Leading Edge
Review 肿瘤的标志性特征:下一代
Douglas Hanahan1,2,*and Robert A.Weinberg3,*
1The Swiss Institute for Experimental Cancer Research(ISREC),School of Life Sciences,EPFL,Lausanne CH-1015,Switzerland
2The Department of Biochemistry&Biophysics,UCSF,San Francisco,CA94158,USA
3Whitehead Institute for Biomedical Research,Ludwig/MIT Center for Molecular Oncology,and MIT Department of Biology,Cambridge, MA02142,USA
*Correspondence:dh@ep?.ch(D.H.),weinberg@https://www.doczj.com/doc/af10215455.html,(R.A.W.)
https://www.doczj.com/doc/af10215455.html,/10.1016/j.cell.2011.02.013
在人类肿瘤发生和发展过程中,肿瘤逐渐获得了包括6个生物学能力在内的标志性特征。这些特征构成了解释肿瘤疾病复杂性的组织原则。这些标志性特征包括:持续的增殖信号,回避生长抑制调控,抗细胞凋亡,永久复制能力,新生血管增生以及侵袭和转移。基因组的不稳定性和炎症是产生这些标志性特征的遗传基础,基因组的不稳定性催生能加速标志性特征获取的遗传多样性,炎症则能够培养多种标志性特征的功能。近十来的研究进展还发现了具有潜在普遍性意义的两个新发现的标志性特征-细胞能量代谢的重编程和逃避免疫摧毁。除了癌症细胞,肿瘤还有另一层复杂性:他们储存了被募集来的表面上正常的细胞,这些细胞通过创造“肿瘤微环境”对标志性特征的获取产生影响。对这些概念的广泛应用的认知对研发新型肿瘤治疗方法有越来越大的影响。
简介
我们提出了癌症的六大标志性特征共同作为基本原理,它们为理解肿瘤疾病独特的多样性提供了合理的构架(Hanahan and Wein-berg,2000)。在我们的讨论中,暗含以下观点:在正常细胞逐步演化至肿瘤状态的过程中,它们获得了一系列的标志性特征;早期的癌症细胞需要获取这些性能以促使它们成瘤并最终恶化,这可以合理解释人类肿瘤多阶段的发病进程。
此外我们发现,肿瘤不仅仅是一团孤立的不断增生的癌症细胞。相反,它们是由多种类型不同的、彼此之间相互作用的细胞组成的复合组织。我们认为参与其中并形成肿瘤相关基质的正常细胞,在成瘤过程中并非被动的旁观者而是主动的参与者。因此,这些基质细胞为某些标志性特征的发展和表现做出了贡献。在最近的十年,这一观点得到了巩固和延伸,揭示出肿瘤生物学不能再被简单地理解为癌症细胞各种特性的罗列,而是必须包含“肿瘤微环境”对肿瘤发生的贡献。
继上篇文献之后,在癌症研究领域取得显著进展的过程中,新的发现对最初标志性特征的构想进行了廓清与修正。此外,还有其他的发现提出了问题并且突出了之前没有整合到最初阐述的特征中的概念。受到这些进展的鼓舞,我们如今回顾最初的特征,考虑可能列入其中的新标志性特征,并且详述其功能和参与其中的基质细胞对肿瘤生物学的贡献。
标志性特征—概念进展
肿瘤的六大特征—是能够促使肿瘤生长和转移扩散的各不相同却互补的性能—依旧为理解癌症生物学提供着坚实的基础(图1)。在本篇综述的第一部分,我们总结了在2000年那篇综述中讲述的每一个特征的核心内容,接下来以选定的例证(以副标题加以区分)描述过去十年中概念的进展以理解他们的产生基础。在接下来的部分,我们阐述了能拓展概念范围的新进展,它们依次描述了两种对六大标志性特征获取至关重要的特性、两种新发现的标志性特征、对肿瘤表型至关重要的肿瘤微环境的构成和互作作用,最后我们还讨论了这些概念在治疗领域的新应用。持续的增殖信号
肿瘤细胞最基本的特性便是维持长期增殖的能力。生长促进信号能指导细胞进入并推进生长和分裂周期,而正常组织会严密地控制生长促进信号的生成和释放,从而保证了细胞数目的平衡以维持正常组织的结构和功能。肿瘤细胞解除了这些信号的调控,进而掌控了自己的命运。这些启动信号在很大程度上是通过结合在细胞表面受体的生长因子来传递,这些受体通常在胞内含有酪氨酸激酶功能域。后者继续通过细胞内信号通路来释放信号以调节细胞周期和细胞生长(是指细胞大小的增加)的进程;通常这些信号还会影响到其它的细胞生物学特性,例如细胞存活和能量代谢。
值得注意的是,在正常组织中,这些增殖信号的明确成分和来源在十年前所知甚少,如今依然如此。我们依然对调控分裂信号释放的机制了解不多。在某种程度上,对这些机制的理解因为以下事实而变得复杂:在组织内控制细胞数量和位置的生长因子信号从一个细胞向邻近细胞传送的调控有一定的时空特异性。这种旁分泌信号很难通过实验加以检验。此外,这些生长因子的生物利用率受到以下因素调节:细胞周围空间和细胞外基质的截留,释放和激活他们的蛋白酶、硫酸酯酶和其他酶所组成的复杂网络的活动,它们显然有很高的特异性和区域性。
我们对肿瘤细胞中的分裂信号相比而言了解得更多(Hynes and MacDonald,2009;Lemmon and Schlessinger,2010;Per-ona,2006;Witsch et al.,2010)。肿瘤细胞能通过多种方式获取维持增殖信号的能力:它们自身能产生生长因子配体,通过同源受体的表达来对配体产生应答,从而导致自分泌式的增殖刺激。肿瘤细胞能传递信号刺激肿瘤相关基质中的正常细胞,正常细胞反过来产生多种生长因子提供给肿瘤细胞(Bhowmick et al.,2004;Cheng et al.,2008)。受体信号也能通过提升肿瘤细胞表面的受体蛋白的水平,让这些细胞对原本数量有限的生长因子配体过度应答而来摆脱控制;也能通过受体分子结构的改变产生一样的效应,这种改变能摆脱配体限制而促进下游信号的激活。
这些受体下游信号通路的组成型活化能摆脱生长因子的控制,不需要配体介导的受体活化来激活这些通路。鉴于有许多不同的下游信号通路受同一受体调控,这些下游通路的某一条通路的激
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活—例如,对Ras 信号转导的响应—只能够代表一个活化受体传递的调控指令的一小部分。
体细胞突变激活额外的下游通路
对癌症细胞基因组的高通量测序分析揭示了某些人类肿瘤中的体细胞突变,这些突变揭示信号环路的组成型激活通常是由活化的生长因子受体引发。所以,我们现在知道40%的人类黑色素瘤的诱因包含影响B-Raf 蛋白结构的活性突变,导致了从Raf 到有丝分裂活化蛋白激酶(MAPK )通路信号的持续活化(Davies and Samuels 2010)。在一系列肿瘤类型中都有检测到磷酸肌醇-3激酶(PI3-Kinase )不同亚型催化亚基的突变。这些突变导致包括其关键的Akt/PKB 信号转导路径在内的PI3-Kinase 信号环路的过度激活(Jiang and Liu,2009;Yuan and Cantley,2008)。与下游(转导器)信号的活化相比,肿瘤细胞上游信号(受体)活化的优势依然不明朗,从同一生长因子受体引发的多个通路之间相互交联的功能影响的优势也不明朗。
对减弱增殖信号的负反馈机制的破坏
最新的结果凸显了负反馈循环的重要性,通常负反馈循环能抑制多种类型的信号传递从而确保细胞内回路中信号流通的内平
衡(Amit et al.,2007;Cabrita and Christofori,2008;Mosesson et al.,2008;Wertz and Dixit,2010)。这些反馈机制的破坏能提升增殖信号。这种调控类型的一个范例便是Ras 肿瘤蛋白:Ras 的致瘤效应并非源自它的信号源的过度活化,而是影响ras 基因的致瘤突变减弱了Ras 的GTP 酶活性,这种GTP 酶活性作为一种内在的负反馈机制起作用,通常保证了活化信号的传递是短暂的。类似的负反馈机制在增殖信号环路的多个节点都发挥了作用。一个著名的例子是关于PTEN 磷酸酶,它能通过降解PI3激酶的产物磷脂酰肌醇3,4,5三磷酸(PIP3)来拮抗其激酶的功能。PTEN 功能缺失突变能在多种不同的癌症实验模型中放大PI3K 信号并促进肿瘤发生;在人类肿瘤中,PTEN 的表达常会被启动子甲基化抑制(Jiang and Liu,2009;Yuan and Cantley,2008)。
另外一个例子涉及mTOR 激酶,它同时存在于PI3K 通路的上下游并对细胞生长和代谢起协调作用。在某些肿瘤细胞的回路中,mTOR 的活化会通过负反馈机制抑制PI3K 信号。所以,在这些肿瘤细胞中当mTOR 被药物抑制时(如药物雷帕霉素),与之相关的负反馈调控的丧失导致PI3K 及其效应分子Akt/PKB 活性的
