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揭秘癌癥發生全過程

這一里程碑式的成果像進化樹一樣，首次描繪出一幅癌癥基因組的全景圖，而不是個別基因中的個別突變。

走出廣州醫學院第一附屬醫院的大門時，28歲的陳小川一臉茫然。她怎麽也想不通，與她同齡的丈夫不抽煙、不喝酒、每周堅持遊泳，為什麽會突然被查出肺癌晚期？一份來自國內最權威的呼吸病研究機構的“判決書”，讓這個家庭毫無準備地走上了艱辛的抗癌之路。

與陳小川夫婦相似，對於絕大多數的腫瘤患者來說，癌癥都是來得那麽突然。為什麽有些人抽了一輩子煙也沒有得肺癌，為什麽有些女人到了50歲以後乳腺癌的發病率高達80%？導致臨床上1/7死亡病例的癌癥似乎無處不在，又無據可查。

然而來自英國桑格研究院（Wellcome Trust Sanger Institute）的最新研究表明，癌細胞在癌癥發生的過程中留下了蛛絲馬跡。“這些痕跡就像是留在癌細胞DNA中的考古學印記，癌細胞中的突變過程在癌癥引起註意之前很多年，就已經被激活了。”

斯特拉頓（Mike Stratton）教授領導的研究小組，通過測序分析21個乳腺癌患者基因組，發現了癌癥發生發展過程中出現的突變，首次解析了癌癥發生發展的全過程。基於這一研究成果的兩篇重磅論文接連發表在《細胞》雜誌上。

癌癥進化樹

“所有的癌癥都是由突變引起的，這些突變稱為體細胞突變，是在人一生當中，由最初正常細胞中的DNA逐漸出現的。”斯特拉頓教授說。

基因發生突變的體細胞，在與正常體細胞生存競爭的過程中不斷進化，最終變成永生不死的癌細胞。癌細胞無限制地增殖，進而導致腫瘤的發生。這聽起來很像是達爾文關於物種起源的“進化論”。兩者的區別在於，物種的進化要歷經成千上萬年，而癌變的發生，則只需要數年，甚至更短的時間。

在癌變發生的過程中，體細胞的每一次突變，都會在其基因組上留下印跡。就像是在一次次地加蓋印戳。分析基因組上不同時期體細胞變異時留下的印跡，就可以得到癌細胞完整的進化史。

“我們就像考古一樣挖掘出了這項癌癥基因組，揭示了之前未知的突變模式。雖然我們並不確切了解引發這些突變模式的生物學機理，但是我們認為正常細胞中產生突變的某些過程被過度激活了，這樣簡單的引發了過多突變的出現，造成癌癥。”斯特拉頓教授就是根據這個原理，通過研究21名乳腺癌患者的基因組，繪制出乳腺癌體細胞突變的進化樹。

據此闡釋了癌變發生的詳細過程：最初基因突變的體細胞首先會不斷分化，形成一個龐大的突變體細胞家族。家族的成員經過體內微環境的“自然選擇”，只有生存能力最強的亞克隆才能不斷增殖。同時，通過這種方式，癌癥基因在突變體細胞內不斷累積，後者也逐漸完成了自身的進化。但某一突變體細胞的亞克隆占到其家族細胞總數的半數以上，患者就會臨床上表現出癌癥的具體癥狀。

“英國學者的這項最新研究猶如為癌癥的發生發展構建了一棵進化樹。”國內乳腺癌專家、中山大學附屬第二醫院副院長宋爾衛教授在接受筆者采訪時對此評價，這項研究的成果與腫瘤發展的分支演化理論相符合。

“同一個樹幹，好比物種起源時的同一個祖先，在進化過程中由於受到環境的影響，分出不同分叉的物種，向不同的方向發展，腫瘤細胞也類似如此。”

“一些概率比較高的突變基因發生在腫瘤的早期，在腫瘤發展的過程中不斷有新的突變出現，每一種新的突變衍生出一種新的分支，由樹幹到樹枝，越來越細，樹枝就代表概率低的突變，也就是在腫瘤後期晚期發生出來的基因突變。”宋爾衛說，這項研究成果就像一棵進化樹一樣，描繪出一幅癌癥基因組全景圖。

細胞機制缺陷

癌變發生的過程表明，多數乳腺癌患者在被確診之前，體內的癌變就已經開始。在臨床上，只有癌變發展到一定程度，或者說，只有突變體細胞完成自身的進化，癌變才有可能被目前的診斷手段所發現。而事實上，癌癥的發生過程應以體細胞變異為起點，如此算來，患者早在十余年前就已經患上癌癥。

