吴家睿：第三类生命——肿瘤
导读
自然界有三类生命影响人类的健康状态，第一类是人体自身；第二类是非人类的生命，如肠道菌群、病原菌和病毒等；第三类生命是从人体正常细胞衍生出来的异类细胞——肿瘤。据此应该把疾病分为三种主要类型，第一种是身体的“零件”坏了而产生的慢性病；第二种是由外来生命侵袭而导致的传染病；第三种则是由体细胞在身体内失控生长而出现的癌症。显然，抗击肿瘤绝不是简单地对机体修修补补，而是一场两类生命对决的战争！
撰文 | 吴家睿（中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所研究员）
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一般认为，自然界有二类生命影响人类的健康状态，第一类当然是人体自身；第二类是非人类的生命，如肠道菌群、病原菌和病毒等。但是，危害人类健康的还有第三类生命，即从人体正常细胞衍生出来的异类细胞——肿瘤。据此应该把疾病分为三种主要类型，第一种是身体的“零件”坏了不能正常工作而产生的慢性病，例如糖尿病通常源于胰岛beta细胞分泌胰岛素的能力受损；第二种是由外来生命侵袭而导致的传染病，例如结核杆菌感染人体而导致的肺结核；第三种则是由体细胞在身体内失控生长而出现的癌症，例如流动生长的血液肿瘤或固定生长在各种组织器官上的实体瘤。然而，人们通常是按照第一种疾病类型来认识和抗击第三种类型的疾病，把肿瘤简单地归结为“慢性病”。显然，这种观念会使人们不能真正理解肿瘤的本质与特征。我们有必要从“第三类生命”的角度来重新认识一下肿瘤。
独特的进化路径
自然界的生命除病毒之外，都是由细胞构成的，分为单细胞生物和多细胞生物两大类型。对于大肠杆菌或酵母等单细胞生物而言，一个细胞就是一个生命。对于动植物等多细胞生物而言，一个细胞显然不能等于一个完整的个体，即使一条极其简单的线虫也是由1千个左右的体细胞（somatic cells）构成。对于拥有40万到60万亿个细胞的人类而言，我们自然更不会把体内的一个体细胞视为一个生命。
但是，我们不要忘记，构成机体的每一个体细胞都拥有一个完整的基因组；当今的干细胞生物学家可以利用各种技术将一个体细胞诱导生长为一个完整的个体。更重要的是，近年来的研究工作揭示，不同细胞在机体发育生长的过程中也会按照达尔文的自然选择规律进行细胞间的竞争（cell competition）。在细胞竞争中，增殖速率低的细胞属于失败者，被增殖速率高的成功者细胞感知并清除。一项对小鼠胚胎的研究指出，在发育过程中不同的外胚层细胞表达不同数量的myc转录因子，myc表达量高的细胞有明显的增加，而myc表达量低的细胞则被清除掉[1]。2019年的一项最新研究指出，在小鼠皮肤发育过程中，敲除了myc家族转录因子“mycn”的杂合子细胞，相对于正常表达mycn的野生型细胞来说属于细胞竞争的失败者，但相对于完全缺失mycn的纯合敲除细胞来说则处于成功者状态；这表明了细胞间的竞争是相对的[2]。有趣的是，该项研究还发现细胞竞争可以导致不同的效果：在胚胎发育早期的细胞竞争中，成功者细胞诱导失败者细胞凋亡和清除；而随着胚胎发育的进展，细胞竞争中的成功者细胞则驱动失败者细胞分化和迁移[2]。也就是说，细胞竞争在个体的发育生长过程中发挥着不同的生理作用。
肿瘤细胞的主要特征是，其增殖能力通常比正常的体细胞强大。显然，肿瘤的产生也是一种细胞竞争的结果。国际肿瘤研究权威罗伯特•温伯格（r.weinberg）在其名著《癌生物学》（the biology of cancer）专门有这样一节介绍肿瘤的进化——“肿瘤进展符合达尔文进化论的规律”；他这样写到：“在肿瘤进展过程中，进化单位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”[3]。2018年4月，欧洲科学家在《细胞》（cell）杂志的同一期上登载了3篇关于肾癌细胞（clear-cell renal cell carcinoma，ccrcc）进化的研究论文；通过对上百名患者组织样本的全基因组测序和分析，研究者发现，ccrcc的发生是典型的克隆进化（clonal evolution），可以根据其突变模式分为7个克隆进化亚型和各自特定的进化路径；而这类肿瘤的转移同样也是进化的结果，肿瘤细胞间异质性（intratumor heterogeneity）低的原发肿瘤细胞群体进展比较快，而异质性高的原发肿瘤细胞群体则演化的比较慢。