增
图1.癌症的标志性特征
这幅图包含了我们最早在2000年的文章中提出的六大特征性能。过去的十年见证了在理解每种特征背后的机制方面所取得的巨大进展。
加,从而减弱了mTOR 抑制剂的抗增殖效应(O’Reilly et al.,2006;Sudarsanam and Johnson,2010)。在这个或其他信号通路中被减弱的负反馈回路很可能在人类肿瘤细胞中广泛存在,它们是肿瘤细胞取得增殖独立性的重要手段。此外,这种自衰减信号的破坏可能有助于癌细胞对靶向丝裂原信号药物的抗药性的发展。
过量的增殖信号能诱发细胞衰老
对致癌基因行为的早期研究催生出以下观点:致癌基因表达的不断升高及其蛋白产物所形成信号的不断增强将相应的加快癌症细胞增殖从而促进肿瘤生长。更新的研究结果与这一观点相悖,由致癌蛋白如
RAS,MYC 和RAF 形成的信号的过度增强能引起细胞的拮抗反应,特别是会诱发细胞衰老或凋亡(Collado and Serrano,2010;Evan and d’Adda di Fagagna,2009;Lowe et al.,2004)。例如,表达高水平Ras 肿瘤蛋白的培养细胞可能进入衰老状态:细胞不再增殖却依然存活;相反,表达低水平相关蛋白的细胞能够避免衰老,维持增殖。
具有衰老形态学特征的细胞在过表达某种致癌基因的转基因小鼠组织中大量出现(Collado and Serrano,2010;Evan and d’Adda di Fagagna,2009)并在某些人类黑色素瘤中普遍存在(Mooi and Peeper,2006)。这些衰老特征包括膨大的胞质,增殖标志物的缺失以及衰老诱导的半乳糖苷酶的表达。这些表面上矛盾的反应似乎显示出细胞内在的防御机制:清除过度表达某些类型信号的细胞。因此,肿瘤细胞中致癌信号的相对强度可能代表了最强分裂刺激和回避这些抗增殖防御机制的综合反应。此外,还有一种情况,某些癌症细胞可能通过阻断细胞衰老或凋亡回路来适应高表达的致癌信号。
回避生长抑制信号
除了诱导和维持刺激生长的信号的特征性能外,肿瘤细胞还须避开会对细胞增殖进行负调控,其中许多程序依赖于肿瘤抑制基因的作用。在某些动物模型或人类肿瘤中通过特征性失活发现了许多能通过多种方式限制细胞生长和增殖的肿瘤抑制因子;通过小鼠中的功能增强或缺失实验证实这其中的许多基因确是肿瘤抑制因子。两个典型的肿瘤抑制因子编码RB (视网膜母细胞瘤相关的)蛋白和TP53蛋白;他们在两个关键并互补的细胞调控环路中作为中心控制节点起作用,它们决定细胞是进入增殖周期还是衰老和凋亡程序。
RB 蛋白能整合各种胞外和胞内来源的信号进而决定细胞是否进入生长分裂周期(Burkhart and Sage,2008;Deshpande et al.,2005;Sherr and McCormick,2002)。RB 通路功能缺失的癌症细胞因此失去了关键的对细胞周期进程把关的能力,导致细胞持续增殖。RB 负责传递主要源自细胞外的生长抑制信号,而TP53接收胞内运转系统中发挥功能的压力或异常传感器发出的信号。如果基因组损伤过度,或是核苷酸含量,生长促进信号,葡萄糖或氧合作用下降,TP53能够暂停细胞周期进程直到各种条件恢复正常水平。还有一种情况,在面对提示细胞系统损伤过度或无法修复的警示信号时,TP53能够诱发细胞凋亡。值得
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注意的是,TP53活性的不同效应是复杂并具有高度的环境依赖性,根据细胞类型和细胞压力的严重持久程度以及基因组的损伤程度而改变。
尽管这两种典型的增殖抑制因子–TP53和RB–在细胞增殖调控中非常重要,多种不同证据显示他们分别是一个更大网络的一部分。例如,令人吃惊的是,有部分Rb基因功能缺失细胞在嵌合体小鼠并未出现增殖异常,尽管人们预期RB功能缺失会导致细胞及其后代不断的进入细胞分裂周期;但一些Rb缺失的细胞簇发展至肿瘤状态。相反,RB缺失细胞在这些嵌合体小鼠参与相对正常组织的形态发生;唯一发现的肿瘤是在生命晚期出现了脑垂体瘤(Lipinski and Jacks,1999)。类似的,TP53缺失小鼠也正常发育,大部分的细胞和器官都保持着适当的内稳态,并且也在生命晚期出现白血病和肉瘤形式的发育异常(Ghebrani-ous and Donehower,1998)。这两个例子都反映出多重机制的存在,它能限制细胞在失去这些关键增殖抑制因子时发生异常复制。
接触抑制的机制及其逃避
过去四十年的研究表明,在二维培养条件下增殖的密集的正常细胞形成的细胞间接触抑制了进一步的细胞增殖,从而产生单层融合的细胞。重要的是,这样的“接触抑制”在多种培养的癌症细胞中不存在,提示接触抑制是体内一种确保正常组织内稳态机制的体外模式,这种机制在肿瘤发生过程中被去除。直到最近,这种生长调控模式的机制仍不明朗。然而现在接触抑制的机制正逐步浮出水面。
其中的一种机制涉及NF2基因的产物,这一基因一直被认为是一个肿瘤抑制因子,因为它的缺失会诱发人的多发性神经纤维瘤。Merlin,NF2基因的胞质产物,能通过将细胞表面的粘附分子(如E-钙粘蛋白)与跨膜受体酪氨酸激酶(如EGF受体)耦合实现接触抑制。通过这种方式,Merlin增强了钙粘蛋白介导的细胞间接触的粘附性。此外,通过限制生长因子受体,Merlin限制了它们有效传递分裂信号的能力(Curto et al.,2007;Okada et al., 2005)。
接触抑制的第二种机制涉及LKB1上皮极性蛋白,这种蛋白负责构建上皮结构并帮助维持组织的完整性。例如,当Myc癌基因在成型的上皮结构中表达上调时,LKB1能够拮抗强大的Myc癌基因的促分裂效果。相反,当LKB1表达被抑制时,上皮完整性变得不稳定,且上皮细胞易感于Myc诱导的细胞转化(Hezel and Bardeesy,2008;Partanen et al.,2009)。LKB1也已被证实是一个肿瘤抑制基因,它在某些人类恶性肿瘤中有缺失(Shaw,2009),这可能反映出它的正常功能是作为异常增殖的抑制因子。当然我们依然需要了解这两种接触介导的生长抑制机制在人类癌症中发生缺陷的频率;毫无疑问,其它的接触诱导的增殖障碍仍有待发现。很明显,类似的保证细胞构建和维持结构复杂组织的机制是抑制和均衡异常增值信号的重要手段。
TGF-b通路的异常促进肿瘤恶化
TGF-b以其抗增殖效应而广为人知,现今人们认为癌症细胞对这些效应的逃避机制相当精妙,远非关闭信号环路那么简单(Bi-erie and Moses,2006;Ikushima and Miyazono,2010;Mas-sague,2008)。在许多晚期肿瘤中,TGF-b信号不再抑制细胞增殖,而是转去激活一种名为上皮间质转变(EMT)的细胞程序,从而赋予了癌症细胞高度恶性的特性,这将在下文中详细讨论。
抗细胞凋亡
过去二十年已经通过令人瞩目的功能研究建立了以下观点:凋亡引起的程序性细胞死亡是肿瘤发生发展的天然屏障(Adams and Cory,2007;Evan and Littlewood,1998;Lowe et al.,2004)。对支配凋亡程序的信号回路的阐述揭示出凋亡是如何被多种生理应激所诱导,而癌症细胞在肿瘤发生以及抗癌治疗过程中都会经历这些生理应激。值得注意的是,致癌基因信号水平的上升以及之前提到的过度增殖引起的DNA损伤导致的信号失衡属于诱发凋亡的应激反应。其他研究已经揭示凋亡在那些发展到高度恶性和治疗无效的肿瘤中是如何被弱化的(Adams and Cory,2007;Lowe et al.,2004)。
凋亡装置由上游调控元件和下游效应元件组成(Adams and Cory,2007)。其中调控元件分为两条主要的环路,其中一条接收和处理胞外诱导死亡的信号(这种外在的凋亡程序包括如Fas配体/Fas受体),另一条感知并整合一系列细胞内源信号(内在程序)。最终每一条环路会激活一种通常沉默的蛋白酶(分别为半胱天冬酶8和9),进一步启动蛋白水解的级联反应,这一反应涉及在凋亡执行阶段发挥功能的效应酶半胱天冬酶,在这一阶段细胞会逐步解体并被周围细胞和专门的吞噬细胞消化。当前,人们普遍认为内在的凋亡程序是癌症发生的障碍。
在调控元件和效应元件之间传递信号的“凋亡触发器”由互相制衡的促凋亡和抗凋亡的Bcl-2调控蛋白家族成员来控
制(Adams and Cory,2007)。其中Bcl2及其同源关系最近的几种蛋白(Bcl-X L,Bcl-w,Mcl-1,A1)都是凋亡抑制因子,它们主要通过结合并抑制两种促凋亡蛋白(Bax和Bak)来发挥作用。Bax和Bak分布在线粒体外膜中。当Bax和Bak不再受到同源的抗凋亡蛋白抑制时,它们会破坏线粒体外膜的完整性,引起促凋亡信号蛋白的释放,其中最重要的信号蛋白是细胞色素C。释放出的细胞色素C接下来会激活半胱天冬酶级联反应,通过它们的蛋白水解活性诱导与凋亡程序相关的多种细胞改变。Bax和Bak与抗凋亡的类Bcl-2蛋白有相同的蛋白互作结构域BH3,这一结构域介导了它们之间的多种物理相互作用。相关蛋白亚家族(每一种蛋白都含有一个单独的BH3结构域)的活性与多种细胞异常的感受器耦合;那些唯BH3域的蛋白通过干扰抗凋亡的Bcl-2蛋白或是直接激活Bcl-2家族的促凋亡成员来发挥功能(Adams and Cory,2007;Willis and Adams,2005)。
