由果溯因
是什么原因造成了染色体的混乱状态?科学 家研究了很多癌症患者的癌细胞,发现染色体 的改变有一个共同的特点:染色体的数量要么有增加,要么有减少。这就说明,染色体数量 的改变可能就是问题的答案。
我们的研究策略是,收集和分析与基因突变理论最不相符的癌变特点,也就是查看现行理论无法解释的特殊案例,希望能找到更完善的理论法则。我们最终发现,只用 基因突变理论无法阐释的癌症特征有 6 种,但可以用染色 体理论解释。
年龄越大,患癌症的几率越高。在世界范围内,平均每 3 人,就有一人遭受癌症的折磨,不过患者一般都超过50 岁。其实,癌症基本上是一种老年性疾病,一旦超过 50 岁,我们患癌症的几率就会骤然上升。然而,解释癌症起源的基因突变理论,却预测癌症应该在新生儿中更为普遍。按照这一理论,大约 6 个关键基因的突变就能导致癌症,因此很多婴儿可能一生下来就患有癌症。假设有 6 个与结肠癌相关的突变基因,婴儿可能从母亲那里继承了 3 个,从父亲那里遗传了另外两个,这样就很有可能患上结肠癌,因为在亿万个结肠细胞中,某些细胞随时可能获得第 6 个突变基因,甚至还有婴儿生来就从父母那里遗传了 6 个癌基因。然而,结肠癌很少发生在儿童身上。即使通过基因工程的方法,刻意让小鼠从出生时就带上一组致癌突变,它们患癌风险也不比正常小鼠高。
不过,癌症也有可能发生在小孩身上,尽管几率很小。比如唐氏综合征和遗传性染色体不稳定综合征(镶嵌斑非整倍性综合症,MVA)患者。MVA 儿童也有严重的智障,他们体内的细胞进行有丝分裂时,纺锤体上的缺陷就会导致非整倍体细胞的产生,随机分布在身体内,1/3 的孩子会因此患上白血病或其他癌症。
如果某人生来就是非整倍体,或有发展成非整倍体的 倾向,癌症很可能会提前发生。100 年前,博韦里观察到 非整倍体胚胎无法存活,最主要的原因可能是非整倍体细 胞固有的不稳定性,这可能也是新生儿一般不会患癌症以 及癌症不具有遗传性的原因。
致癌物需要很长时间才能导致癌症。对动物而言,很 多化学药品和放射线都是致癌的,它们被认定为职业性或 偶发性肿瘤的致病原因。但即使与最强的致癌剂为伍,可能也要在数年甚至数十年之后才会患上癌症。相反,当某 种化学物质作用于细菌时,几小时后,细菌的表型就会出 现变化;在更大更高级的果蝇中,这种效应也会在几天内 出现。致癌物质使细胞癌变的过程,是逐渐进行的,而这 种现象是基因突变模式无法解释的。
不管能否诱发突变,致癌物质都能导致非整倍体的产生。科学家观察了致癌剂对细胞遗传物质的即时效应,期望能找到许多关键基因的突变,结果却出乎意料:许多强力致癌剂根本没有诱发突变。他们使用过的致癌剂包括石棉、焦油、芳香烃、镍、砷、铅、塑料、某些染料、尿烷(urethane)和地高辛(dioxin)等。而且,这些致癌剂引发癌症只需要诱发突变所需剂量的千分之一。在所有实验中,有一个非常重要的现象:经过致癌剂处理后,细胞的染色体变得非常不稳定,断裂和损坏的发生率远高于正常情况。
上述结果说明,致癌剂的实际作用是导致非整倍化,而不是导致基因突变。一开始,突变致癌理论就无法解释,不导致突变的物质为何也能诱发肿瘤。实际上,导致突变的物质诱发肿瘤,也是通过直接破坏和分割染色体的方式。(例如,辐射导致突变是通过一种间接的方式:先使 DNA双链断裂,细胞内的修复蛋白就会开始修复损伤 DNA,在这一过程中,核苷酸序列可能发生重排,或在断裂位置引入错误的核苷酸。)芳香烃这类不导致突变的致癌物质,则是通过一种不同的机制诱导非整倍体的产生。芳香烃类物质可以破坏细胞内的微管结构,而在有丝分裂过程中,微管是分配染色体所必需的“工具”。所有致癌物质似乎有一个共同点:随机产生非整倍体。
在不同的肿瘤中,都存在非整倍体形式。如果非整倍体只是癌症的副作用,那么在不同患者的肿瘤中,染色体改变的方式应该是随机的。利用两种染色体涂染技术(chromosome-painting technologies) —— 比 较 基 因 组杂交(comparative genomic hybridization)和荧光原位杂交(fluorescent in situ hybridization)技术,科学家开始在混乱的癌细胞染色体中寻找可识别的特征。在这些技术的帮助下,科学家们可以用带有颜色或荧光的 DNA 来标记、追踪染色体的微小区域,这样就能描绘出某个细胞中染色体片段扩增、缺失或重排的图片。