肿瘤细胞间异质性也正是肿瘤细胞进化的一个主要驱动力——在一个肿瘤细胞群体中，不同的肿瘤细胞往往具有不同的突变。研究者发现，肿瘤细胞间异质性程度差别很大，在原发肿瘤细胞群体、或者原发肿瘤细胞与转移肿瘤细胞之间、或者复发的肿瘤细胞，不同细胞的基因编码序列上可以出现不同数量的突变——从0到8千多[4]。“一旦一个遗传异质群体出现，选择的力量倾向于让那些由于基因突变携带优势性状的个体细胞（以及它们的子代细胞）生存”[3]。
肿瘤细胞的耐药性往往也是肿瘤细胞进化的结果，即那些在治疗过程通过自身的改变而适应了药物作用的肿瘤细胞就可以存活下来。最近就有一个关于肿瘤细胞是如何适应肿瘤免疫治疗新技术的典型案例。这种新技术称为“嵌合抗原受体t细胞”（chimeric antigen receptor t cells，简称“car-t”），即通过改造患者自己的t淋巴细胞，加上一个可以特异识别血液肿瘤细胞表面靶点（常见的是cd19）的嵌合抗原受体（car）；改造后的t细胞再被回输到患者体内，就能够识别和杀死癌细胞。在给一名b细胞急性淋巴细胞白血病（b-all）的患者回输car-t细胞的28天之后，患者的病情就完全缓解了；但是，该患者随后又出现了复发，并且对car-t具有耐药性。进一步的研究发现，在制造car-t细胞时，那个本该加到t细胞上的car，也被意外地加到患者的一个癌变b细胞上，形成了“car-癌细胞”；这个癌细胞表达的car与自身的cd19结合，阻挡了car-t对癌细胞的识别。因此，这一个car-癌细胞通过克隆进化在该患者体内不断扩增，最终导致了白血病复发[5]。研究者不久前还发现了肿瘤细胞另一种对car-t的耐药性策略：癌变b细胞能够把自身的表面抗原cd19转移到输入体内的car-t细胞上，不仅让自己逃避了car-t的识别，而且同时让带上cd19的car-t细胞自相残杀[6]。
另外一个癌细胞对pd-l1治疗产生耐药性的案例也很“神奇”。pd-l1抗体是当前肿瘤免疫治疗的重要武器，它可以专一地结合肿瘤细胞膜上的pd-l1受体，从而消除肿瘤细胞的免疫逃逸能力，从而让机体的免疫细胞识别和杀死肿瘤细胞。2019年一项研究非小细胞肺癌（nsclc）患者对pd-l1抗体产生耐药性的研究发现，其体内有一些癌细胞不仅拥有在细胞膜表面的pd-l1，而且还通过mrna异常剪切产生缺失跨膜结构的pd-l1变体片段；肿瘤细胞把这些不再与细胞膜结合的pd-l1变体分泌出去，富集在病灶周围；一旦发现了pd-l1受体，这些pd-l1变体就能够与之结合，从而导致了这些肿瘤细胞对pd-l1受体的耐药性[7]。
反向生长的体细胞
多细胞生物通过发育过程逐渐形成，从单个受精卵开始，通过细胞增殖方式不断地增加体细胞的数量，直到产生一个完整个体所需要的细胞数；在体细胞数量增加的同时，体细胞的种类也在通过细胞分化的方式不断增加，形成如神经细胞和脂肪细胞等机体所需要的各种类型的细胞。科学家发现，分化程度高的体细胞如神经细胞和脂肪细胞通常都丧失了细胞增殖能力，而分化程度不高的体细胞如早期胚胎细胞和造血干细胞则保持了很强的细胞增殖能力。
肿瘤细胞大多是从分化程度高的体细胞演化而来，通常是通过降低其细胞分化程度来提升细胞增殖能力；这种逆转细胞分化的过程称为“去分化”（de-differentiation）。显然，如果让肿瘤细胞再重新分化，将导致其增殖能力下降。我国著名学者王振义教授就是因其开创了白血病诱导分化疗法在2011年获得了国家最高科学技术奖。他发现一种恶性细胞——“急性早幼粒细胞”在“全反式维甲酸”药物的作用下，能够被诱导分化成良性细胞。由此他奠定了诱导分化治疗肿瘤的临床基础理论，并确立了治疗急性早幼粒细胞白血病的“上海方案”。2019年初瑞士科学家发表的一项研究工作表明，给乳腺癌细胞用mek抑制剂和抗糖尿病药物罗格列酮进行联合处理，能够把恶性乳腺癌细胞诱导分化为脂肪细胞，从而有效抑制了原发性肿瘤细胞的侵袭以及转移能力[8]。