尽管触发凋亡的细胞条件有待充分研究,几个在肿瘤发展过程中扮演重要角色的细胞异常感受器已被确认(Adams and Cory, 2007;Lowe et al.,2004)。其中最值得注意的是通过TP53肿瘤抑制因子发挥功能的DNA损伤感受器(Junttila and Evan,2009);TP53通过上调Noxa和Puma(唯BH3域)蛋白的表达诱导凋亡,以此来应答大量的DNA损伤和其他的染色体异常。另一种情况是,不足的存活因子信号(如淋巴细胞中白介素-3或是上皮细胞中类胰岛素生长因子1/2[Igf1/2]水平不足)会通过唯BH3域的蛋白Bim来诱导凋亡。另一种导致细胞死亡的情况涉及某些癌蛋白如Myc的超活化信号,这也会诱发细胞凋亡(部分是通过Bim和其他唯BH3域的蛋白实现),除非被抗凋亡因子拮抗(Junttila and Evan,2009;Lowe et al.,2004)。
肿瘤细胞进化出多种策略以限制或避开凋亡。其中最普遍的情况是TP53肿瘤抑制因子功能的缺失,从诱导凋亡的环路中移除了关键的损伤感受器。另一种情况,肿瘤还能通过增加抗凋亡调控因子(Bcl-2,Bcl-XL)或存活信号(Igf1/2)的表达,下调促凋亡因子(Bax,Bim,Puma)或是阻碍外在配体诱导的死亡通路来避开凋亡。避开凋亡的机制的多样性可能反映了癌症细胞恶化过程中所遭遇的诱导凋亡信号的多样性。
凋亡机制的结构和调控以及癌症细胞用以避开凋亡的策略在过去十年的得到广泛研究。最进引人注目的成果包括其它形式的细胞死亡,这拓宽了作为肿瘤障碍的“程序性细胞死亡”的概念。
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自噬介导肿瘤细胞的存活和死亡
自噬是一种类似于凋亡的重要的细胞生理反应,在正常细胞中处于低水平的启动状态,但在一定细胞应激状态下会被强烈激活,其中最显著的应激状态便是营养缺乏(Levine and Kroemer, 2008;Mizushima,2007)。自噬程序使细胞内核糖体和线粒体等细胞器被降解,分解的代谢产物可以被回收利用于生物合成和能量代谢。作为自噬程序的一部分,被称为自噬体的胞内囊泡能包被细胞器并与溶酶体融合以启动降解。通过这一方式,许多癌细胞产生小分子量的代谢产物以在压力且营养有限的环境下存活。
与凋亡类似,自噬装置也是由调控元件和效应元件组成(Levine and Kroemer,2008;Mizushima,2007)。其中效应元件包含介导自噬小体形成并被传送到溶酶体的蛋白。最近的研究显示控制自噬,凋亡和细胞内稳态的调控环路之间存在交集。例如,能被生存信号激活的包括PI3激酶,AKT和mTOR激酶的信号通路不仅可以阻断凋亡,也同样能够抑制自噬;当生存信号不足时,PI3K信号通路下调,导致自噬或/和凋亡启动激活(Levine and Kroemer, 2008;Mathew et al.,2007;Sinha and Levine,2008)。
另一个连接这两个程序的是Beclin-1蛋白,遗传研究已经证明这一蛋白对自噬的诱导是必要的(Levine and Kroemer,2008;Miz-ushima,2007;Sinha and Levine,2008)。Beclin-1是凋亡调控蛋白BH3-only亚家族成员之一,它的BH3结构域使得它能结合到Bcl-2/Bcl-XL蛋白上。压力感受器与BH3蛋白耦合后能取代Bcl-2/Bcl-XL复合物中的Beclin-1,从而释放Beclin-1以引发自噬,这跟释放促凋亡因子Bax和Bak引发凋亡的过程非常相像。因此,压力传导的BH3蛋白(如Bid,Bad,Puma等)能根据细胞的生理状态诱导凋亡和/或自噬。
带有失活的Beclin-1等位基因或自噬装置中特定某些元件的小鼠更容易发生肿瘤(Levine and Kroemer,2008;White and Di-Paola,2009)。这结果提示自噬能够单独或与凋亡协作屏障肿瘤发生,据此,自噬可能是肿瘤发生过程中需要避开的另一障
碍(White and DiPaola,2009)。
可能自相矛盾的是,通过营养缺乏,放射治疗和特定细胞毒性药物去杀伤癌细胞时能引起自噬水平提高,而这对癌细胞有保护作用,能够屏障而非增强压力引起的癌细胞杀伤过程(Amaravadi and Thompson,2007;Apel et al.,2009;Mathew et al.,2007; White and DiPaola,2009)。此外,高压下的癌细胞能够通过自噬收缩至一种可逆的休眠状态(Lu et al.,2008;White and DiPaola, 2009)。这种存活应答可能使经强效抗癌药物治疗的某些晚期肿瘤得以存活并最终复发。因此,与能在肿瘤发生早期抑制肿瘤而晚期促进肿瘤的TGF-b信号类似,自噬看起来在肿瘤细胞和肿瘤进程中有截然相反的效果(Apel et al.,2009;White and DiPaola, 2009)。未来研究的一个重要方向是要阐明自噬在何时以何种方式促进癌细胞存活或死亡的遗传和细胞生理条件。
坏死有促炎症和促肿瘤的潜能
凋亡中死亡的细胞会缩成几乎不可见的大小而很快被周围的细胞吞噬,与之相反的是,坏死细胞会肿胀并破裂,并释放出内容物到周围的组织微环境中。尽管坏死曾被认为是一种有机体死亡,是以系统性衰竭和分解的形式发生,但这一概念正在发生改变:坏死引起的细胞死亡在某些情况下明显受到遗传控制,而不是一种随机和无序的进程(Galluzzi and Kroemer,2008;Zong and Thompson,2006)。
可能更为重要的是,不同于凋亡和自噬,坏死细胞死亡后会向周围的组织微环境中释放促炎症信号。因此,坏死细胞能招募免疫系统的炎症细胞(Galluzzi and Kroemer,2008;Grivennikov et al.,2010;White et al.,2010)。这些炎症细胞专门勘测组织受损程度并移除相关的坏死碎片。然而在肿瘤中,多方面的证据这些细胞能促进血管生成、癌细胞的增殖和浸润,表明免疫炎症细胞能积极地促进肿瘤发生(参阅下文)。此外,坏死细胞能释放可以直接刺激邻近活细胞增殖的有生物活性的调节因子,如IL-1a,它也具有促进肿瘤生长的潜能(Grivennikov et al.,2010)。因此,细胞坏死看似能制衡癌症相关的过度增殖,但最终可能弊大于利。所以,早期肿瘤和潜在有浸润性和转移性的肿瘤可能能通过忍受一定程度的细胞坏死而获益,通过以上做法以招募促肿瘤的炎症细胞,它们可以给肿瘤生长过程中存活下来的细胞带来生长刺激因子。
无限复制能力
到2000年,癌细胞需要有无限复制的潜能以产生肉眼可见的肿瘤这一观念已经被普遍接受。这种能力与体内绝大多数正常细胞系的细胞行为有显著差异,因为正常细胞的连续生长分裂的次数是有限的。这种限制与两种不同的细胞增殖障碍有关:衰老,一种典型不可逆的非增殖但存活的状态和会引起细胞死亡的危象阶段。因此,在细胞经培养条件下增殖时,持续不断分裂的细胞首先进入衰老阶段,而那些成功避开衰老的细胞会进入危象阶段,绝大多数的细胞在这两个阶段死亡。极少数的情况下,细胞会摆脱危象阶段,表现出无限增殖的潜能。这种转变称为永生化,大多数细胞株因其能在培养基中无限增殖却不出现衰老和危象的表征而确立。
多方面证据表明端粒对染色体末端的保护是细胞无限增殖能力的核心要素(Blasco,2005;Shay and Wright,2000)。端粒由多个串联的六核苷酸重复序列组成,它在培养的非永生化细胞中逐渐缩短,最终失去保护染色体DNA末端的能力,此时的染色体容易发生末端融合;这种融合易产生不稳定的具有双着丝粒的染色体,这会导致不规则的核型进而影响到细胞的存活。因此,细胞中端粒DNA的长度决定了端粒消耗殆尽失去保护能力并进入危象之前细胞能够连续分裂的代数。
端粒酶是特异性的DNA聚合酶,它能在DNA末端添加端粒重复序列,这种酶在非永生化的细胞中几乎不存在,但在包括人类癌细胞在内的绝大多数( 90%)自发性的无限增殖细胞中有显著的功能性表达。通过延伸端粒DNA,端粒酶能够抵消分裂过程中染色体端粒的不断缩减。在自发性的无限增殖细胞或是基因工程改造的能表达端粒酶的细胞中,端粒酶活性的存在与对衰老和危象/凋亡的抵抗相关。相反,端粒酶活性的抑制会导致端粒缩短和任何一种以上增殖障碍的激活。
