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Review-青山讀文獻(xiàn) 第一期
The Hallmarks of Cancer
引言
隨著人類對(duì)癌癥領(lǐng)域研究的不斷開拓，從患者的臨床表現(xiàn)，到分子水平的機(jī)制探索，都取得了巨大的進(jìn)步。診療技術(shù)的革新，對(duì)客觀現(xiàn)象的主觀總結(jié)，人類一次又一次的重新定義癌癥的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制。鐵打的癌癥，流水的機(jī)制，然而，不變的是癌癥的某些特征。今天來(lái)讀Weinberg的 “萬(wàn)引“著作《The Hallmarks of Cancer》，跟隨前人的闡述，去體會(huì)科研探索的奧妙。
人類對(duì)癌基因本質(zhì)的認(rèn)識(shí)是起自孟德爾、摩爾根對(duì)遺傳現(xiàn)象的探索、遺傳物質(zhì)的鑒定以及DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被解析之后。起初， Robert Huebner和GeorgeTodaro于1969年提出了癌基因?qū)W說。細(xì)胞癌變是由病毒基因組中的癌基因引起的，癌基因是病毒基因組的一部分。如果癌基因受到阻遏，細(xì)胞可以保持在正常狀態(tài)，一旦這種阻遏被打破，細(xì)胞就發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化。（癌基因來(lái)自病毒基因組）。1971年，Howard Temin (反轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)者之一) 提出癌基因可由正常細(xì)胞基因 (原癌基因)通過體細(xì)胞突變或遺傳產(chǎn)生。體細(xì)胞突變致癌學(xué)說，映射著細(xì)胞分化致癌學(xué)說以及病毒癌基因組學(xué)說?；瘜W(xué)因子、物理因子、生物因子均被發(fā)現(xiàn)可引起體細(xì)胞基因突變。
基因突變致癌學(xué)說的提出，激發(fā)一大批科學(xué)家去鑒定癌基因以及潛在的功能機(jī)制。研究進(jìn)展迅速，C-src是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的正常細(xì)胞中的原癌基因（proto-oncogene）。在1980年，癌細(xì)胞基因組DNA被轉(zhuǎn)入正常細(xì)胞內(nèi)，正常細(xì)胞發(fā)生了轉(zhuǎn)化并獲得了癌細(xì)胞的特征。此時(shí)，關(guān)于癌細(xì)胞是否真的發(fā)生了原癌基因的自發(fā)突變，是在1982年，發(fā)現(xiàn)癌基因H-ras與原癌基因ras 相比，前者僅發(fā)生了一個(gè)DNA堿基的點(diǎn)突變，就獲得了致癌的能力。那么發(fā)現(xiàn)這個(gè)癌基因的科學(xué)家就是Weinberg。
正文解讀
Robert Allan Weinberg ，美國(guó)癌癥學(xué)家，首次發(fā)現(xiàn)人類癌基因Ras（Ras subfamily）和腫瘤抑制基因Rb1（Retinoblastoma gene）的人之一。著作有《The Hallmarks of Cancer》；《Hallmarks of Cancer: the next generation 》；《The Biology of Cancer》?；谕蛔冎掳W(xué)說，眾多的癌基因被科學(xué)家鑒定出來(lái)，原癌基因Ras, MYC的激活，抑癌基因Rb , p53, PTEN的失活等。
作者提出，腫瘤細(xì)胞同樣遵循達(dá)爾文進(jìn)化論，迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了100余種癌癥，不同癌癥之間，甚至不同腫瘤細(xì)胞之間，從基因的表達(dá)到表型都存在明顯的異質(zhì)性。癌細(xì)胞內(nèi)部會(huì)有多少個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)路被破壞？腫瘤細(xì)胞與周圍正常的細(xì)胞之間的調(diào)節(jié)環(huán)路是否會(huì)被破壞？哪些信號(hào)是癌細(xì)胞從周圍微環(huán)境中接收的？三個(gè)問題，作者提出了腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜性，并總結(jié)了癌細(xì)胞的6大獲得性特征。分別是自給自足的生長(zhǎng)訊號(hào)、抗生長(zhǎng)信號(hào)的不敏感、組織侵襲轉(zhuǎn)移、潛力無(wú)限的復(fù)制能力、持續(xù)的血管新生、逃避細(xì)胞凋亡。
自給自足的生長(zhǎng)信號(hào)self-sufficiency in growth signals