更多的研究工作揭示，肿瘤的产生有可能是多细胞生物个体发育过程中一个副产品，其发生的途径并不仅限于细胞去分化。不久前，加拿大科学家利用单细胞转录组测序技术和生物信息学技术，比较了各种儿童小脑肿瘤样本的表达谱与某一特定发育路径中不同时间节点的正常细胞群的表达谱之间的相似性；研究者发现，某种类型的小脑肿瘤往往只与处于某个特定时间节点内的发育细胞群较为相似；例如，pfa型室管膜瘤的基因表达特征与小鼠胚胎期第16天的胶质前体细胞群最为接近[9]。这项研究在一定程度上支持了上世纪60年代皮尔士（b. pierce）博士提出的假说：在胚胎发育过程中，其中任何一个阶段的特定细胞分化受阻，将导致该类细胞停留在受阻的特定发育阶段，从而产生相应分化水平的肿瘤。
当然，很多肿瘤来自机体已经高度分化的“成熟”体细胞，它们又是怎么样“去分化”的？为此，美国华裔科学家刘劲松博士提出了一个“多倍体细胞”理论：成熟体细胞通过无性繁殖方式形成多倍体细胞，并获得类似胚胎干细胞的潜能。他们在研究中发现了一类多倍体肿瘤巨细胞（polyploid giant cancer cells，pgcc）具有类似胚胎早期发育的卵裂球的功能。进一步的研究发现，某些成熟体细胞在特定的环境压力下，其有丝分裂和细胞质分裂（cytokinesis）被关闭，细胞的生长是通过核内复制（endoreplication）的过程进行多次复制，形成一个类似于受精卵的卵裂球样结构，进而导致这类细胞获得类似于胚胎干细胞的干性潜能，重新具备了向肿瘤间质的成纤维细胞和血管内皮细胞等不同种类细胞分化的能力。也就是说，某些肿瘤发生是源于成熟体细胞去分化并逆向返回到个体发育最早期的卵裂阶段[10]。
不久前，美国科学家戴维斯（p. davies）等人从进化与发育的相互关系之角度提出了独特的理论——“癌症返祖理论”（atavistic theory of cancer）：癌症其实是一种返祖现象，是体细胞回溯进化的历史，变回到从单细胞生物进化成多细胞生物时候的过渡态；在这个状态下，来自单细胞进化中的一系列古老的基因被唤醒，而多细胞生物特有的基因则被抑制；而所谓“去分化“就是这些古老基因得到了高表达[11]。澳大利亚科学家利用生物信息学技术对肿瘤基因组数据进行了系统地分析，其研究结果充分支持“癌症返祖理论”；此外，这些研究人员还发现，在正常细胞内用来协调多细胞状态和单细胞状态相互作用的那些控制基因的表达在肿瘤细胞里被抑制了[12]。
从这些研究工作可以看到，肿瘤细胞恶性生长的现象并不能简单地归结为促癌基因或抑癌基因突变的后果，而是涉及到多细胞生物在发育过程中更为复杂的调控因素。过去人们主要关注肿瘤细胞；但是，现在人们已经充分认识到，肿瘤的产生不仅需要肿瘤细胞，还要有肿瘤新生血管，肿瘤成纤维细胞，免疫细胞等各种细胞的参与。可以说，肿瘤是另类的多细胞生物，有着自身的发育路径和发育方式。
结论
我们经常从历史和现实中听到过这样的说法，在一支为了共同目标而团结奋斗的队伍中，总会有一些个体，由于出身不好（先天因素）或者抵抗不了环境诱惑（后天因素），蜕变成为异己分子。肿瘤细胞就是我们机体中的异己分子，由于携带的遗传突变或者环境诱发的新突变，他们背叛了要维护机体健康的“初心”，只关心自我的私利，通过损坏机体的正常机能来扩张自身肿瘤细胞的队伍；他们或巧妙地利用机体已有的各种生物学手段，或发展出全新的生物学手段，用以逃避机体的检查与防御机制，对抗种种治疗方法。显然，抗击肿瘤绝不是简单地对机体修修补补，而是一场两类生命对决的战争！人们要彻底避免或消灭自身体内这些肿瘤异己分子绝非易事。
参考文献
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