这两种增殖障碍———衰老和危象/凋亡——已被认为是细胞固有的重要抗癌防御机制,它们被用以阻止瘤前细胞和成瘤细胞克隆的过度生长。根据这一观点,虽然大部分早期肿瘤复制分裂能力增强,但是它们将因为某一种增殖障碍而停止分裂生长。最终获得永生化的极少数的细胞能形成肿瘤,这归功于他们能够维持足够长的端粒DNA以避免触发衰老或凋亡。多数情况下它们是通过提高端粒酶的表达水平来实现的,少数情况是通过端粒重组为基础的代替机制来实现。因此,端粒缩短已被视为一种决定正常细胞复制潜能的限度的定时机制,癌细胞必须克服这一问题。对复制性衰老的再审视
鉴于端粒维持渐渐被证实为肿瘤状态的关键条件,复制引发的衰老的概念需要重新加以理解并修正。(小鼠细胞与人细胞中端粒结构和功能的不同使得对复制性衰老过程中端粒和端粒酶功能的研究变得复杂)。最近的实验揭示通过改进细胞培养条件,某些培养细胞中诱导衰老能够被延迟甚至被消除,提示最新分离的原代细胞可能在培养条件下顺利增殖而不受端粒急剧缩短引起的危象和随之而来的凋亡限制(Ince et al.,2007;Passos et al.,2007; Sherr and DePinho,2000;Zhang et al.,2004)。与此相对的是,设计成缺少端粒酶的基因工程小鼠实验显示缩短的端粒能够将癌
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变前细胞转向衰老状态,这(同凋亡一起)能减弱特定类型癌症的小鼠模型中的肿瘤发生(Artandi and DePinho,2010)。这种端粒严重受损的端粒酶缺失小鼠表现出多器官功能紊乱和异常,包括衰老和凋亡的迹象,这可能与细胞培养中观察到的衰老和凋亡相似(Artandi and DePinho,2010;Feldser and Greider,2007)。
值得注意的是,像前文讨论的那样,过度或失衡的癌基因信号会引起有类似细胞衰老的形态学特征,这作为抗肿瘤的保护机制已经得到很好的阐述;这种形式的衰老与端粒酶和端粒之间可能的相互联系仍有待探知。因此,细胞衰老是屏障肿瘤扩张的保护性机制正作为新兴的概念显现,这种肿瘤屏障可由包括高水平的癌信号和端粒的显著缩短等多种增殖相关的异常所诱发。
端粒酶激活的延迟可能既限制又促进肿瘤发展
目前的证据表明,由于早期癌细胞无法表达高水平的端粒酶,在肿瘤多级发展的相对早期阶段,它们常会经历端粒缺失引起的细胞危象。所以,研究人员通过荧光原位杂交的应用在癌变前生长中检测到广泛的端粒受损,同时也发现了因为端粒损伤引起的染色体末端融合以及细胞危象(Hansel et al.,2006;Kawai et al., 2007)。这些结果也说明了在最初完全正常的原始细胞的演变过程中,这些细胞经历了相当次数连续的端粒缩短的细胞分裂。因此,在发展成为肉眼可见的真正的肿瘤之前,一些人类肿瘤的发展可能会因为端粒引发的细胞危象而终止。
与之相对的是,TP53介导的对基因组完整性监控的缺失可能使得早期肿瘤在端粒缺失和随之而来的染色体的断裂-融合-桥循环(BFB)后依然存活。BFB循环引起的基因组改变,包括染色体片段的缺失和扩增,明显会增加基因组的不稳定性,因此加快了突变的癌基因和肿瘤抑制基因的获取。在对p53和端粒酶功能同时缺失的突变体小鼠的研究中人们意识到受损的端粒实际上有促进肿瘤发展的功能(Artandi and DePinho,2000)。不过这两种缺陷能协同增强人类的肿瘤发生这一观点还缺少直接的证明。
此外,短暂的端粒缺失在促进肿瘤恶化进程中的重要性的间接支持来自于对人乳腺的癌变前后的比较分析(Chin et al.,2004; Raynaud et al.,2010)。癌前病变没有高表达端粒酶,而是有端粒缩短和非克隆性染色体畸变的表征。与之相反,成熟的癌中有端粒酶表达同时伴有更长的端粒的重构和异常核型的固定(通过细胞克隆过度增生实现),这种异常核型可被视为端粒受损后并在获得端粒酶活性前的产物。如上所述,端粒酶功能的延迟获得有助于形成促肿瘤突变,而后端粒酶的活化能稳定突变的基因组并赋予癌细胞无限复制的能力以形成临床可见的肿瘤。
端粒酶的新功能
端粒酶因其延伸和维持端粒DNA的重要功能而被发现,几乎所有的端粒酶研究默认端粒酶的功能局限于此。然而,近年来研究发现端粒酶在细胞增殖中也发挥功能,且这一功能与维持端粒稳定无关。端粒酶的非肿瘤作用,尤其是它的蛋白亚基TERT,已经在小鼠和培养细胞的功能性研究中被发现;在某些实例中这一新功能在端粒酶活性缺失的条件下得到了论证(Cong and Shay, 2008)。在不断增加的与端粒无关的TERT/端粒酶功能中,TERT 能作为b-catenin/LEF转录因子复合物的辅因子,通过Wnt通路来放大信号便是其中之一(Park et al.,2009)。其它与端粒无关的功能包括明显增强细胞增殖和抵抗凋亡(Kang et al.,2004),参与DNA损伤修复(Masutomi et al.,2005)以及RNA依赖的RNA聚合酶功能(Maida et al.,2009)。与如此广泛的作用一致的是,TERT能够与染色体上的多个位点相结合,而不局限于端粒(Ma-sutomi et al.,2005;Park et al.,2009)。在TERT参与的多种功能中,端粒维持被证明是最显著的一种。端粒酶这些额外的功能对肿瘤发生的贡献仍有待充分研究。诱导血管生成
跟正常组织一样,肿瘤也需要营养物和氧气形式的供给,同时需要有排出新陈代谢废物和二氧化碳的能力。通过血管生成所形成的肿瘤相关的新血管系统满足了肿瘤的这些需求。在胚胎形成过程中,脉系统的发育除了从已有的血管上形成新的血管分支(血管生成),还包括新生的内皮细胞的生成并组建成管状(血管发生)。在这之后,正常的脉管系统基本上不再发生改变。在成年人中,作为生理过程的一部分如伤口愈合和女性生殖周期过程,血管生成会有开启但只是暂时的。与之相反,在肿瘤进程
中,“血管生成开关”几乎总是处于活化开启状态,导致正常稳定的脉管系统不断分支出新的血管以维持不断扩张的肿瘤生长(Ha-nahan and Folkman,1996)。
一系列令人信服的证据表明血管生成开关由多种对抗性的因子控制,这些因子能诱导或屏障血管生成(Baeriswyl and Christo-fori,2009;Bergers and Benjamin,2003)。某些血管生成调节因子是信号蛋白,通过与血管内皮细胞上细胞表面受体结合起刺激或抑制作用。血管生成诱导因子和抑制因子中广为人知的分别是血管内皮生长因子A(VEGF-A)和血小板反应蛋白1(TSP-1)。VEGF-A基因编码的配体参与到胚胎和出生后发育中的新血管生长,内皮细胞的自身稳定生存和成年人生理和病理状态的调节过程中。VEGF信号通过三种受体酪氨酸激酶(VEGFR-1-3)的介导而受到不同水平的调节,反映了它功能的复杂性。因此,VEGF基因表达能够被缺氧条件和癌基因信号上调(Carmeliet, 2005;Ferrara,2009;Mac Gabhann and Popel,2008)。另外VEGF配体能以潜伏态的形式滞留在细胞外基质中,并能被细胞外的基质水解酶(如MMP9;Kessenbrock et al.,2010)释放和活化。此外,其它的促血管生成信号,如成纤维细胞生长因子(FGF)家族成员,当其表达持续上调时,就参与到促进肿瘤血管生成中去(Baeriswyl and Christofori,2009)。TSP1,血管生成开关的一个关键制衡因子,也能够与内皮细胞表面的跨膜受体结合并激活抑制性信号以拮抗促血管生成的刺激(Kazerounian et al.,2008)。
肿瘤中通过持续激活的血管生成和失衡的促血管信号诱导产生的血管是不正常的:肿瘤新血管系统有着早熟的毛细管,复杂和过多的血管分支,发生畸变和膨大的血管,不稳定的血液流动,微溢血,易渗透和异常的内皮细胞增殖和凋亡(Baluk et al.,2005; Nagy et al.,2010)。
要作用,但最新的数据显示血管生成对肿瘤发展的微观癌前阶段也有贡献。
过去十年来对血管生成的研究已经取得了令人瞩目的成就。在这些新知识中我们强调了与肿瘤生理学关系相当密切的几个进展。
血管生成开关的层次
一旦血管生成被激活,肿瘤便会展现出多种形式的新血管生成。某些肿瘤,包括高度侵浸性的胰腺导管腺癌,不仅血管过少且伴随着大片无血管的基质,甚至可能会主动的抑制血管生成(Olive et al.,2009)。其他很多肿瘤,包括人类肾脏和胰腺神经内分泌瘤,会发生很强的血管生成最终产生高密度的血管(Turner et al., 2003;Zee et al.,2010)。
总的来说,这些结果说明在肿瘤发展阶段中血管生成开关开启之后伴随着不同强度的新血管生成,后者受到包含癌细胞和相关基质微环境在内的复杂的生物调节阀调控(Baeriswyl and Christofori,2009;
