PDF《为人类最终战胜癌症展现曙光》

姻本报记者 潘锋 恶性肿瘤, 俗称癌症, 是目前人类健康的主 要威胁.

彻底消灭癌症, 是医学界老生常谈却始 终没有实现的目标.近日, 由上海交通大学医学 院仁济医院临床干细胞研究中心教授高建新领 衔的一项研究证实: 生殖干细胞基因 PIWIL2 在DNA 损伤修复中扮演着重要角色,相关研究论 文于

11 月16 日发表在国际知名学术期刊 《公共 科学图书馆 ・ 综合》 杂志上. 高建新早年毕业于上海第二医科大学, 获得 免疫学与微生物学博士学位, 之后前往加拿大达 尔豪西大学医学院做博士后研究, 主攻免疫性炎 症方向. 随后赴美国俄亥俄州立大学医学中心综 合癌症中心和病理学系任助理教授, 从事细胞免 疫与肿瘤干细胞的研究. 现任职于上海交通大学 医学院附属仁济医院干细胞研究中心, 任肿瘤发 生与免疫研究室主任,从事肿瘤干细胞发生、 发 展及与免疫系统的相互消长关系的研究, 率先报 道了癌前干细胞相关理论,提出了肿瘤发生、 发 展新概念, 以求找出肿瘤防治的新途径.高建新 介绍, 这篇文章是验证他提出的肿瘤发生、 发展 新理论的系列研究中的一环. 研究背景: 癌症干细胞假说被证实, 催生新争论 究竟是所有癌细胞都一模一样, 都同样有能 力促使肿瘤生长、 扩散;

还是仅其中一群癌细胞比 另一群癌瘤细胞更 高级 , 即更具增殖、 侵袭、 抗药、 转移的潜力, 只有它们才是真正罪魁祸首?这 一问题一直困扰着肿瘤研究者.2003 年, 继1997 年加拿大多伦多大学约翰 ・ 迪克 (John Dick) 在血 癌中验证癌症干细胞 (Cancer Stem Cell) 假设后, 美国密歇根大学癌症中心首次在实体肿瘤中验证 了癌症干细胞假设:癌症发展主要由少数的癌症 干细胞主导.尽管如此, 癌症发生、 发展是否由癌 症干细胞介导,癌症干细胞是否仅仅由干细胞变 坏而来, 目前医学界仍然存在争论. 从肿瘤发生的条件来看, 干细胞的确是癌变 基因的理想萌生处和持久的载体.但是, 只要条 件允许, 体细胞也有可能转化为癌症干细胞.癌 症干细胞是如何发展而来的才是问题的关键所 在.高建新分析说, 首先, 癌变发生在哪个细胞, 要看这个细胞是否具有不断分裂、增殖的能力, 增殖细胞则具有较多的基因突变的机会. 癌细胞 的形成, 往往需要长期、 多个癌基因突变而致. 干 细胞无疑最易累积突变基因而向癌细胞转化. 由 于干细胞具有自我更新的特性, 其积累的突变癌 基因不太会因为组织更新而丢失.在器官、 组织 内, 只要需要, 一个干细胞可以产生两个子代细 胞:其中一个细胞保持原样即自我更新状态, 另 一个细胞可以分化成该组织特异性祖细胞并进 一步扩增分化成该组织特有的细胞. 虽然不能完 全排除体细胞分化而发展成肿瘤干细胞, 但一般 而言, 高度分化的组织特异性细胞不太会是肿瘤 的始作俑者, 因为它们是不会无限增殖的, 终究 会走向凋亡, 而具有长久活力、 无限增殖能力的 干细胞很可能是肿瘤发生的元凶. 那么, 癌症干细胞假说是否成立?科学界能 否进行证实? 高建新为我们讲述了这一漫长而又 艰难的过程. 早在

20 世纪

五、 六十年代, 一些医学专家就 已在实验中发现, 其实肿瘤中存在的细胞群落差 异非常大, 将它们移植到体外观察发现, 它们各 自形成新肿瘤的能力大不相同, 其中只有极小比 率的癌细胞能够生成新的肿瘤组 织.那么要想根除癌症, 针对这些 特定细胞也许会更加有效.由此医 学界提出了 癌症干细胞假说 , 认为 癌症是由一小群具有干细胞特 性的肿瘤细胞所造成的 . 医学界有 过一个形象比喻: 癌症就像蒲公英, 修剪草坪看上去好像把它们都除 掉了, 但只要蒲公英的根还在, 就还 会再长起来.癌症也是一样.化疗 和放疗尽管可以摧毁大部分的癌 细胞, 但只要它没有杀灭癌症干细 胞, 也就是癌症的根, 癌症就还会卷 土重来.

