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Review-青山读文献 第一期
The Hallmarks of Cancer
引言
随着人类对癌症领域研究的不断开拓，从患者的临床表现，到分子水平的机制探索，都取得了巨大的进步。诊疗技术的革新，对客观现象的主观总结，人类一次又一次的重新定义癌症的发生、发展机制。铁打的癌症，流水的机制，然而，不变的是癌症的某些特征。今天来读Weinberg的 “万引“著作《The Hallmarks of Cancer》，跟随前人的阐述，去体会科研探索的奥妙。
人类对癌基因本质的认识是起自孟德尔、摩尔根对遗传现象的探索、遗传物质的鉴定以及DNA双螺旋结构被解析之后。起初， Robert Huebner和GeorgeTodaro于1969年提出了癌基因学说。细胞癌变是由病毒基因组中的癌基因引起的，癌基因是病毒基因组的一部分。如果癌基因受到阻遏，细胞可以保持在正常状态，一旦这种阻遏被打破，细胞就发生恶性转化。（癌基因来自病毒基因组）。1971年，Howard Temin (反转录酶的发现者之一) 提出癌基因可由正常细胞基因 (原癌基因)通过体细胞突变或遗传产生。体细胞突变致癌学说，映射着细胞分化致癌学说以及病毒癌基因组学说。化学因子、物理因子、生物因子均被发现可引起体细胞基因突变。
基因突变致癌学说的提出，激发一大批科学家去鉴定癌基因以及潜在的功能机制。研究进展迅速，C-src是第一个被发现的正常细胞中的原癌基因（proto-oncogene）。在1980年，癌细胞基因组DNA被转入正常细胞内，正常细胞发生了转化并获得了癌细胞的特征。此时，关于癌细胞是否真的发生了原癌基因的自发突变，是在1982年，发现癌基因H-ras与原癌基因ras 相比，前者仅发生了一个DNA碱基的点突变，就获得了致癌的能力。那么发现这个癌基因的科学家就是Weinberg。
正文解读
Robert Allan Weinberg ，美国癌症学家，首次发现人类癌基因Ras（Ras subfamily）和肿瘤抑制基因Rb1（Retinoblastoma gene）的人之一。著作有《The Hallmarks of Cancer》；《Hallmarks of Cancer: the next generation 》；《The Biology of Cancer》。基于突变致癌学说，众多的癌基因被科学家鉴定出来，原癌基因Ras, MYC的激活，抑癌基因Rb , p53, PTEN的失活等。
作者提出，肿瘤细胞同样遵循达尔文进化论，迄今为止，已经发现了100余种癌症，不同癌症之间，甚至不同肿瘤细胞之间，从基因的表达到表型都存在明显的异质性。癌细胞内部会有多少个调节环路被破坏？肿瘤细胞与周围正常的细胞之间的调节环路是否会被破坏？哪些信号是癌细胞从周围微环境中接收的？三个问题，作者提出了肿瘤微环境的复杂性，并总结了癌细胞的6大获得性特征。分别是自给自足的生长讯号、抗生长信号的不敏感、组织侵袭转移、潜力无限的复制能力、持续的血管新生、逃避细胞凋亡。
自给自足的生长信号self-sufficiency in growth signals
对于正常细胞，胞外生长信号，如生长因子通过跨膜受体传递到细胞内，启动细胞周期，有丝分裂开始从而进入活跃的细胞增殖状态。而癌细胞降低了自身对胞外的生长信号依赖性，自给自足的生长因子使癌细胞独立于组织中的正常细胞。胶质母细胞瘤及肉瘤细胞所分泌的血小板衍生生长因子（Platelet derived growth factor，PDGF），和转化生长因子-β（transforming growth factor-β,TGF-β) 就是一个例子。
癌细胞膜上存在调控癌细胞生长的跨膜受体，受体的过表达使癌细胞对胞外的生长信号过度敏感。比如erbB受体家族中的上皮生长因子（Epidermal Growth Factor Receptor，EGFR）、HER2/neu在胃、乳腺肿瘤中过表达。另外，癌细胞通过非配体依赖性信号转导（Ligand-independent signaling）调控mRNA的表达。