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Bergers and Benjamin,2003)。值得注意的是,血管生成的开关机制形式是可变的,但是最终的结果是一个共同的诱导信号(如VEGF)。在某些肿瘤中,肿瘤细胞中占主导作用的癌基因如Ras和Myc,能够上调血管生成因子的表达,而在其它肿瘤中,这些诱导信号间接的通过免疫炎症细胞产生,这会在下文有所讨论。由同样能推动增殖信号的致癌基因直接诱导的血管生成阐明了以下的重要原则:不同的特征性能可被相同的转化因子共同调节。
内源性血管生成抑制剂是肿瘤血管生成的天然屏障
二十世纪九十年代的研究表明TSP1、血纤维蛋白溶酶片段(血管抑制素)和18型胶原蛋白(内皮抑制素)是血管生成的内源性抑制剂(Folkman,2002,2006;Kazerounian et al.,2008;Nyberg et al.,2005;Ribatti,2009)。过去十年的研究报道了其它数十种类似的抑制剂(Folkman,2006;Nyberg et al.,2005;Ribatti,2009),这其中大多数是蛋白质,而且许多是结构蛋白的蛋白水解衍生物,这些结构蛋白本身并非血管生成调节因子。许多血管生成的内源性抑制剂能够在正常小鼠和人体循环中检测到。在小鼠生殖细胞中敲除多个编码内源性血管生成抑制剂的基因不会产生异常的生理效应;然而在自发性肿瘤和移植的肿瘤的生长结果却因此得以促进(Nyberg et al.,2005;Ribatti,2009)。相比而言,如果通过遗传手段提高内源性抑制剂的循环水平(如在转基因小鼠和异体移植的肿瘤中以过表达方式实现),肿瘤的生长便会受抑制(Ny-berg et al.,2005;Ribatti,2009)。有趣的是,创伤修复和脂肪沉积能够通过这些基因表达的提高或抑制而相应地出现受损或加速(Cao,2010;Seppinen et al.,2008)。这些数据说明,在正常环境下内源性血管生成抑制剂在组织重建和创伤修复过程中作为生理性的调节因子调节暂时的血管生成;他们也可能作为初期肿瘤中血管生成诱导和维持的内在屏障发挥功能。
周细胞是肿瘤新生血管的重要组成部分
周细胞一直被认为是紧密贴附于正常组织血管的内皮管外表面的支持细胞,为内皮细胞提供重要的机械和生理支持。相反,肿瘤相关的血管系统曾被认为缺乏这些辅细胞的明显覆盖。然而,近年来细致的微观学研究表明周细胞与大多数肿瘤的新生血管有结合,尽管这种结合是松散的(Bergers and Song,2005;Raza et al., 2010)。更重要的是,下文讨论的机理研究揭示周细胞覆盖对肿瘤的功能性新生血管的维持起重要作用。
多种骨髓来源细胞对肿瘤血管生成有贡献
现已明确,骨髓起源的多种细胞类型在病理性血管生成中发挥重要作用(De Palma et al.,2007;Murdoch et al.,2008;Qian and Pollard,2010;Zumsteg and Christofori,2009)。这包括先天免疫系统的细胞——巨噬细胞,中性粒细胞,肥大细胞和骨髓祖细胞——它们会浸润到癌前病变和恶化的肿瘤中并聚集在这些病变周围;除了下文将提到的促进局部的肿瘤侵袭外,肿瘤周围的炎症细胞会触发成熟组织中的血管生成并支持肿瘤生长相关的血管生成过程。此外,它们还有助于血管抵御来自针对内皮细胞信号通路的药物的损害(Ferrara,2010)。研究还发现在某些情况下,多种类型骨髓起源的“血管祖细胞”会迁移至肿瘤病变处并作为周细胞或内皮细胞整合进新血管系统中(Kovacic and Boehm,2009;Lamagna and Bergers,2006;Patenaude et al.,2010)。
侵袭和转移的活化
直到2000年,肿瘤侵袭和转移的机制在很大程度上仍是个迷。很明显,当源自上皮组织的肿瘤发展成更高病理级别的恶性肿瘤(主要表现在局部侵袭和远处转移上)时,相关的癌细胞会在形状以及与其他细胞和细胞外基质(ECM)的粘附上发生特征性改变。最特征性的改变涉及肿瘤细胞E-钙粘素的缺失,E-钙粘素是一种关键的细胞与细胞之间的粘附分子。通过与邻近的上皮细胞形成粘着连接,E-钙粘素能帮助形成上皮细胞层并维持细胞层里细胞的静止状态。E-钙粘素表达升高已被确定会降低肿瘤侵袭和转移,而其表达的降低则能增强肿瘤的侵袭和转移能力。在人类肿瘤中经常观察到的E-钙粘素表达下调和偶尔出现的失活性突变是它作为标志性特征的关键抑制因子的有力证据(Berx and van Roy,2009;Cavallaro and Christofori,2004)。
此外,其它编码细胞间和细胞与胞外基质间粘附分子的基因的表达在某些高度侵袭肿瘤中会发生明显改变,那些有助于细胞聚集的相关基因更倾向于表达下调。相反,正常情况下与胚胎形成和炎症过程中的细胞迁移相关的粘附分子常常表达上调。例如,N-钙粘附蛋白,器官形成时一般在迁移神经元和间质细胞中表达,并在很多侵袭性癌细胞中表达上调。除了这种细胞-细胞和细胞-胞外基质间的附着蛋白的增加和缺失之外,侵袭和转移过程中主要的调节因子大部分仍不明确,候选分子也缺少功能验证(Cavallaro and Christofori,2004)。
肿瘤侵袭和转移的多步过程已被系统化成一系列独立的步骤,通常称为侵袭-转移多级演化(Fidler,2003;Talmadge and Fidler, 2010)。这种描述将其想象为一系列的细胞生物学改变,从局部侵袭开始,然后是癌细胞内渗入邻近的血管和淋巴管,经由淋巴系统和血液系统运输,之后是癌细胞从管腔中逃脱并进入远端组织的实质中(外渗),癌细胞小型瘤形成(微转移),最终是微转移病灶生长成为肉眼可见的肿瘤,最后一步被称为“转移灶形成”。
因为有了强有力的新的研究工具和精妙的实验模型,且关键性的调控基因已被确定,有关侵袭和转移能力的研究在过去十年显著发展。虽然仍是一个充满了大量未解问题的新兴领域,对这一复杂特征性能的重要特性加以描述的研究也有了显著进展。在下文我们将重点介绍一些有代表性的进展。
EMT过程广泛调节侵袭和转移
一个发育的调节过程,被称为“上皮-间质转化”(EMT),已经被认为是转化的上皮细胞获得侵袭、抵抗凋亡以及广泛传播能力的显著手段(Barrallo-Gimeno and Nieto,2005;Klymkowsky and Savagner,2009;Polyak and Weinberg,2009;Thiery et al., 2009;Yilmaz and Christofori,2009)。通过在胚胎形态发生和创伤修复的多个步骤中涉及的EMT过程,癌细胞能获得许多特性使其能够侵袭和转移。在癌细胞侵袭和转移的过程中,这种多层面的EMT过程能被不同程度的短暂或稳定地激活。
一系列多能的转录因子,包括Snail,Slug,Twist和Zeb1/2,负责调控EMT以及胚胎形成中相关的迁移过程;大部分最初是在发育遗传学中发现的。这些转录调控因子在许多恶性肿瘤类型中的表达组合各有不同,并在癌症实验模型中被证实对程序性侵袭有着重要的作用。其中的一些基因被发现当异位过表达时能引发转移(Micalizzi et al.,2010;Schmalhofer et al.,2009;Taube et al., 2010;Yang and Weinberg,2008)。这些转录因子引起的细胞生物学特性中包括黏着连接的丧失和形态上从多边形/上皮向纺锤形/成纤维状的相关转变,基质降解酶表达,运动性增加和对凋亡抗性的提升—这些特性都在浸润和转移过程中有所表现。其中的几个转录因子能直接抑制E-钙粘蛋白基因的表达,从而使肿瘤上皮细胞失去这一关键抑制因子(Peinado et al.,2004)。
现有证据显示这些转录因子能够相互调控且彼此的靶基因有所重叠。当前并不确定它们之间如何相互作用以及调控它们表达的条件是怎样。发育遗传学的证据表明胚胎中来自邻近细胞的环境信号参与诱导那些一定会发生EMT过程的细胞中的转录因子的表达(Micalizzi et al.,2010);越来越多的证据表明癌症细胞与周围肿瘤相关的基质细胞的相互作用能够诱导恶性肿瘤细胞表型的出
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现,这些表型已知是受一种或多种此类转录调控因子的精确控制(Brabletz et al.,2001;Karnoub and Weinberg,2006)。此外,某些肿瘤侵袭边缘的癌细胞被发现已发生EMT转化,说明这些癌细胞受到的微环境刺激不同于位于病变中央的癌细胞(Hlubek et al.,2007)。
尽管证据还不充分,已经发现诱导EMT的转录因子能调控侵袭-转移级联中除了最后一步定植的大多数步骤。我们对由EMT 产生的间质状态不同的表现和间质短暂稳定状态依然知之甚少。尽管诱导EMT的转录因子的表达已经在某些非上皮类型的肿瘤,如肉瘤和神经外胚叶肿瘤中被观察到,它们在这些肿瘤的恶性特征中的作用目前很少被阐明。另外,侵袭性癌细胞是否必须通过激活部分EMT过程而获得它们的性能,或者是否通过调节程序也能使其获得这些能力仍有待确定。