“這種現象很早就有人提出，癌細胞逃避人體免疫的監控後，在目前的技術還不能發現之前，被稱為亞臨床腫瘤。”宋爾衛說，“一個人一生中是否容易患癌癥，可能在出生的時候已經被腫瘤易感基因決定了，我們希望盡量把臨床發現點提前到越早越好，但目前還無法提前到腫瘤剛發生的時候。”

斯特拉頓教授在論文中闡述，“我們不認為這些突變模式是外部因素，比如吸煙，或者光照引起的，這些常被認為是引發突變和癌癥的因素，相反我們認為引發這些突變模式的是內部細胞機制缺陷。”

“但為什麽有些即使存在突變，人體內的免疫系統也會把這些早期癌細胞清除掉，而有些突變即使不是很明顯，但是還是能夠引起許多癌癥基因的激活？”

宋爾衛教授認為，基因突變的確很大程度上取決於先天缺陷，但是這些缺陷的基因能不能表達，或者是這個基因在突變之後會不會擴增，將受到很多因素的影響，比如轉錄水平、轉錄前水平和轉錄後水平的調控，這些被稱為表觀遺傳調控的因素不依賴於DNA序列。“這些調控現在被認為比DNA序列的突變更重要，受環境的影響更大。”

“英國學者的研究目前從DNA序列層面上提供了腫瘤異質性的依據，但腫瘤的發生發展更重要取決於基因表達譜的變化，有突變的基因不一定表達，或者有些沒有突變的基因可能有過表達，另外還涉及蛋白質有沒有表達，蛋白質表達有沒有信號通路激活等等。”宋爾衛說。

對此，斯特拉頓教授在論文中也表示，目前還需要更多的實驗，來驗證細胞機制缺陷引發突變的觀點。

英國的研究者還發現了一種獨特的體細胞突變機制——“kataegis”模式。

在基因組一個小範圍的區域內，短時間內會發生大量的基因突變。這與體細胞突變中通常“循序漸進”的方式大相徑庭，這種突變的頻率與密度，猶如“疾風驟雨”一般，因此，該模式以“kataegis”（希臘語“暴風雨”的意思）來命名。

雖然，此突變機制在以前的研究中從未被發現。但是，在被研究的 21名乳腺癌患者體內，至少有13人體內發生了“kataegis”突變。這預示著此種突變方式可能在癌癥患者體內廣泛存在。進一步的研究發現，“kataegis”突變模式的發生，可能與細胞中的一種蛋白家族有關。

體細胞突變

盡管體細胞突變會導致機體發生癌變，但是在癌變過程中，不同的體細胞突變所發揮的作用卻不盡相同。

早在2009年，斯特拉頓教授就在《自然》雜誌上發表文章，提出了“司機突變—乘客突變”學說。他將癌變的細胞比作高速公路上飛馳的汽車。能夠直接導致癌變的體細胞突變稱之為“司機突變”（Driver Mutation）；而與癌癥發生相關，但不是起主導作用的突變，則被稱為“乘客突變”（Passenger Mutation）。這就好比：車禍發生了，責任在於肇事的司機，而不是同車的乘客。

近年來，癌癥基因組的研究發現，癌變過程中與之相關的體細胞突變位點有成千上萬處。但這其中起決定性作用的司機突變往往不足十處。在惡性膠質瘤、白血病、皮膚癌等患者體內，通常五個左右的司機突變就可直接導致癌癥的發生。司機突變的個數，遠遠小於乘客突變的數目。如何從上萬處體細胞突變中找到真正的罪魁禍首，並不容易。

斯特拉頓教授領導的研究小組，通過對一百名乳腺癌患者的基因組進行研究，經過邏輯算法分析後，在總計兩萬一千余處體細胞突變中找到了誘發癌變的關鍵突變九處。這也使得迄今為止，發現的乳腺癌司機突變累積達四十個。該研究成果發表在2012年5月的《自然》雜誌上。

更為複雜的是，這四十種司機突變，在不同的患者體內出現不同組合。在這一百名乳腺癌患者中，僅有28名患者體內只有一種司機突變，多數患者體內存在多種不同的司機突變組合，個別患者體內的司機突變最高可達六處。

斯特拉頓教授指出，“從目前的研究結果看，乳腺癌患者體內中至少存在七十余種司機突變組合。假設每名癌癥患者體內存在四種司機突變，那麽，臨床上出現三名患者的遺傳背景完全相同的概率幾乎為零”。