對(duì)于正常細(xì)胞，胞外生長(zhǎng)信號(hào)，如生長(zhǎng)因子通過跨膜受體傳遞到細(xì)胞內(nèi)，啟動(dòng)細(xì)胞周期，有絲分裂開始從而進(jìn)入活躍的細(xì)胞增殖狀態(tài)。而癌細(xì)胞降低了自身對(duì)胞外的生長(zhǎng)信號(hào)依賴性，自給自足的生長(zhǎng)因子使癌細(xì)胞獨(dú)立于組織中的正常細(xì)胞。膠質(zhì)母細(xì)胞瘤及肉瘤細(xì)胞所分泌的血小板衍生生長(zhǎng)因子（Platelet derived growth factor，PDGF），和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（transforming growth factor-β,TGF-β) 就是一個(gè)例子。
癌細(xì)胞膜上存在調(diào)控癌細(xì)胞生長(zhǎng)的跨膜受體，受體的過表達(dá)使癌細(xì)胞對(duì)胞外的生長(zhǎng)信號(hào)過度敏感。比如erbB受體家族中的上皮生長(zhǎng)因子（Epidermal Growth Factor Receptor，EGFR）、HER2/neu在胃、乳腺腫瘤中過表達(dá)。另外，癌細(xì)胞通過非配體依賴性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（Ligand-independent signaling）調(diào)控mRNA的表達(dá)。
癌細(xì)胞通過自身分泌的方式特定上調(diào)轉(zhuǎn)導(dǎo)促生長(zhǎng)信號(hào)的整合素（integrin）。正確的結(jié)合細(xì)胞外基質(zhì)（Extracellular matrix ECM）的integrin受體，可以傳導(dǎo)的胞外信號(hào)，使正常細(xì)胞從靜止到運(yùn)動(dòng)、激活細(xì)胞周期、啟動(dòng)凋亡。錯(cuò)誤的結(jié)合則產(chǎn)生相反的結(jié)果。依賴結(jié)合配體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、依賴ECM的integrin信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可以激活SOS-Ras-Raf-MAP kinase 通路。
接收到生長(zhǎng)信號(hào)后，下游的胞質(zhì)內(nèi)的調(diào)節(jié)環(huán)路發(fā)生了復(fù)雜的改變。SOS-Ras-Raf-MAP kinase 通路處于這些改變的中心環(huán)節(jié)。大約25%的癌癥，Ras蛋白存在結(jié)構(gòu)變異，在不依賴胞外持續(xù)刺激的情況下，可以使癌細(xì)胞有絲分裂持續(xù)進(jìn)行。約半數(shù)的結(jié)腸癌患者攜帶突變的Ras。剩余的患者也存在由Ras蛋白激活的生存信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的缺陷。如圖5所示，除SOS-Ras-Raf-MAP kinase 通路，縱橫交錯(cuò)的級(jí)聯(lián)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑都參與了細(xì)胞生長(zhǎng)信號(hào)的傳遞。
在正常組織中，調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)的信號(hào)主要來(lái)自鄰近細(xì)胞（旁分泌）和內(nèi)分泌系統(tǒng)。幾乎所有的細(xì)胞都有亞型，同質(zhì)細(xì)胞間的信號(hào)互相促進(jìn)生長(zhǎng)。而腫瘤微環(huán)境中，來(lái)自不同類型細(xì)胞間的異質(zhì)信號(hào)也有促癌細(xì)胞生長(zhǎng)的作用，如基質(zhì)細(xì)胞。
抗生長(zhǎng)信號(hào)不敏感（Insensitivity to Antigrowth Signals）
在正常組織中，存在多個(gè)抗增殖信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，維持細(xì)胞靜止和組織穩(wěn)態(tài)。初始的癌細(xì)胞需要避開這些與細(xì)胞周期相關(guān)的信號(hào)途徑，才可以繼續(xù)增殖。所有的抗增殖信號(hào)都要經(jīng)過pRb和與之相關(guān)的p107，p130。在低磷酸化的狀態(tài)下，pRb為激活態(tài)，通過調(diào)控E2F轉(zhuǎn)錄因子，抑制與G1期進(jìn)入S期相關(guān)的基因的表達(dá)。pRb通路的破壞，釋放了E2F，促進(jìn)了細(xì)胞增殖。
另外，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道TGFβ可調(diào)控正常細(xì)胞的pRb 的磷酸化水平，當(dāng)TGF-β受體突變，Smads、p15、CDK4基因突變，都可以引起pRb磷酸化失控，促進(jìn)細(xì)胞周期。