基质细胞对侵袭和转移的贡献
癌细胞与肿瘤基质细胞间的相互作用参与到侵袭性生长和转移能力的获取过程中(Egeblad et al.,2010;Joyce and Pollard,2009; Kalluri and Zeisberg,2006;Qian and Pollard,2010)。这些信号可能会对癌细胞产生影响并改变上文所提到的特性。例如,已有研究发现,为响应癌细胞分泌的信号,肿瘤基质中的间充质干细胞(MSCs)会分泌CCL5/RANTES;作为反馈CCL5能够作用于癌细胞促进侵袭行为(Karnoub et al.,2007)。
肿瘤周边的巨噬细胞能通过分泌基质降解酶例如金属蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶以促进局部侵袭(Joyce and Pollard,2009;Kes-senbrock et al.,2010;Mohamed and Sloane,2006;Palermo and Joyce,2008);在一个模型系统里,促进侵袭的巨噬细胞被由癌症细胞所产生的IL-4激活(Gocheva et al.,2010)。而在一个转移性乳腺癌的实验模型里,肿瘤相关的巨噬细胞(TAMs)给乳腺癌细胞提供表皮生长因子(EGF),同时癌细胞也能通过CSF-1刺激巨噬细胞;它们相互作用促进癌细胞更容易进入循环系统并远处转移(Qian and Pollard2010;Wyckoff et al.,2007)。
类似观察研究表明,高度恶性肿瘤的表型并非以严格的细胞自主的方式出现,而且它们的表现并不能仅通过对肿瘤细胞基因组的分析来理解。未经检验一个很重要的推断是,除了初级肿瘤形成所需要的突变外,某些肿瘤中引发侵袭-转移级联的大多数步骤的能力不需要相关的癌细胞发生额外突变。
侵袭生长过程中的可塑性
环境信号在诱导产生浸润生长能力过程中的角色(常通过EMT)意味着浸润生长可能具有可逆性,因为从原发肿瘤扩散到一个更远距离组织的癌细胞,可能不再像在原发肿瘤时那样能从活性基质和侵袭/EMT诱导信号中获益;由于在新位置中缺乏这些信号的不断刺激,癌细胞可能回复到非侵袭状态。所以,这种在初期侵袭和转移性扩散中已经经历EMT过程的癌细胞可能会经历一个逆向过程,称为间质-上皮转化(MET)。这种可塑性可能导致癌细胞形成新肿瘤集群,它们具有与那些从未经历EMT的原发肿瘤细胞相似的组织病理学特征(Hugo et al.,2007)。此外,认为癌症细胞通常会经历一个完整EMT过程的观念可能过于简单;相反,许多情况下,癌症细胞可能只进入部分EMT过程以获得新的间质特性,同时也能继续表达上皮特性。
不同形式的侵袭可能是不同癌症类型的基础
EMT过程调控一种被称为“间质细胞化”的特殊的侵袭类型。此外,研究还发现了参与癌症细胞侵袭的另外两种不同的浸润模式(Friedl and Wolf,2008,2010)。例如,“集体侵袭”指癌细胞形成的小瘤一同进入邻近组织,为鳞状细胞癌所特有。有趣的是,这些癌症很少转移,说明这种形式的侵袭缺少促进转移的某些功能特性。人们了解较少的是一种普遍存在的“变形虫样”的侵袭形式(Madsen and Sahai,2010;Sabeh et al.,2009),这种侵袭模式中每个癌细胞表现出形态可塑性,使得它们能在胞外基质中的间隙中游走,而不必像“间叶细胞化”侵袭和集体侵袭那样为自己清理一条通道。目前尚未解决的是参与集体侵袭和“变形虫样”侵袭过程的癌细胞是否用到了EMT过程中的元件,还是由完全不同的细胞生物学过程负责调控这些不同的侵袭过程。
上文提到的另一个新兴概念是,肿瘤边缘聚集的炎症细胞对癌细胞侵袭的促进,这是通过炎症细胞产生细胞外基质降解酶和其他促进侵袭性生长的因子来实现的(Joyce and Pollard,2009; Kessenbrock et al.2010;Qian and Pollard,2010);这便不需要癌细胞通过活化EMT过程产生这些蛋白。因此,癌细胞可能会分泌吸引炎症细胞的化学物,而不是自身产生基质降解酶。
转移灶形成的严峻的复杂性
转移过程可分为两个主要的阶段:癌细胞从原发肿瘤向远端组织的物理性扩散和这些细胞对陌生组织微环境的适应从而成功集群化,也就是由微转移生长成为肉眼可见的肿瘤。扩散的多个步骤似乎都归属于EMT或类似的迁移过程活化的范畴。然而集群化严格意义上并不等同于物理性扩散,现已有证据表明在许多病人中,他们体内有许多成功扩散的微转移病灶,但却从未发展成肉眼可见的转移性肿瘤(Aguirre-Ghiso,2007;Fidler,2003;McGo-wan et al.,2009;Talmadge and Fidler,2010;Townson and Chambers,2006)。
在某些类型癌症中,初级肿瘤可能释放出系统性抑制因子,使得这样的微转移病灶处于休眠状态,临床上表现出在初级生长肿瘤被手术切除后很快爆发性的转移生长(Demicheli et al.,2008; Folkman,2002)。然而,其它肿瘤例如乳腺癌和黑色素瘤肉眼可见的转移可能在初级肿瘤被手术切除或者药物治疗之后数十年才爆发;这些转移瘤生长的明显差异反映了转移灶形成的复杂
性(Aguirre-Ghiso,2007;Barkan et al.,2010;Townson and Chambers,2006)。
因此我们可以推断微转移可能缺少快速生长所必须的其它特性,如激活血管新生的能力;实际上,某些通过实验手段建立的休眠微转移无法形成肉眼可见肿瘤,已被归结于它们无法激活肿瘤的血管新生(Aguirre-Ghiso,2007;Naumov et al.,2008)。此外,最近的实验表明营养缺乏能够诱发强烈的自噬,使得癌细胞萎缩并进入一种可逆性休眠的状态;当组织微环境发生改变,如能够获得更多营养物,这些细胞能够停止休眠重新开始活跃的生长和增殖(Keni?c et al.,2010;Lu et al.,2008)。微转移休眠的其他机制可能包括正常组织细胞外基质中的抗生长信号(Barkan et al., 2010)和免疫系统对肿瘤的抑制作用(Aguirre-Ghiso,2007;Teng et al.,2008)。
大多数扩散的癌症细胞似乎都难以适应它们所去往组织的微环境,至少在最初是如此。因此,每一种类型的扩散癌细胞可能都需要建立一种独特的办法,以解决在一个或另一个陌生的组织微环境中生长增殖的问题(Gupta et al.,2005)。这些适应可能需要许多不同的集群过程,每一种取决于扩散癌细胞的类型和所在组织微环境的性质。然而,如下文将进一步讨论的,某些组织微环境可能本来就有利于扩散的癌细胞的生存(Peinado et al.,2011;Tal-madge and Fidler,2010)。
转移扩散一直被认为是原发肿瘤多级演化中的最后一步,事实上对很多肿瘤可能确实如此,如最近的基因组测序研究为胰腺导管癌转移的克隆进化提供了遗传学证据(Campbell et al.,2010; Luebeck,2010;Yachida et al.,2010)。另一方面,新近出现的证据显示,在小鼠和人类中,细胞能在很早期从看似非侵袭性的癌前病变细胞上开始扩散(Coghlin and Murray,2010;Klein,2009)。此外,微转移可以被没有明显侵袭性但是缺乏完整血管系统管腔的初级肿瘤所诱发(Gerhardt and Semb,2008)。尽管肿瘤细胞的
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确能从这样的癌前病变处扩散并种植到骨髓和其它组织中,但是它们集群到这些位置并发展成为病理上显著的大转移块的能力仍然未得到证实。目前,我们认为这种在小鼠和人体中早期的转移扩散是一个确实存在的现象,但它的临床意义尚未明确。
除了扩散的时间,癌细胞在何时何地发展出能集群于陌生组织形成肉眼可见肿瘤的能力也并不清楚。由于一个肿瘤在发生任何扩散前独特的发展路径,这种能力可能在原发肿瘤形成时出现,因此进入扩散的原发肿瘤细胞意外被赋予了在某些远端组织集群的能力(Talmadge and Fidler,2010)。另一种解释是,已经扩散的癌症细胞为了适应在陌生组织微环境中的生长,才在这种选择压力下发展出集群于特定组织的能力。
在发展出这种组织特异的集群能力之后,转移性集群中的细胞可能会发生进一步扩散,不仅扩散到体内新的位点,还会回到产生它们的原发肿瘤的位置。因此,原发肿瘤细胞中明显的组织特异性的集群过程,可能不是源自原发性病变中传统的肿瘤演化过程而是来自回归的扩散细胞(Kim et al.,2009)。这种重播种与上文提及的人胰腺癌转移研究是一致的(Campbell et al.,2010;Luebeck,2010;Yachida et al.,2010)。换言之,原发肿瘤中这些肿瘤细胞群(以及下文讨论的肿瘤干细胞群)的表型和相关的基因表达程序,因远距离转移细胞后代的逆向迁移发生显著的改变。
