癌变机制分析

【关键词】 肿瘤干细胞

【关键词】 基因突变;非整倍体；肿瘤干细胞;永生化DNA链;端粒

0引言

虽然近几十年来在肿瘤研究方面取得了很大进展，但是至今关于肿瘤的具体发生机制还存在争论和分歧，主要存在基因突变假说和非整倍体假说的分歧［1］. 基因突变假说认为几个重要基因的独立突变可以导致肿瘤的发生［2］；但非整倍体假说认为非整倍体是肿瘤产生的根源［3］. 在这里，我们通过分析基因突变和非整倍体在肿瘤干细胞产生过程中的作用，提出了新的肿瘤发生机制假说. 许多研究资料表明不论是体内的肿瘤组织还是体外的肿瘤细胞系都不是一个均一的体系，维持它们存在和生长的是占很少部分的肿瘤干细胞［4-6］. 虽然现在许多研究人员认为肿瘤的根本原因是癌基因激活和抑癌基因失活，但是细胞持续不断的增殖不一定导致肿瘤干细胞的扩增和肿瘤体积持续不断的生长，只有增殖结果能够导致肿瘤干细胞不断的扩增,才可能导致肿瘤不断生长、侵袭和转移肿瘤干细胞和正常干细胞在各自的组织或器官中所占的比例都很少，都具有自我更新（或无限增殖）能力和产生一定组织或器官的能力（虽然肿瘤干细胞产生的是异常的组织或器官）［4-6］；许多肿瘤的单克隆起源和癌变的漫长过程（几个月甚至几十年）提示只有正常干细胞才具有如此长的寿命来积累癌变所需的遗传改变；干细胞已经具备了自我更新能力，因此癌变所需要的遗传改变更少［7-9］；肿瘤干细胞和成体干细胞具有很多相同的标志分子［10-12］.

1癌基因激活和抑癌基因失活

对于多细胞生物来说，其必须有能力控制其体积大小，否则不能适应苛刻的自然环境. 细胞分化可能是多细胞生物控制其体积大小的一种有效机制. 在发育成熟前，多细胞生物体内胚胎干细胞数目是以指数方式扩增，维持生物个体体积的持续增长；成熟后，其体内的成体干细胞以不对称分裂方式增殖，子代细胞中只有一个成为干细胞，另一个最终分化死亡，干细胞数目不再扩增，同时生物个体体积基本不再发生变化. 同样现象在体外也类似，研究人员很容易在体外培养扩增胚胎干细胞但很难扩增成体干细胞［13,14］. 胚胎干细胞相对于成体干细胞来说的分化程度更低，因此分化差别可能是胚胎干细胞能够扩增而成体干细胞一般不扩增的重要原因. 如果维持这种分化差别的基因失活，成体干细胞则可能恢复胚胎干细胞的功能而发生扩增，有可能转变为肿瘤干细胞. 许多癌基因的激活可以抑制细胞的分化而许多抑癌基因可以促进细胞分化［15］，因此特定癌基因的激活和抑癌基因的失活可能导致干细胞分化功能异常而转变为肿瘤干细胞. 但是，这种只有基因改变的肿瘤至今好像还不存在或者发生机会非常小［3,16,17］；另外，如果肿瘤只是基因突变的结果，那么肿瘤的所有或大部分细胞都应当是肿瘤干细胞，可事实上几乎不存在这种肿瘤.

2非整倍体假说

体外培养的肿瘤细胞系只有少数细胞是肿瘤干细胞，而其他大部分肿瘤细胞最终失去自我更新能力［18］. 体外环境对于每个肿瘤细胞来说都基本一样，因此可以排除环境因素的影响. 由于其他肿瘤细胞只能由肿瘤干细胞产生，因此如果存在决定肿瘤干细胞自我更新功能的因素（自我更新因素），这些因素只可能来自肿瘤干细胞本身，与此对应的是决定大部分肿瘤细胞失去自我更新能力的因素（抗自我更新因素）也只可能来自肿瘤干细胞，显然只有这两种对立的因素在肿瘤干细胞分裂过程中不均匀分配给两个子代细胞，才可能导致培养的肿瘤细胞系中只有部分细胞是肿瘤干细胞的现象. 可以认为获得自我更新因素或/和失去具有抗自我更新因素的细胞成为肿瘤干细胞，相反，则成为普通的肿瘤细胞. 存在的问题是，如果肿瘤干细胞每次都不对称分配这两种因素，子代细胞只有一个细胞成为肿瘤干细胞，那么肿瘤干细胞的数目就不可能发生扩增，这样在细胞培养过程中由于普通肿瘤细胞数目扩增而肿瘤干细胞数目不发生扩增，最终因为细胞不断传代不断“稀释”肿瘤干细胞的数目而导致肿瘤细胞系的断代，但事实上建立的肿瘤细胞系是可以无限传代的，表明肿瘤干细胞的数目肯定也发生扩增. 这样出现新的问题：在相同的体外培养条件下，什么时候肿瘤干细胞分裂时产生两个肿瘤干细胞，什么时候分裂时只产生一个肿瘤干细胞和一个普通的肿瘤细胞？什么因素决定这种并不确定的有丝分裂机制？基因突变显然不可能解释上述现象，因为同一肿瘤细胞系中所有或大部分肿瘤细胞应当具有大致相同的突变基因，因此它们应当具有类似的生物学行为，但事实不是这样. 非整倍体可能恰好能够解释上述现象，几乎所有的肿瘤细胞都是非整倍核型［3］,非整倍体可以导致肿瘤干细胞有丝分裂紊乱，因此可能导致自我更新因素和抗自我更新因素分配紊乱，从而有时扩增肿瘤干细胞，有时不发生扩增，因此，非整倍体可能是肿瘤干细胞扩增的有效机制. 体内肿瘤也可能存在与上述类似的机制.