1997 年,加拿大多伦多大学 的约翰 ・ 迪克和同事们率先在白血 病中找到癌症干细胞.他们发现, 这种细胞只占白血病细胞的 1%, 而它们却是唯一可以在小鼠体内 引发肿瘤的细胞,就像 种子 一样. 然而当时这项研究在学界并没有引起足够的 重视,因为人们怀疑它能否在实体肿瘤中重复, 比如乳腺癌、 结肠癌、 前列腺癌或脑癌等.直到

2003 年, 美国密歇根大学的迈克尔 ・ 克拉克等终 于证明, 乳腺癌中也存在着癌症干细胞. 克拉克博士发现,通过细胞表面的标记蛋 白, 可将人乳腺癌细胞分成两类.将两类细胞分 别注入老鼠的乳腺中, 第一类肿瘤细胞虽然只占 整个细胞数量的极小部分, 注入几十个细胞便能 引发肿瘤, 第二类肿瘤细胞占整个细胞的绝大多 数, 注入几百万个, 却不能引起肿瘤发生. 由第一 类癌细胞形成的肿瘤, 可以一代代传下去.进一 步研究发现, 这些细胞类似于成体干细胞, 有着 分裂、 增殖、 自我更新以及分化成其他乳腺癌细 胞的能力, 因此被命名为癌症干细胞. 从那以后, 世界各地的实验室都开始在各种 癌症中寻找这种具有干细胞性质的细胞群, 一时 间相关研究突飞猛进, 短短几年时间, 人们已经 证实了包括结肠癌、 头颈癌、 肺癌、 前列腺癌、 脑 癌和胰腺癌等肿瘤当中都有癌症干细胞的存在. 但是, 这些癌症干细胞仅仅是通过异种动物 肿瘤移植实验得出的, 其形成肿瘤的过程往往仅 代表肿瘤发展的晚期阶段,与临床肿瘤发生、 发 展的自然过程相距甚远, 许多临床表现还不能得 到合理的解释.因此, 癌症干细胞实际代表了肿 瘤干细胞发展的晚期阶段. 早期肿瘤干细胞是怎样的? 高建新领导的研 究小组对此进行了不懈的研究. 继往开来: 发现癌前干细胞,提出肿瘤发生、 发 展新概念 自上世纪

70 年代初由美国总统尼克松发起 对癌症的 战争 (War on Cancer) 以来, 人类对攻 克癌症的希望在经历了

40 多年来无数次的失败 后, 仍然前途未卜. 高建新认为, 人类最终能否战 胜癌症, 取决于对癌症是否有准确、 全面的认识. 到目前为止,研究人员及医学界对癌症的认识, 一般还停留在 癌基因水平 , 认为癌症仅仅是一 个基因病. 到目前为止, 虽然已发现了

6500 多个 癌基因, 但是, 绝大多数不是真正意义上的致癌 基因或诱癌基因(Cancer-inducing or Can- cer-causing gene) ;

多数 属于助 癌基因 (Can- cer-contributing gene) , 包括原癌基因(Oco- gene) 、 肿瘤抑制基因 (Tumor suppressor gene) 和 稳定基因 (Stability gene) .这些基因的功能一般 为正常细胞所需, 参与细胞的分裂、 增殖、 分化和 抗凋亡, 只有在突变导致其功能增强或减弱并失 去控制时, 才会促进肿瘤发生、 发展;

而致癌基 因, 顾名思义, 它与细胞的正常功能无关, 只有在 致癌环境中, 才会被激活. 只要它被激活, 就可能 会影响细胞基因组的稳定性,诱导助癌基因突 变, 促进肿瘤发生. 目前, 科学界对这类基因的认 识几乎空白.