这种自我播种过程还暗含另一个观点:在原发肿瘤中出现并有助于其恶性特征获取的支持性基质,可能为源自转移性病变的流动癌细胞的重播和集群提供了一个有利环境。
阐明调节转移灶形成的过程是未来研究的一项重要目标。目前已经取得了实质性进展,例如,明确了在特定组织中与转移灶形成相关并能促进其建立的一系列基因(“转移标志物”)(Bos et al.,2009;Coghlin and Murray,2010;Gupta et al.,2005;Nguyen et al.,2009;Olson et al.,2009)。考虑到上文引用的众多不同的转移灶形成过程,这一挑战有相当的难度。此外,转移灶形成不太可能只依赖于细胞自主的过程。相反,几乎可以肯定集群需要由关键的基质支持细胞组成的允许肿瘤存在的微环境的建立。为此,转移灶形成过程可能包含了众多细胞生物学过程,这些过程,总体而言,比前述的转移扩散的步骤要更为复杂和多变。
细胞内回路的特征性功能的规划
在2000年,我们提出了一个比喻,影响肿瘤细胞的大量信号分子好像精密的集成电路的节点和分支,它们是正常细胞中环路的重编程产物。随后十年的研究既巩固了对这些环路的最初描述,还扩展了信号分子的数目和这些信号通路之间的相互作用。用图表完整并清晰地描述这一通路,如2000年的情况那样,是很困难的。
现在我们描绘出这一环路的图示与每一种癌症独特的特征相呼应。因此,细胞内完整的环路能被分割成不同的子环路,每一条子环路专门维持正常细胞中一种独立的细胞生物学特性,在癌症细胞中这一子环路会被重编程以获取特征性能(图2)。这幅图中只展示出部分特征性能,这是因为有些特征性能相关的控制环路仍知之甚少或是因为与图中所示的环路有广泛重叠。
另一范围的复杂性涉及子环路之间相当多的相互作用和随之而来的信号交汇。例如,某些致癌活动能够影响多种性能,这在那些著名的致癌基因如突变的RAS和上调的MYC对多种特性的不同影响中可见一斑(如增殖信号,能量代谢,血管新生,浸润和存活)。我们期待未来对这一完整环路的描述能囊括此处仍未阐述的子环路及相关的特性。
使能特性和新兴的标志性特征
我们已经将癌症的标志性特征定义为后天获得的功能性特征能力,这些能力使得癌细胞能够存活,增殖和扩散;这些功能是在不同类型的肿瘤中通过不同的机制并在肿瘤发生的多级过程中的不同时间获得的。它们的获得可能由两种特性引起,最突出的是癌症细胞中基因组不稳定性的发展,它产生了包括染色体重排在内的随机突变;其中包含能协调特征性能产生的罕见的基因改变。第二个特性包括了癌变前和已恶化病变的由免疫系统细胞驱动的炎症状态,其中一些能通过不同的方式推动肿瘤进程。
此外癌症细胞其它不同的属性被认为在功能上对癌症发展是重要的,因此可能应该被加入到核心特征的列表中(Colotta et al., 2009;Luo et al.,2009;Negrini et al.,2010)。这其中的两种属性特别引人注目,第一种涉及主要以细胞能量代谢的重编程以维持连续的细胞生长和增殖,取代了多数正常组织中发挥功能并为相关细胞的生理运转供给能量的代谢程序;第二种情况涉及癌症细胞对免疫细胞的攻击和清除的主动逃离;这一特性凸显出免疫系统的二元特性,既能拮抗也能促进肿瘤的发展和演化。这两种特性都已经被证实能够促进多种人类癌症的发展和演化,因此被认为是新兴的肿瘤标志性特征,如图3所示,在下文将分别讨论。使能特性:基因组不稳定性和突变
上面列举的多种特征的获得部分依赖于癌细胞基因组的一系列改变。简单地说,某些突变的基因型赋予细胞亚克隆选择性优势,使得它们在局部组织环境中能过度生长并最终占优势地位。所以,多阶段的肿瘤进程可以被描述成一连串的克隆扩张,每一步由偶然获得的促进肿瘤的突变基因型所触发。因为可遗传的表型,如肿瘤抑制基因的失活,也能通过表观遗传机制例如DNA甲基化和组蛋白修饰获得(Berdasco and Esteller,2010;Esteller, 2007;Jones and Baylin,2007)。一些克隆扩张很可能被影响基因表达调节的非突变性的改变所触发。
基因组维护系统能检测和修复DNA中缺陷的非凡能力确保在每一代细胞中自发性突变比例通常很低。在获取推动肿瘤发生所必须的突变基因的过程中,癌症细胞常常提升了突变发生率(Ne-grini et al.,2010;Salk et al.,2010)。这种易变性的获得是依赖于对诱变剂敏感度的提升,或是一个或多个基因组维护装置组件的故障,或两者兼而有之。此外,突变的积累能通过监测系统的损坏而得到加速,监测系统通常监控基因组完整性和推动基因受损的细胞进入衰老或凋亡的程序(Jackson and Bartek,2009;Ka-stan,2008;Sigal and Rotter,2000)。在这一系统中,TP53起主要作用,所以被称为“基因组卫士”(Lane,1992)。
影响到DNA维护装置–常被称作基因组“保护者”(Kinzler and Vogelstein,1997)–多种元件的一系列不同的缺陷已被阐明。这些发生缺陷的护理基因的蛋白产物原本参与(1)检测DNA损伤和激活修复机制,(2)直接修复受损DNA和(3)在诱变分子损伤DNA 之前对之进行失活和拦截(Ciccia and Elledge,2010;Friedberg et al.,2006;Harper and Elledge,2007;Jackson and Bartek, 2009;Kastan,2008;Negrini et al.,2010)。从遗传观点来看,这些保护基因跟肿瘤抑制基因很类似,因为它们的功能在肿瘤演化过程中缺失,这种缺失是通过失活性突变或表观遗传抑制实现。多种保护基因的突变形式被导入小鼠生殖细胞系并导致预想中的癌症发生频率的增加,表明它们可能参与到了人类癌症发展过程中(Barnes and Lindahl,2004)。
从我们首次列举出癌症特征之后的十年里,另一个肿瘤相关的基因组不稳定性的主要来源已经被发现:就像早先描述的,在很多肿瘤中端粒DNA的缺失导致核型不稳定以及染色体片段相应的重复和缺失(Artandi and DePinho,2010)。从这一角度看,端粒酶不只是具有无限复制潜能这一特性促成者,也必然是关键的护理者的一员以维持基因组稳定性。
癌症细胞基因组的分子遗传分析进展已经为肿瘤进程中改变功能的突变和持续的基因组不稳定性提供了最有力的说明。一种分析手段——比较基因组杂交(CGH)——记录了细胞基因组中基
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因拷贝数的增加和缺失;在很多肿瘤里,通过CGH 揭示了普遍存在的基因组异常,这为基因组完整性的失控提供了清晰的证据。重要的是,基因组中特定位点特定畸变的重复出现(包括重复和缺失)说明这些位点很可能含有改变后容易引起癌变的基因(Kor-kola and Gray,2010)。
最近,随着经济有效的DNA 测序技术的出现,更高通量的分析已经成为可能。早期的研究揭示出了不同肿瘤类型中不同的DNA 突变模式(参见https://www.doczj.com/doc/af10215455.html,/)。在不远的将来,对全部癌症细胞基因组的测序有希望认清癌症细胞基因组中普遍存在的散在的看似毫无规律的突变。因此,重复出现的遗传改变可能意味着某特定突变是肿瘤发病的原因。
尽管不同肿瘤类型中基因组改变的具体内容相差巨大,大量的基因组维护和修复的缺陷已在人类肿瘤中得到了阐述,这些缺陷与广泛存在的基因拷贝数和核酸序列的不稳定性让我们相信,基因组的不稳定性是绝大多数人癌症细胞所固有的。由此,我们得到以下结论,即使仅仅因为它们能加快演化中的癌前细胞累积有利基因型的速度,基因组维护和修复缺陷也有着选择性优势并对肿瘤演化有益。如此,基因组不稳定性很明显是一种驱动特性,与癌症特性的获得有着因果联系。
使能特性:促进肿瘤的炎症
病理学家很早便发现某些肿瘤被免疫系统先天和后天的免疫细胞高度浸润,与非肿瘤组织中出现的炎症反应相似(Dvorak,1986)。随着准确识别免疫系统不同细胞类型的更好标记物的出现,现在已经清楚几乎每种肿瘤病变中都有免疫细胞存在,它们在肿瘤中或是仅有的微小浸润,这时只有用细胞特异性的抗体才能检测到,或是有明显炎症,通常常规的组化染色技术便能检测到(Pages et al.,2010)。过去这种免疫应答主要被认为是反映了免疫系统清除肿瘤的尝试,实际上日益增多的证据的确表明有针对多种肿瘤类型的抗肿瘤反应,这迫使肿瘤去逃避免疫破坏,下文将对此加以讨论。