研究人员发现,非整倍体也有“非随机”情况。在同一种肿瘤中,癌细胞染色体的改变方式都是一致的,大多数肿瘤(如乳腺癌、肺癌)都有这样的现象,和早先的染色体理论所预言的一样。2006 年,瑞典卡罗琳斯卡大学医院的科学家发现,在 10 名伯基特(Burkitt)淋巴瘤患者的细胞中,3 号、13 号和 17 号染色体经常相互交换片段, 7号和 20 号染色体也经常特异性地获得或丢失某些片段。
染色体的改变方式只与长出肿瘤的组织有关,而与患 者没有太大的关系。这就是说,某一组织的细胞要发生癌变, 染色体必须发生一定的改变,才能使细胞摆脱遗传程序的束缚。因此,非整倍体细胞要走上恶变之路,染色体变异 就是最基本的条件。
除了可以判断癌症类型,观察染色体的改变还可以判断癌症的病情、癌细胞的转移能力以及耐药性。例如,卡罗琳斯卡的研究小组指出,17 号染色体一个片段的转移,以及 7 号和 20 号染色体上一个片段的增加就与癌细胞的耐药性有关。
染色体的改变如何导致癌症?对癌基因的转录产物和癌细胞内的蛋白质进行分析后,科学家发现,癌基因与正常基因合成蛋白质的水平其实很接近。最近,一个由美国和以色列科学家组成的团队宣布,他们测定了结肠癌细胞中各种蛋白质的含量,发现其中确实有很多蛋白质的合成量过高或者过低,而这种变化与细胞内 DNA 总量的变化有关。随着细胞非整倍体程度的加重,各种蛋白质的数量差异也变大,肿瘤的恶性程度越加严重。这一结果说明:染色体的非整倍化使数千个基因的数量增多或减少,进而使细胞产生恶性表型。
不必要的特征无助于肿瘤的存活。有时,肿瘤的一些最常见、最恐怖的特征,并不能提升肿瘤细胞的生存能力。比如,在癌细胞转移之前或在转移过程中,它们本身就具有的、针对从未遇到过的药物的耐药性,并不能帮助它们在与正常细胞的竞争中取得优势。只有那些能够提升癌细胞竞争优势的基因突变,才会被保留下来,所以一个没有经过药物治疗的肿瘤,要通过随机突变的方式来获得耐药基因的几率实际上为零。与单个基因相比,染色体要庞大得多,并携带了数千个基因。由于对癌细胞的特异表型有着重要贡献,染色体会被选择性地保留,很多未被选择的特征也随着染色体一起保留下来。事实上,来自与耐药和转移性相关的染色体变异的证据,也支持这种可能性。概括地说,癌细胞总是能快速进化出各种所需的表型。
癌细胞变异比基因突变更快,它能很快完成新旧表型的更替。在正常的突变频率下(很多研究显示,在超过90% 的肿瘤中,基因突变的速度并没有加快),基因突变 的速度与癌细胞产生新表型的速度相差甚远。
染色体的大规模改变似乎可以加速细胞的变异。为了验证这一观点,我们提取了乳腺癌与结肠癌患者的高度非整倍体细胞,检测细胞中染色体变化的速度,同时观察了细胞获得耐药性需要的时间。这些细胞每分裂 100 次,染色体就会发生一次变化;每分裂 1000 ~ 10000 次,就会出现一次与耐药性有关的染色体改变。换句话说,在非整倍体细胞中,染色体重新排列和表型更换的速度,远远超过突变改造基因的速度。
这些实验说明,癌细胞非整倍体程度越高,染色体变异速度越快,也就是说,染色体的不稳定性是由非整倍性造成的。这个恶性循环一旦开始,每个肿瘤细胞都能随机产生自己独有的功能。这个事实可以解释数十年前,英国伦敦皇家癌症医院的莱斯利 ·福尔茨(Leslie Foulds)观察到的现象:“没有两个肿瘤是完全一样的,即使它们来源于同一块组织……或者用同样的实验方法诱导生成的。”这种个性化的表现是癌症的另一个特征,而无法用某些基因的激活或失活来解释,因为特定基因在每个细胞和每个时间段的效应都应该是一致的。
每一个癌变特征都与染色体变异相关,而无法用基因突变理论来完美诠释,我们提出了“修正版”染色体癌症理论。
致命的循环
染色体发生改变,致使基因和蛋白质数量跟着改变,而基因和蛋白质数量的改变又会导致更严重的混乱状态……这是一个致命的循环!