司機突變的隨機組合，導致了乳腺癌治療難度大為增加。

無論是癌細胞的生活史會經歷細胞分化，存在多種突變體細胞亞克隆,還是患者體內存在不同的司機基因組合。癌癥基因組的最新研究進展都表明了，癌癥本身是一種多遺傳性疾病。

但是，目前癌癥的診療卻往往會忽視這一點。臨床上的治療策略主要針對數目占優的突變體細胞。以治療乳腺癌的單抗藥物赫賽汀（Herceptin）為例，它的作用靶點是癌細胞過度表達的HER2基因。倘若患者體內的癌細胞中，存在不含HER2基因亞克隆，即便赫賽汀使用之初有效，隨著此種癌細胞進化、增殖，同樣會導致癌癥惡化或複發。

這也就解釋了，為什麽相同的治療方案，面對不同的患者會有不同的療效。治愈的癌癥患者又存在病情複發的可能。

癌癥基因組

1986年，諾貝爾獎獲得者杜爾貝克（R.Dulbecco）在《科學》上發表文章指出，“如果我們想更多地了解癌癥，就必須深入研究細胞的基因組”。這被視為癌癥研究的轉折點。同時，這一論述也直接促成了“人類基因組計劃”的啟動。

本世紀初，人類基因組草圖繪制完成。癌癥的研究開始進入基因組學階段。除了英國桑格研究院啟動的“癌癥基因組計劃”，2005年美國癌癥研究所和美國人類基因組研究所共同啟動“人類癌癥基因圖集”計劃，旨在繪制500例癌癥患者的基因圖譜；2008年，國際癌癥基因組聯合會成立，包括中國在內的九個國家，共同針對臨床上的五十余種癌癥進行基因組學研究。

在以上癌癥基因組計劃的推動下，近年來，誘發乳腺癌、皮膚癌、肺癌、腦瘤等癌癥的關鍵基因不斷被確認。這就從分子的層面，揭示癌變的發生機制。

正如斯特拉頓教授所言，“基因組學的研究，可以在細節上揭示癌癥的發生過程，這為制定更為精確的診療手段奠定了基礎。”

2012年3月，以我國華大基因研究院為主的科研團隊，采用“單細胞外顯子組測序技術”對血癌、腎癌進行基因組學研究。

華大基因的科學家團隊分別對一名骨髓瘤患者體內的58個癌細胞和一名腎癌患者的25個癌細胞進行基因測序，發現了腫瘤組織內部不同癌細胞有著非常大的差異。同時，他們推斷了腫瘤的複雜演化過程，並據此進一步明確了誘發癌變的一些重要突變。

在傳統的癌癥治療實踐中，通常將一些藥物直接用於某類癌癥病人中，然而這些發現預示著不同患者的癌癥組織差別很大，因此在用藥前需要對每個患者的癌癥組織進行仔細分析，才能夠“對癥下藥”，也就預示了癌癥的個體化治療的必要性與緊迫性。

就在英國桑格研究院關於乳腺癌基因組研究成果發布不久，美國聖猶大兒童醫院-華盛頓大學兒童癌癥基因組計劃公布了迄今為止最大的人類癌癥基因組全面數據。一部分數據公布在2012年5月29日出版的《自然遺傳》上。

公布的數據包含520個基因組序列，研究人員分析了這些基因組數據，找出每個兒童正常和癌變細胞中的差別，從而了解最致命兒童癌癥中超過一半以上的致病原因。兒童癌癥基因組計劃希望能在2012年年底，完成1200個基因組序列的測定，這些數據將免費提供給全球的科學團隊。

“這些數據離臨床還很遠，”宋爾衛教授認為，即使臨床醫生知道有這個基因突變表達，但是還沒有相應的靶點藥物。所以這些數據對科研的價值比目前對臨床的價值更大。它是非常寶貴的科研數據，有很多廠家可以利用這些數據去設計抗癌藥物。

但即使這些研究離臨床治療還有距離，但也是人類在征服癌癥中的積累式進步。

正如二十多年前研究發現25%-30%的乳腺癌表達過HER2基因，如今針對這個基因的靶向藥物赫賽汀已經上市，而且已經救了很多人的生命。

“一篇論文，不可能一下子就把腫瘤征服，但它確實是人類解決腫瘤問題的過程中一篇里程碑式的文章。我們需要不斷地積累，才能最終解決腫瘤的問題。”宋爾衛說。

或許在未來的某一天，當全基因組測序已經成為普通人體檢的一項常規項目，新生兒出生後必須通過測序建立個人基因檔案，腫瘤發生發展的過程和節點早在意料之中，到那時預防癌癥將不再是人類的終極夢想。