癌细胞通过自身分泌的方式特定上调转导促生长信号的整合素（integrin）。正确的结合细胞外基质（Extracellular matrix ECM）的integrin受体，可以传导的胞外信号，使正常细胞从静止到运动、激活细胞周期、启动凋亡。错误的结合则产生相反的结果。依赖结合配体的信号转导途径、依赖ECM的integrin信号转导途径可以激活SOS-Ras-Raf-MAP kinase 通路。
接收到生长信号后，下游的胞质内的调节环路发生了复杂的改变。SOS-Ras-Raf-MAP kinase 通路处于这些改变的中心环节。大约25%的癌症，Ras蛋白存在结构变异，在不依赖胞外持续刺激的情况下，可以使癌细胞有丝分裂持续进行。约半数的结肠癌患者携带突变的Ras。剩余的患者也存在由Ras蛋白激活的生存信号转导途径的缺陷。如图5所示，除SOS-Ras-Raf-MAP kinase 通路，纵横交错的级联信号转导途径都参与了细胞生长信号的传递。
在正常组织中，调控细胞生长的信号主要来自邻近细胞（旁分泌）和内分泌系统。几乎所有的细胞都有亚型，同质细胞间的信号互相促进生长。而肿瘤微环境中，来自不同类型细胞间的异质信号也有促癌细胞生长的作用，如基质细胞。
抗生长信号不敏感（Insensitivity to Antigrowth Signals）
在正常组织中，存在多个抗增殖信号转导途径，维持细胞静止和组织稳态。初始的癌细胞需要避开这些与细胞周期相关的信号途径，才可以继续增殖。所有的抗增殖信号都要经过pRb和与之相关的p107，p130。在低磷酸化的状态下，pRb为激活态，通过调控E2F转录因子，抑制与G1期进入S期相关的基因的表达。pRb通路的破坏，释放了E2F，促进了细胞增殖。
另外，据文献报道TGFβ可调控正常细胞的pRb 的磷酸化水平，当TGF-β受体突变，Smads、p15、CDK4基因突变，都可以引起pRb磷酸化失控，促进细胞周期。
DNA病毒诱发的肿瘤中，pRb蛋白的功能可以被病毒蛋白清除，例如人乳头病毒的E7蛋白促进pRb与E2F解离，使E2F结合下游基因的启动子，促进细胞生长。
另外，癌细胞也可能关闭整合素、细胞黏附分子等传递抗生长信号的蛋白。正常细胞中，Myc-Max复合体与Mad-Max复合体处于动态平衡，分别控制细胞的增殖与分化。而肿瘤细胞的Myc蛋白过表达，使Myc-Max功能过强，抑制了细胞分化，从而钝化癌细胞对抗生长信号的敏感性。
3.逃避凋亡 Evading Apoptosis
细胞凋亡由细胞的感受器和效应器控制，感受器接受胞内外信号，检测细胞状态。典型的感受器有胞外配体-受体感受器，传递生存信号的IGF-1 / IGF-1R 组合以及 IL-3 / IL-3R 组合。传递死亡信号的FAS ligand / FAS-R组合和 TNFα / TNF-R 组合。胞内的感受器监测胞内环境的稳态，如低氧环境、DNA损伤等。主要效应器有capase-8，capase-9。
启动细胞凋亡的信号有两个来源，细胞凋亡的途径在外源性途径，死亡配体与受体结合，将信号转至胞内，启动Caspase，启动细胞凋亡程序。在内源性途径，细胞在应激的条件下，细胞释放细胞色素c（cytc），cytc与APAF-1以及capase-9形成凋亡小体，进一步启动凋亡级联反应。
细胞凋亡是抗癌屏障，癌细胞通过多种分子机制的改变躲避凋亡程序。p53基因的突变是目前研究最多的癌细胞抑制凋亡程序的机制。p53蛋白可以和促凋亡蛋白bax结合，促进细胞凋亡程序。而p53基因突变，使p53蛋白与bax结合的能力丧失，从而抑制凋亡程序。
PI3K/PTEN/Akt通路与癌症密切相关，同样参与了癌细胞抗凋亡的过程。PI3K是一种胞内的磷脂酰肌醇激酶，由p85、p110亚基组成，可以被受体酪氨酸激活。目前，可被生长因子受体和Ras蛋白激活，活化的PI3K可以调整AKT的表达，活化的AKT阻碍Caspase磷酸化，使其失活，抑制细胞凋亡。另外，胞外的IGF1，IL3过表达，胞内的Ras活化，PTEN缺失，均会激活PI3K/Akt通路。
有研究报道，癌细胞可以产生Fas蛋白的诱饵受体，该受体可以与竞争Fas受体竞争结合Fas蛋白，从而抑制传递死亡信号的Fas通路，从而抑制细胞凋亡。
4.无限复制能力 Limitless Replicative Potential
