有序、確定的癌癥基因組進化，進一步明確了TP53基因突變、基因組不穩定性與癌癥發生的關系[4]。因此，癌癥的進化起始于“意外”的體細胞突變，但只有遵循進化規律的那些“意外”才能最終生存下來發展為癌。

當癌前病變細胞按照程序突變逃脫抑癌基因監視，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。盡管解決了細胞內自身的性質問題，外部的身份認同挑戰才剛剛開始。當該細胞“舉目四望”，首先觀察到周圍都是曾經的“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隨即展開，細胞競爭也自此貫穿后續整個癌癥進化過程。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視機制[5]。例如，2021年，一項研究通過實驗發現化學誘變劑引起的食管部位早期突變克隆約90%以上在3個月內消失，僅極少數突變克隆能在12個月長成較大的晚期克隆并最終發展為癌。其機制研究發現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生的，因此，腫瘤起始細胞的數量應該也是相當可觀的，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揮了“監視”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，提高基因轉錄及蛋白翻譯活動，加強對組織內營養物質的掠奪，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勢。例如，2021年有研究發現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其凋亡，實現早期腸癌克隆的形成和生長[7-9]?？傮w來看，營養爭奪是細胞競爭勝利的關鍵，在誘導正常細胞死亡后，腫瘤細胞進一步吸收后者釋放的代謝營養物質，以正反饋的形式進一步促進自身增殖。

當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”的土壤已經難以支撐龐大的隊伍，如何獲得足夠營養支撐是驅使癌癥下一步進化的首要動力。只有與機體最龐大的營養物質運輸系統——血液循環系統建立聯系，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系統的聯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，連接血液循環并源源不斷將營養物質輸送給克隆內部的腫瘤細胞。腫瘤的血管生成現象最早在1940年就已被確認發現。1972年，腫瘤血管生成研究的先驅?？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]。經過近50年發展，目前主流理論認為腫瘤的存在誘導了血管生成，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化的腫瘤細胞克隆，成長為成熟的腫瘤微環境的關鍵步驟，是癌癥形成的重要標志特征。

然而，福禍相倚，腫瘤克隆通過連接血管獲得機體營養物質的同時，也會引起循環免疫細胞（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，同時發射救援信號“呼叫”適應性免疫系統，如T細胞和B細胞等聯合圍剿腫瘤細胞，發揮對癌癥早期克隆的免疫監視及清除功能。因此，躲避免疫監視和抵抗殺傷成為癌癥進化新的內在驅動力。一方面，腫瘤細胞會學習正常細胞與自身免疫系統的互相識別機制，讓免疫系統誤判為“自己人”。例如，為防止免疫細胞過度監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，向對方亮明身份以避免被殺傷清除。而腫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“偵察兵”的巨噬細胞會被誘導從抗腫瘤的M1型轉化為促腫瘤的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、神經細胞、間充質干細胞等多種類型的細胞都會加入“圍剿”癌細胞的戰斗序列。然而，癌細胞均采用與體細胞、免疫細胞斗爭的經驗進化生存，并充分利用“策反”戰略使這些類型細胞轉變為有助于癌癥發生發展的“幫兇”。此外，本著團結一切可以團結的力量，腫瘤細胞還會充分利用血液循環系統調用包括細菌、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、連接血液循環系統、具備強大抵抗力和戰斗力的生態系統——腫瘤微環境。

當腫瘤微環境完全在原發器官建立完成時，已從最初的腫瘤起始細胞成長為“一方諸侯”的癌癥，為繼續擴大影響力，需要從原發灶部位啟動轉移建立跨器官的“新殖民地”——轉移灶。轉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移是要解決的關鍵問題，為此，腫瘤微環境部位會釋放大量因子通過血液系統轉移到各個靶器官，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移前微環境。同時，這些先遣部隊可能會通過重塑后的轉移前微環境釋放信號反饋給原發灶癌，啟動腫瘤細胞的轉移。被選擇的腫瘤細胞則會從增殖狀態轉化為更適合移動的轉移狀態，從而增強自身的遷移和侵襲能力。這些轉移腫瘤細胞從原發灶出發，通過血液循環或淋巴系統轉運到繼發性靶器官定植，這一階段的腫瘤細胞稱為循環腫瘤細胞（circulating tumor cell， CTC）。CTC在轉移過程中會遭受血液流動的剪切力、循環免疫細胞的攻擊、靶器官“原住民”細胞的生存競爭，它們歷經“九死一生”才能在轉移器官逐漸建立定居點，完成轉移進程。

原發灶的哪些腫瘤細胞更傾向于發生轉移是目前困擾科學家的一個難題。傳統觀點認為那些增殖能力強、生存力旺盛的“領頭”腫瘤細胞可能會率先加入到轉移隊伍中去開疆拓土。然而，從進化生物學角度看，這種主動“犧牲”的精神卻不一定符合真實情況，尤其考慮到當腫瘤細胞在原發灶已先后打敗正常體細胞及免疫細胞后，微環境內部的腫瘤細胞之間也存在激烈的生存之爭，那些“優勝者”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，是原發性腫瘤內部細胞競爭的“失利者”，即那些適應度不太好的細胞被迫轉移到機體循環中，并在遠端器官中定植生長發展為轉移灶[12]。由于這些細胞增殖能力弱，它們甚至會在到達轉移灶后啟動休眠狀態，從而保存自身實力并規避“原住民”細胞的競爭和攻擊，待到環境逐漸合適時再啟動增殖狀態。這些潛伏期的轉移細胞也是造成轉移難以發現及完全清除的重要原因[12]。然而，無論哪種理論，癌癥轉移都是一場艱難的生存之旅，是癌癥進化論的“終極之戰”。

2022年，最新公布的癌癥標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生發展過程中的本質變化[13]。從進化的角度來看，包括基因組失穩、抵抗細胞死亡、逃避生長抑制、持續增殖信號及無限復制能力等五大特征，是癌癥早期進化用以規避自身抑癌基因及鄰近正常體細胞監視、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性等特征，則是癌癥從單純克隆到建立腫瘤微環境過程中通過進化獲得的技能；激活侵潤和轉移及細胞衰老等特征則是與癌癥轉移密切相關的進化標志。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習之旅。

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，例如傳統的放化療策略和靶向藥物PAPR抑制劑，是圍繞基因組失穩特征，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物質以達到“餓死”癌細胞目的；包括EGFR抑制劑在內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更加艱難的治療環境。

從生物進化本質來看，癌癥被認為是多細胞生物如人類高度分化細胞出現的返祖現象，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測及清除，可能是根治腫瘤最好的突破口，也是目前開發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鍵，也是目前科學家在預防早癌中大力推進的研究方向。然而，現實卻有不良飲食、酒精、壓力、衰老等諸多環境因素，通過損傷上皮組織、削弱其監視和清除早期克隆的能力，導致腫瘤更易發生發展。另一方面，考慮到癌細胞本是機體的一部分，如果能夠在實現共存的條件下阻滯其進化轉移，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對策略。

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

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關鍵詞：癌癥 進化 生存競爭 免疫逃逸 靶向治療 ■