癌症是一种染色体疾病,致癌物质、罕见的遗传病症 以及偶发的有丝分裂错误都是通过产生非整倍体引发肿瘤 的。非整倍体让数以千计的基因和它们编码的蛋白处于失衡状态,为细胞发展成更严重的非整倍体创造了条件。这 种自我加速的循环,成为细胞变异的动力源泉。借用达尔 文的经典术语,那就是细胞选择了“自私染色体”组合, 最终形成了具有强大生命力和竞争力的新生细胞。(从达尔 文进化论的观点来看,只有让细胞的生存力更强的基因才 会在进化中被保留下来,“自私基因”一词是理查德·道金 斯所创,并作为他的一本著作的书名,所谓“自私”就是 说基因总是倾向于对细胞自身有利。)
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一旦癌症开始恶化,染色体的随机重组可以使细胞轻易地获得异常特征,比如耐药性和转移性等致命特征。因此,用单个药物,甚至针对单个基因的治疗方案很难治愈癌症。
近年来,有些科学家突发奇想,试图用“以毒攻毒”的策略来治疗癌症:损伤细胞的 DNA,促进染色体的非整倍体化,让肿瘤细胞不稳定乃至无法存活。对于较小的局部肿瘤,
这种方法或许有效,但从整体上看,“以毒攻毒”很难操控。
不过,从非整倍体早期发展成恶性肿瘤需要较长的时间,在这段时间,医生可以从容地进行检查和实施外科手术。在癌症早期,还可以通过检查非整倍体来区分恶性肿瘤和“相貌雷同”的良性肿瘤。当癌症进入晚期,检查与耐药或转移性相关的非整倍体,医生就可以选择最适合的治疗方案。
最后,对食物、药品和环境进行严格筛查,剔除其中可能导致染色体损伤和非整倍体的物质,将非常有益于癌症的预防。今天,我仍然希望研究癌症的科学家重新回到染色体理论这个起点,真正认清癌症的真面目,为癌症的 预防、控制和治疗做出贡献。
相关介绍:
概述 / 畸形的细胞周期
◆目前,主流观点认为,某些重要调控基因发生突变,扰乱了细 胞的自我调节机制,就会导致癌症。但对于有些现象,这一理论 无法解释:在癌变过程中,个别基因的突变是如何使染色体发生 大规模改变的。
◆作者坚持的观点是,染色体发生改变后,它携带的数千个基因同时发生了变化,打乱了细胞内的平衡,使染色体的混乱状态更加严重。这也能解释个别基因活性的改变所无法解释的恶性细胞特征。
名词
单核苷酸多态性指人类个体或人群中存在的 DNA 序列单个碱基的 差别,多态性一词在生物学上是群体的概念,常指群体中某一遗传特征存在着多种形式。
有丝分裂指在细胞分裂过程中,纺锤体发射出纺锤丝,从而牵引染 色体运动,完成细胞的分裂,哺乳动物的体细胞 ( 除生殖细胞外) 都是靠有丝分裂进行增殖的。这种方式一共包括 4 个阶段:前期、 中期、后期和末期。
扩展阅读:
1.Debate Surges over the Origins of Genomic Defects in Cancer. Jean Marx in Science, Vol.297, pages544-546; July 26,2002.
2.The Sigmoidal Curve of Cancer.Roberto P.Stock and Harvey Bialy in Nature Biotechnology,Vol. 21,pages13-14;January 2003.
3.The Chromosomal Basis of Cancer.Peter Duesberg et al. in Cellular Oncology, Vol.27, Nos.5-6, pages293-318;2005.
4.Cancer Drug Resistance: The Central Role of the Karyotype. Peter Duesberg et al. in Drug Resistance Updates(in press).
本文作者
彼得 ·迪斯贝格是美国加利福尼亚大学伯克利分校的分子及细胞生物学教授(德国籍),1964 年赴美从事病毒学研究。此后 6 年,他从劳氏肉瘤病毒中分离了首个确证的癌基因,绘制了整个病毒的遗传图谱。后来,他又在 10 多个鼠类和禽类肉瘤病毒中完成了类似工作。1986 年,迪斯贝格当选美国科学院院士。1987 年,他研究了逆转录病毒后,得出结论:患艾滋病是因为接触了某些化学物质以及营养不良,而 HIV 只是“旁观者”。对癌症病毒的研究是他现 阶段的工作,正是因为这一领域的研究,促使他提出单独的基因突 变不足以导致细胞恶性转化的理论。作为一个病毒学家,迪斯贝格因提出 HIV 并非艾滋病病因的观点,而为人熟知。这个结论遭到了生物医学界的普遍反驳。不过,关于“染色体不稳定性是癌症病因”的观点虽然存有争议,却是目前的研究热点之一,我们因此邀请迪斯贝格来介绍这些工作。这篇文章与《环球科学》是否认同他的艾滋病理论无关。
本文译者
胡晨,浙江大学医学院在读博士,目前从事肿瘤干细胞研究。