2007 年,高建新及其团队发现肿瘤中存在 一群有别于癌症干细胞的具有干细胞特征的肿 瘤细胞, 它们被命名为癌前干细胞 (Precancerous Stem Cell) .癌前干细胞具有良性和恶性分化的 潜能, 其走向主要取决于其所处的环境.与癌症 干细胞可在正常小鼠内致瘤相比, 癌前干细胞仅 在免疫缺陷小鼠内能长成肿瘤.在相应的环境 中,癌前干细胞可以继续成长为癌症干细胞, 引 发癌症, 也可以保持静默的状态或被人体的免疫 系统清除.癌前干细胞的这些特征, 可以解释为 什么大多数临床癌前病变 (早癌) 可以自行消退 或容易治愈. 高建新团队用他们建立的癌前干细胞株做了 一个有趣的实验. 他们将癌前干细胞分别注射到三 组具有不同免疫功能的小白鼠的皮下组织、 腹腔膜 或静脉中, 观察肿瘤生长情况. 研究结果显示, 免疫 系统的强度决定了小鼠是否发生癌症. 也就是说, 在同样面临癌症威胁时, 人类自 身的免疫力强弱起着关键作用.自身免疫力弱, 患上癌症的可能性就大;

自身免疫力强, 患上癌 症的可能性就小. 通过对癌前干细胞的研究, 高建新领导的团 队在肿瘤发生、 发展方面取得了一系列原创性新 成果: 首次证实癌前干细胞可以直接参与肿瘤血 管生成 (Tumor vasculature) , 打破了传统的肿瘤 血管增生 (Tumor angiogenesis) 概念, 厘清了抗肿 瘤血管药物的发展方向. 同时发现了肿瘤特异性 广谱生物标志 PIWIL2-like (PL2L) 蛋白.其中 PL2L60 可以长期、 稳定地表达在癌前干细胞中, 可在各种肿瘤细胞株和临床各期原发癌肿检出, 为发展肿瘤早期诊断和免疫防治方法提供了有 效的靶标. 尤其为广谱肿瘤疫苗的研制提供了有 效靶标. PL2L60 是生殖干细胞基因 PIWIL2 异化激 活的产物之一.这种激活不是由基因突变引起, 而是因基因内启动子表观遗传激活所致. 在肿瘤 细胞内, PIWIL2 本身很少表达, 而 且往往与细胞凋亡有关.显然, PI- WIL2 与PL2L60 在肿瘤发生、 发展 中有相反的作用. PIWIL2 基因的异化激活产物, 用传统基因芯片技术或蛋白组学技 术不一定能检测到.癌基因异化激 活现象,显然与传统的基因突变概 念不同. 这一特点, 为寻找诱癌基因 提供了新思路. 癌前干细胞与免疫系统的相互 作用结果,可决定癌前干细胞的命 运. 在免疫功能正常的个体内, 它们 难以立足. 初步试验表明, 用针对癌 前干细胞的多肽疫苗或抗体,能有 效地阻断癌前干细胞在免疫缺陷小 鼠体内致瘤. 根据这些新发现, 高建新提出: 肿瘤不是单一的基因疾病,而是所 累细胞由诱 / 致癌基因如 PIWIL2 的异化激活而转化、 增殖, 直到多个助癌基因突 变, 同时在由肿瘤启动干细胞向癌前干细胞和癌 症干细胞进展的过程中, 弱化肿瘤免疫监视系统 的结果.因此, 癌症是包括多个癌基因变异和抗 癌免疫力进行性弱化的复合性疾病. 如果上述假设属实, 那么, 当一个正常细胞 对致癌因子作出反应时, PIWIL2 应该有所反应. 高建新的研究视角, 自然地转向了肿瘤发生的最 早阶段: DNA 损伤对 PIWIL2 的影响, 因为肿瘤 的发生是由于细胞内 DNA 受到损伤后发生基 因突变, 致使细胞功能改变, 其增殖无法自我控 制而引起的. 