细胞停止分裂是由细胞自身决定，正常的体外培养的细胞寿命不是无限的，只能进行有限次数的增殖。这就是美国生物学家Leonard Hayflick提出的Hayflick界限。而癌细胞则能够在体外无限增殖，据报道Rb、p53突变是使癌细胞突破增殖危机期的分子机制。
端粒及端粒酶是保护染色体完整复制的基础，随着有丝分裂次数的增多而消耗。而在肿瘤细胞中存在端粒维持机制，如端粒酶合成增加机制，端粒替代延长机制（ALT）。
5.持续的血管新生 Sustained Angiogenesis
与想象相反，处于异常增殖的细胞，起初缺乏生成血管的能力，为了达到更大的体积，肿瘤细胞逐渐获得了血管新生的能力。肿瘤血管生成调控主要依赖“三套马车”：血管内皮生长因子及其受体（VEGF-VEGFR）、成纤维细胞生长因子及其受体（FGF-FGFR）和血小板衍生生长因子及其受体（PDGF-PDGFR）。VEGF-VEGFR和FGF-FGFR是其中更为重要的两条通路，也是药物研发的重要切入点。
血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），是一个家族，包括VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D、VEGF-E和胎盘生长因子（PGF）。VEGF受体目前发现有VEGFR-1/2/3,为酪氨酸激酶。靶向VEGF或VEGFR的药物已经应用于临床抗肿瘤治疗。
TSP-1（Anti-angiogenic factors）是目前受关注最多的抗血管生成因子之一，与细胞膜受体，如CD36结合，导致非受体依赖的酪氨酸激酶FIN磷酸化，进而发挥抗血管生长作用。与之相对，FGFR同样是酪氨酸激酶型的受体，结合配体后激活胞内酪氨酸激酶，发挥促血管新生的作用。
具备促血管新生能力的癌细胞逐渐被进化选择，形成增殖优势。抑癌基因p53突变能够上调TSP-1的表达，发挥抗血管新生的作用，突变的p53基因导致蛋白功能缺失，TSP-1下调，释放抑制血管新生的能力。此外PTEN缺失也会导致TSP-1表达降低。另外Ras激活可以上调VEGF的表达，促进血管新生。
除了基因突变，蛋白激酶通过调控促/抗血管生成因子的生物利用度，实现血管新生的开关。一方面，蛋白激酶可以释放细胞外基质中储藏的促血管生成因子FGF，另一方面，凝血系统的纤溶酶可以转变为血管抑素，抑制抗血管生成因子的作用。以上为癌细胞实现调控血管新生的主要机制。
6.组织侵袭和转移 Tissue Invasion and Metastasis
肿瘤转移是患者主要死因，钙离子依赖的细胞黏附素（Cadherins），细胞粘附分子（CAMs），
整合素（Integrins），蛋白酶（Proteases）是主要参与肿瘤转移的分子。其中，Cadherins和CAMs是介导细胞与细胞，细胞与细胞基质之间联系的膜蛋白。癌细胞转移的过程离不开黏附与解离。黏附分子负责连接细胞与细胞基质，蛋白酶负责破坏细胞与基质间的连接，促进癌细胞转移。在钙离子存在时，能够抵抗蛋白酶的水解作用，主要介导同源细胞之间的连接。
Cadherin家包括了E-、N-和P- Cadherin，过表达E-Cadherin可以抑制肿瘤细胞的侵袭及转移能力。神经细胞黏着因子（Neural celladhesion Molecule N-CAM）与整合素（Integrin）是膜蛋白介导细胞与基质间黏附。
肿瘤细胞和基质细胞共同培养后，能够上调uPA的表达，uPA与癌细胞表面的受体结合，激活基质金属蛋白酶系统（matrix metalloproteinase MMPs），导致细胞外基质降解。癌细胞发生转移要经历四个步骤，黏附，降解，移动，增殖四个步骤，细胞间，细胞与基质间黏附程度的改变是始动步骤，而蛋白酶可以降解阻碍癌细胞移动的组织学屏障。
7.总结
Weinberg教授在2000年发表的本文，系统的总结了癌症的6个获得性的能力，涉及了肿瘤生长、增殖、侵袭、转移四个表型。读完本文，对于刚接触科研的同学们，可以从本文收获肿瘤领域的初步整体观。那么，这期是青山读文献的第一个模块（综述）的第一期。后续会继续学习，分享肿瘤领域的基础科研文献，希望对于在做生信分析的老师们，有了基础科研的背景，生信套路不再是一眼看到底的套路灌水文。加油！