细胞分化是有效控制生物个体体积的一种有效机制，但是细胞分化并不能完全抑制干细胞的自我更新功能，从发育过程看，分化虽然可以导致胚胎干细胞扩增的能力丧失，但是分化本身不具有能够使成体干细胞完全丧失自我更新的能力，最多只能使其一个子代细胞失去自我更新能力；从进化过程来看，首先产生的是具有自我更新能力的细胞，而后在这些细胞的基础上才出现具有一定分化程度的细胞，因此分化过程必然依赖细胞的自我更新过程，没有自我更新过程分化过程将无法进行. 由于进化的不连续性和多细胞生物的细胞一般都具有很多条染色体现象，表明那些维持细胞自我更新的基因群在这些染色体上的分布并不均一，而且基因产物在细胞内空间上分布也不均匀. 因此，如果那些携带原始增殖基因群的染色体数目扩增（非整倍体化），导致干细胞极性紊乱，有丝分裂的错误以及不对称分裂异常都有可能导致自我更新因子和分化因子的分配紊乱，由于分化因子作用一般低于自我更新因子作用，这样可能导致干细胞数目的扩增，而发生肿瘤. 不过，非整倍体本身作为独立因素也不能导致肿瘤的发生，因为许多永生化细胞系虽然是非整倍体核型，但并不是肿瘤细胞.

3肿瘤干细胞内永生化DNA链

30年前Cairns提出成体干细胞中存在永生化DNA链（模板链）的假说. DNA半保留复制方式使复制过程中发生的碱基配对错误首先发生在新合成链而不是模板链，如果其中一个子代细胞总能获得母代细胞所有含有模板链的染色体并被多细胞生药厂物个体选择成为干细胞，那么在DNA复制过程中发生在新合成链上的碱基配对错误就不会留在干细胞内而是留在另一个子代细胞内，并随着该细胞分化衰老死亡离开生物个体，从而不会对生物个体造成威胁. 干细胞中的模板链即永生化链，意思是一般不会发生基因突变. 最近Potten等［19］和Merok等［20］分别从不同的角度证实了Cairns的假说,根据这些事实，Cairns提出了干细胞与癌变关系的新假说［21］，该假说从基因突变假说出发，推测癌变的发生几率与干细胞的死亡频率呈正相关，因为只有干细胞的死亡才可能导致其他干细胞的扩增从而补充那些损失的干细胞，在干细胞扩增时需要重新建立新的永生化DNA链，该过程可能导致错误碱基嵌入永生化链从而造成基因突变在干细胞内的积累，这种情况持续发生最终可能导致癌细胞的产生. 该假说与认为增加细胞分裂频率可增加癌变几率的假说一致. 但是，增加干细胞的扩增频率只是通过增加基因突变的频率来导致肿瘤发生？在这里，我们根据Cairns的假说提出：永生化DNA链的生物学意义除了可以防止基因突变在干细胞内的积累外，还可能具有保护干细胞染色体端粒［19,22］以及赋予干细胞自我更新的能力. 因为其能赋予干细胞自我更新的能力，因此可能恰好被非整倍体利用从而成为肿瘤发生的有效工具，因为非整倍体本身可导致干细胞中永生化DNA链的扩增和有丝分裂紊乱从而可能导致肿瘤干细胞产生. 干细胞的扩增过程表明干细胞的两个子代细胞分别只能获得一半含有永生化链的染色体，每个子代细胞的另一半永生化链只能由新合成链重新建立. 由于细胞分裂过程中DNA半保留复制方式和细胞内的端粒酶活性不足不能有效地合成端粒部分，导致含有新合成链的染色体的端粒部分丢失［22,23］，如果干细胞不断扩增，最终会因为含有新合成链的染色体的端粒耗尽导致细胞内不同染色体之间的末端融合，形成双着丝粒的染色体，在下次细胞分裂时可能导致染色体不分离或双着丝粒的染色体异常断裂，这样循环往复最终导致干细胞成为非整倍体核型，一定程度的非整倍体干细胞即使没有外来因素促使其扩增，其非整倍体核型也导致干细胞内永生化链的扩增和分配紊乱，最终导致肿瘤干细胞的产生. 相反，如果干细胞总不发生扩增而一直以不对称方式分裂，总获得含有永生化DNA链的染色体，则其端粒永远不会缩短或发生结构变化，因此永远不会因为端粒问题而发生非整倍体化［19］. 总之，即使按照Cairns的假说，干细胞持续扩增的结果也必然导致非整倍体的产生，肿瘤的发生仍然需要非整倍体，不但如此，还提示非整倍体肿瘤干细胞的扩增过程必然要进行永生化DNA链的扩增和重建，从而引起肿瘤干细胞不断扩增. 最近，我们的实验结果支持上述推测［24］. 我们认为，肿瘤持续不断生长的根本原因是肿瘤干细胞持续不断地扩增；癌基因的激活和抑癌基因的失活是肿瘤干细胞不断增殖的动力，非整倍体可通过扩增自我更新因素并引起其分配紊乱而有助于肿瘤干细胞扩增；肿瘤干细胞扩增过程的实质是非整倍体导致肿瘤干细胞内永生化DNA链不断重建和扩增以及被分配紊乱的过程；肿瘤演进过程的实质是非整倍体程度增加导致永生化DNA链重建和扩增机会以及分配紊乱程度增加，导致肿瘤干细胞扩增机会增加的过程

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