DNA病毒誘發(fā)的腫瘤中，pRb蛋白的功能可以被病毒蛋白清除，例如人乳頭病毒的E7蛋白促進(jìn)pRb與E2F解離，使E2F結(jié)合下游基因的啟動(dòng)子，促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)。
另外，癌細(xì)胞也可能關(guān)閉整合素、細(xì)胞黏附分子等傳遞抗生長(zhǎng)信號(hào)的蛋白。正常細(xì)胞中，Myc-Max復(fù)合體與Mad-Max復(fù)合體處于動(dòng)態(tài)平衡，分別控制細(xì)胞的增殖與分化。而腫瘤細(xì)胞的Myc蛋白過表達(dá)，使Myc-Max功能過強(qiáng)，抑制了細(xì)胞分化，從而鈍化癌細(xì)胞對(duì)抗生長(zhǎng)信號(hào)的敏感性。
3.逃避凋亡 Evading Apoptosis
細(xì)胞凋亡由細(xì)胞的感受器和效應(yīng)器控制，感受器接受胞內(nèi)外信號(hào)，檢測(cè)細(xì)胞狀態(tài)。典型的感受器有胞外配體-受體感受器，傳遞生存信號(hào)的IGF-1 / IGF-1R 組合以及 IL-3 / IL-3R 組合。傳遞死亡信號(hào)的FAS ligand / FAS-R組合和 TNFα / TNF-R 組合。胞內(nèi)的感受器監(jiān)測(cè)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，如低氧環(huán)境、DNA損傷等。主要效應(yīng)器有capase-8，capase-9。
啟動(dòng)細(xì)胞凋亡的信號(hào)有兩個(gè)來(lái)源，細(xì)胞凋亡的途徑在外源性途徑，死亡配體與受體結(jié)合，將信號(hào)轉(zhuǎn)至胞內(nèi)，啟動(dòng)Caspase，啟動(dòng)細(xì)胞凋亡程序。在內(nèi)源性途徑，細(xì)胞在應(yīng)激的條件下，細(xì)胞釋放細(xì)胞色素c（cytc），cytc與APAF-1以及capase-9形成凋亡小體，進(jìn)一步啟動(dòng)凋亡級(jí)聯(lián)反應(yīng)。
細(xì)胞凋亡是抗癌屏障，癌細(xì)胞通過多種分子機(jī)制的改變躲避凋亡程序。p53基因的突變是目前研究最多的癌細(xì)胞抑制凋亡程序的機(jī)制。p53蛋白可以和促凋亡蛋白bax結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞凋亡程序。而p53基因突變，使p53蛋白與bax結(jié)合的能力喪失，從而抑制凋亡程序。
PI3K/PTEN/Akt通路與癌癥密切相關(guān)，同樣參與了癌細(xì)胞抗凋亡的過程。PI3K是一種胞內(nèi)的磷脂酰肌醇激酶，由p85、p110亞基組成，可以被受體酪氨酸激活。目前，可被生長(zhǎng)因子受體和Ras蛋白激活，活化的PI3K可以調(diào)整AKT的表達(dá)，活化的AKT阻礙Caspase磷酸化，使其失活，抑制細(xì)胞凋亡。另外，胞外的IGF1，IL3過表達(dá)，胞內(nèi)的Ras活化，PTEN缺失，均會(huì)激活PI3K/Akt通路。
有研究報(bào)道，癌細(xì)胞可以產(chǎn)生Fas蛋白的誘餌受體，該受體可以與競(jìng)爭(zhēng)Fas受體競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合Fas蛋白，從而抑制傳遞死亡信號(hào)的Fas通路，從而抑制細(xì)胞凋亡。
4.無(wú)限復(fù)制能力 Limitless Replicative Potential
細(xì)胞停止分裂是由細(xì)胞自身決定，正常的體外培養(yǎng)的細(xì)胞壽命不是無(wú)限的，只能進(jìn)行有限次數(shù)的增殖。這就是美國(guó)生物學(xué)家Leonard Hayflick提出的Hayflick界限。而癌細(xì)胞則能夠在體外無(wú)限增殖，據(jù)報(bào)道Rb、p53突變是使癌細(xì)胞突破增殖危機(jī)期的分子機(jī)制。
端粒及端粒酶是保護(hù)染色體完整復(fù)制的基礎(chǔ)，隨著有絲分裂次數(shù)的增多而消耗。而在腫瘤細(xì)胞中存在端粒維持機(jī)制，如端粒酶合成增加機(jī)制，端粒替代延長(zhǎng)機(jī)制（ALT）。
5.持續(xù)的血管新生 Sustained Angiogenesis
與想象相反，處于異常增殖的細(xì)胞，起初缺乏生成血管的能力，為了達(dá)到更大的體積，腫瘤細(xì)胞逐漸獲得了血管新生的能力。腫瘤血管生成調(diào)控主要依賴“三套馬車”：血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子及其受體（VEGF-VEGFR）、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子及其受體（FGF-FGFR）和血小板衍生生長(zhǎng)因子及其受體（PDGF-PDGFR）。VEGF-VEGFR和FGF-FGFR是其中更為重要的兩條通路，也是藥物研發(fā)的重要切入點(diǎn)。