最新成果: PIWIL2 基因可促 DNA 修复,初露 发现致癌基因的曙光 自相关文章在 《公共科学图书馆 ・ 综合》 这一 国际知名学术期刊上发表后, 这一肿瘤领域的最 新学术成果立即引起了广泛的关注. 所谓冰冻三尺非一日之寒,在高建新的带领 下, 从美国俄亥俄州立大学综合癌症中心到上海交 通大学医学院仁济医院临床干细胞研究中心, 研究 小组甘于寂寞, 不随大流, 努力创新, 为阐明肿瘤干 细胞发生、 发展机理进行了多年不懈的研究. 研究团队在发现完整的 PIWIL2 基因产物 具有不同于其异化激活产物 PL2L60 的功能后, 又发现 PIWIL2 基因在由电离辐射、 紫外线照射 以及化学药物等诱致的 DNA 损伤的修复中都 扮演着非常重要的角色. 正常情况下, PIWIL2 仅表达在睾丸的生 殖干细胞和精原细胞中.该团队的研究表明, 在DNA 未受损的情况下,细胞内的 PIWIL2 基因是基本沉默的. 当受到急性辐射或化学药 物作用等导致 DNA 受损时,原本沉默的 PI- WIL2 基因会被短暂激活,参与调节染色质松 弛、 解链, 促进 DNA 修复.细胞染色质紧密的 双链结构得到松弛是实现其它蛋白质对染色 质内部进行准确、 有效修复的关键. 在修复后, PIWIL2 基因又恢复到原有水平.而对于缺陷 细胞而言,当受损 DNA 由于缺少 PIWIL2 基 因而无法成功解链时,便无法完成对 DNA 的 修复. 此时, 细胞就可能走向衰老、 凋亡或向肿 瘤细胞转化,丧失自身对细胞分裂的控制功 能, 导致肿瘤形成. 事实上,人体内每天都在发生 DNA 受损的 情况, 只是在 DNA 受损之后, 人体会自动对其进 行修复, 成为防止肿瘤发生最早的一道天然屏障. DNA 的修复过程与染色质解链、 修复蛋白激活并 积聚到损伤部位有关.目前国际上关于 DNA 自 身修复的研究多聚焦于染色质松弛、解链后的修 复过程, 但对于在 DNA 修复早期的关键步骤, 染 色质是如何松弛、 解链的机制, 了解甚少. 由于染色质解链是细胞编程变化的一个重 要前提条件, PIWIL2 解链功能的发现, 将为深入 研究 PIWIL2 基因的生物学功能以及癌症防治 的潜在手段提供新视角.高建新认为, 作为诱癌 基因,PIWIL2 本身具有肿瘤屏障基因 (Tu- mor-barrier gene) 功能, 而其异化激活后, 则具有 肿瘤启动基因(Tumor-initiating gene) 功能. 他们 正在验证这一假设. 高建新预测 PIWIL2 基因今后有可能作为 一个新的生物标记, 来检测、 评估人体受到急性 辐射所造成的伤害. 可见将来: 认识肿瘤发生、 发展的共性, 驾驭肿 瘤个性化治疗 发现、 鉴定癌前干细胞, 揭示了癌症干细胞 仅代表肿瘤干细胞发展的一个晚期阶段, 这一研 究扩展、 丰富了肿瘤干细胞理论. 结合临床实际, 高建新提出了肿瘤发生、 发展的新理论, 勾勒出 了肿瘤发生、 发展的共同通路: 在漫长的肿瘤生长过程中, 从早期 DNA 损 伤到肿瘤形成的终末阶段, PIWIL2 始终具有屏 障功能, 短暂表达促进 DNA 修复, 长期表达诱 导细胞转化凋亡,不管助癌基因如何变化.而PIWIL2 异化激活后, 则具有启动肿瘤发生、 发展 的功能.通过诱导细胞转化, 影响基因组的稳定 性, 导致助癌基因突变, 最终转化细胞失去增殖 控制, 成为具有无限增殖能力的肿瘤干细胞.这 个过程中, 肿瘤干细胞的发生........