血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），是一個(gè)家族，包括VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D、VEGF-E和胎盤生長(zhǎng)因子（PGF）。VEGF受體目前發(fā)現(xiàn)有VEGFR-1/2/3,為酪氨酸激酶。靶向VEGF或VEGFR的藥物已經(jīng)應(yīng)用于臨床抗腫瘤治療。
TSP-1（Anti-angiogenic factors）是目前受關(guān)注最多的抗血管生成因子之一，與細(xì)胞膜受體，如CD36結(jié)合，導(dǎo)致非受體依賴的酪氨酸激酶FIN磷酸化，進(jìn)而發(fā)揮抗血管生長(zhǎng)作用。與之相對(duì)，F(xiàn)GFR同樣是酪氨酸激酶型的受體，結(jié)合配體后激活胞內(nèi)酪氨酸激酶，發(fā)揮促血管新生的作用。
具備促血管新生能力的癌細(xì)胞逐漸被進(jìn)化選擇，形成增殖優(yōu)勢(shì)。抑癌基因p53突變能夠上調(diào)TSP-1的表達(dá)，發(fā)揮抗血管新生的作用，突變的p53基因?qū)е碌鞍坠δ苋笔В琓SP-1下調(diào)，釋放抑制血管新生的能力。此外PTEN缺失也會(huì)導(dǎo)致TSP-1表達(dá)降低。另外Ras激活可以上調(diào)VEGF的表達(dá)，促進(jìn)血管新生。
除了基因突變，蛋白激酶通過調(diào)控促/抗血管生成因子的生物利用度，實(shí)現(xiàn)血管新生的開關(guān)。一方面，蛋白激酶可以釋放細(xì)胞外基質(zhì)中儲(chǔ)藏的促血管生成因子FGF，另一方面，凝血系統(tǒng)的纖溶酶可以轉(zhuǎn)變?yōu)檠芤炙?，抑制抗血管生成因子的作用。以上為癌?xì)胞實(shí)現(xiàn)調(diào)控血管新生的主要機(jī)制。
6.組織侵襲和轉(zhuǎn)移 Tissue Invasion and Metastasis
腫瘤轉(zhuǎn)移是患者主要死因，鈣離子依賴的細(xì)胞黏附素（Cadherins），細(xì)胞粘附分子（CAMs），
整合素（Integrins），蛋白酶（Proteases）是主要參與腫瘤轉(zhuǎn)移的分子。其中，Cadherins和CAMs是介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞，細(xì)胞與細(xì)胞基質(zhì)之間聯(lián)系的膜蛋白。癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的過程離不開黏附與解離。黏附分子負(fù)責(zé)連接細(xì)胞與細(xì)胞基質(zhì)，蛋白酶負(fù)責(zé)破壞細(xì)胞與基質(zhì)間的連接，促進(jìn)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移。在鈣離子存在時(shí)，能夠抵抗蛋白酶的水解作用，主要介導(dǎo)同源細(xì)胞之間的連接。
Cadherin家包括了E-、N-和P- Cadherin，過表達(dá)E-Cadherin可以抑制腫瘤細(xì)胞的侵襲及轉(zhuǎn)移能力。神經(jīng)細(xì)胞黏著因子（Neural celladhesion Molecule N-CAM）與整合素（Integrin）是膜蛋白介導(dǎo)細(xì)胞與基質(zhì)間黏附。
腫瘤細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞共同培養(yǎng)后，能夠上調(diào)uPA的表達(dá)，uPA與癌細(xì)胞表面的受體結(jié)合，激活基質(zhì)金屬蛋白酶系統(tǒng)（matrix metalloproteinase MMPs），導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)降解。癌細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)移要經(jīng)歷四個(gè)步驟，黏附，降解，移動(dòng)，增殖四個(gè)步驟，細(xì)胞間，細(xì)胞與基質(zhì)間黏附程度的改變是始動(dòng)步驟，而蛋白酶可以降解阻礙癌細(xì)胞移動(dòng)的組織學(xué)屏障。
7.總結(jié)
Weinberg教授在2000年發(fā)表的本文，系統(tǒng)的總結(jié)了癌癥的6個(gè)獲得性的能力，涉及了腫瘤生長(zhǎng)、增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移四個(gè)表型。讀完本文，對(duì)于剛接觸科研的同學(xué)們，可以從本文收獲腫瘤領(lǐng)域的初步整體觀。那么，這期是青山讀文獻(xiàn)的第一個(gè)模塊（綜述）的第一期。后續(xù)會(huì)繼續(xù)學(xué)習(xí)，分享腫瘤領(lǐng)域的基礎(chǔ)科研文獻(xiàn)，希望對(duì)于在做生信分析的老師們，有了基礎(chǔ)科研的背景，生信套路不再是一眼看到底的套路灌水文。加油！