到2000年,已有线索提示肿瘤相关的炎症反应在增强肿瘤发生和发展中有意想不到并奇特的效果,事实上能帮助初期肿瘤获取标志性特征能力。在随后十年,有关炎症和癌症发病机理之间交叉研究蓬勃发展,大量和强有力的证据说明在肿瘤进展过程中免疫细胞具有促进肿瘤的重要效应,免疫细胞主要来自先天免疫系统(Colotta et al.,2009;DeNardo et al.,2010;Grivennikov et al.,2010;Qian and Pollard,2010)。炎症能通过向肿瘤微环境提供生物活性分子导致多种功能标志性特征能力,包括维持增殖信
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图2.调控癌细胞运转的细胞内信号网络
正常细胞中有复杂精巧的整合性环路调控细胞运转,癌细胞则对这一回路进行重编程以调控特征性能。图中不同颜色的区域描述了每一个子环路特异性调节不同的性能。从某种层面上看,这一图示过于简单,因为这些子环路之间是有相当复杂的相互作用。此外,因为癌细胞与所处微环境产生的复杂混合的信号相接触,因此每条子环路都与肿瘤微环境中其它细胞产生的信号相关联,如图5所示。
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的生长因子,限制细胞死亡的生存因子,促血管生成因子,促进血管生成、侵袭和转移的胞外基质修饰酶,以及导致激活EMT 和其它促进标志性特征程序的诱导信号(DeNardo et al.,2010;Gri-vennikov et al.,2010;Qian and Pollard,2010;Karnoub and Wein-berg,2006)。
重要的是,在某些情况下,炎症明显发生在肿瘤的最早期阶段,且的确能够促进初始肿瘤发展成为成熟的肿瘤(de Visser et al.,2006;Qian and Pollard.,2010)。此外,炎症细胞能释放化学物质,特别是活性氧,这对邻近的癌细胞而言是活性诱变剂,加速了它们向高度恶性状态转变的遗传进化(Grivennikov et al.,2010)。就此而言,炎症可被认为是一个有利的特征,因为它有利于核心特征能力的获得。引起这一有利特征能力的细胞将在下文肿瘤微环境的章节中介绍。
使能特性:能量代谢的重编程
慢性且通常无法控制的细胞增殖体现了肿瘤性疾病的本质,不仅包括解除对细胞增殖的控制,也包括能量代谢相应的调整以促进细胞生长分裂。在有氧条件下,正常细胞处理葡萄糖,首先在细胞质中通过糖酵解生成丙酮酸,然后在线粒体中转变为二氧化碳;在厌氧条件下,糖酵解是主要的,相对较少的丙酮酸用于耗氧的线粒体。Otto Warburg 首先观察到了癌症细胞中能量代谢的一个异常特性(Warburg,1956a,1956b;Warburg,1930):即使在有氧条件下,癌症细胞也会重塑它们的糖代谢与能量生产,通过将能量代谢大部分限制在糖酵解过程,导致了一种被称为“有氧糖酵解”的状态。
随后的数十年里癌症细胞中这种代谢转换的存在已被证实。这种能量代谢的重编程看似违反常理,因为相对线粒体的氧化磷酸化过程,癌症细胞这样通过糖酵解的后果是必须提高约18倍的效率以补足ATP 的产量。它们部分是通过上调葡萄糖转运体来完成,特别是GLUT1,这些转运体能显著增加葡萄糖向细胞质中的运输(DeBerardinis et al.,2008;Hsu and Sabatini,2008;Jones and Thompson,2009)。实际上,在许多人类肿瘤类型中人们已证实葡萄糖摄入和利用显著增加,通过使用放射性标记的葡萄糖类似物(18F-氟脱氧葡萄糖,FDG )作示踪剂,应用正电子发射断层扫描(PET )可以很容易地通过无创可视化观察葡萄糖摄取
。
图3.新兴的标志性特征与使能特性
日益增多的研究表明癌症的另外两种特征与某些甚至可能是全部癌症的发病机制相关。其中一种是改变或重编程细胞代谢以最有效的支持肿瘤增殖。另一种是使得癌细胞能逃避免疫破坏,特别是T 细胞,B 细胞,巨噬细胞以及自然杀伤细胞介导的免疫破坏。鉴于这两种特征仍未普遍化且未得到充分证实,它们被称为新兴特征。此外,肿瘤还有两种重要特性能够促进核心特征和新兴特征的获得。基因组不稳定性和随之而来的易突变性使癌细胞获得遗传改变而驱动了肿瘤的演化。先天免疫细胞为抵抗感染并治愈伤口而引发的炎症反而在无意中给予多种特征性能以支持,这便是目前得到广泛承认的炎症反应有促肿瘤的效果。
已知糖酵解供能与活化的致癌基因(例如RAS ,MYC )和突变的肿瘤抑制因子(例如TP53)相关(DeBerardinis et al.,2008;Jones and Thompson,2009),在肿瘤细胞中它们的改变会被优先选择因为这有利于细胞增殖,避免抑制剂的控制和细胞凋亡的减少等特征性能的获得。在很
多肿瘤中的缺氧条件下,这种对糖酵解的依赖会得到进一步的加强:缺氧应答系统会通过多种方式去上调葡萄糖载体和糖酵解途径中得多种酶(DeBerardinis et al.,2008;Jones and Thompson,2009;DeBerardinis et al.,2008)。因此,RAS 癌蛋白和缺氧都能各自地提高HIF1a 和HIF2a 转录因子的水平,进而上调糖酵解解(Kroemer and Pouyssegur,2008;Semenza,2010a,2010b)。由于糖酵解与线粒体氧化磷酸化相比产生ATP 相对低的效率,癌症细胞中发生糖酵解转换的功能性理论基础仍难以理解。根据一个被遗忘多年(Potter,1958)直到最近才被重新审视和改进的假说(Vander Heiden et al.,2009),糖酵解的增加使得糖酵解中间产物可转入不同的生物合成途径中,包括核苷酸和氨基酸合成通路;进而促进了组装新细胞所需要的大分子和细胞器的生物合成。此外,Warburg 式代谢似乎在许多快速分裂的胚胎组织中出现,再次表明了糖酵解在支持活跃的细胞增殖所需要的大规模生物合成过程中重要作用。
有趣的是,已发现一些肿瘤包含两种癌症细胞亚群,在能量产生途径上有所不同。一种亚群由葡萄糖依赖(“Warburg 效应”)细胞组成,它们会分泌乳酸,而第二种亚群的细胞优先输入和利用它们邻近细胞产生的乳酸作为它们的主要能量来源,这需要依赖柠檬酸循环的部分通路来完成(Feron,2009;Kennedy and Dew-hirst,2010;Semenza,2008)。这两种亚群在功能明显是共生关系:缺氧的癌症细胞依赖葡萄糖提供能量并以废物的形式分泌乳酸,这些乳酸被它们相对有氧的同胞输入并优先作为燃料使用。尽管这种肿瘤内部共生关系的刺激模式尚不能一概而论,但这种分泌乳酸和利用乳酸供能用以肿瘤生长的合作事实上不是肿瘤的发明而是再次反映了一个正常生理机制的选择,肌肉中的运行就是一个例子(Feron,2009;Kennedy and Dewhirst,2010;Semenza,2008)。此外,很明显从正常含氧量时到缺氧时,肿瘤中的氧化作用并不稳定反而会有短暂和局部的波动(Hardee et al.,2009),这很可能是肿瘤相关新血管系统组织的不稳定和混乱所引起的。与许多其它被认可为癌症标志性特征的癌症相关特性一样,改变能量代谢被证实在癌症细胞中也广泛存在。这引出了以下问题,解除控制的细胞能量代谢是否与另外六种得到确认的核心特征一样,也是癌症细胞的一项核心特征性能。实际上,能量代谢的改变主要由参与规划癌症核心特征某条路径的蛋白来调控的。由此可见,有氧酵解只是诱导增殖的癌基因所引发的另一表型。
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有趣的是,已有报道在神经胶质瘤和其他人类肿瘤中异柠檬酸脱氢酶1/2(IDH )发生活化变异(获得功能)(Yen et al.2010)。尽管这些突变可能被证实是因为它们改变能量代谢的能力而被细胞克隆选择,仍然有令人困惑的数据将增高的HIF-1转录因子氧化活性与稳定性联系在一起(Reitman and Yan,2010),进而分别影响到基因组稳定性和血管新生/侵袭,因此模糊了表型划分的界限。因此目前将能量代谢的重编程归为新兴的特征看来是最恰当的,这不仅凸显了其明显的重要性,还突出了独立于其它核心特征有关功能的有待解决的问题。
新兴的标志性特征:逃避免疫破坏
围绕肿瘤形成的第二个仍未解决的问题包括免疫系统在抵抗或者消除初期肿瘤、晚期肿瘤和微转移病灶形成和演化中所起的作用。有关免疫监控长久以来的理论认为细胞和组织不断受到经过致敏免疫系统的监控,这种免疫监控负责识别和消除绝大多数早期癌症细胞及其形成的新生肿瘤。根据这一逻辑,实体肿瘤明显设法避开各种免疫系统的监测或者能够限制免疫杀伤的范围,从而避免被根除。
免疫功能低下个体中某些癌症显著增加看似证实了肿瘤中缺陷的免疫监控(Vajdic and van Leeuwen,2009)。然而,这些癌症绝大多数是病毒引发的,表明对这类癌症的多数控制通常依赖于降低感染人群体内的病毒数量,部分是通过清除病毒感染细胞来实现的。因此这些结果似乎难以说明免疫系统在限制那占80%以上的非病毒致病原导致肿瘤形成中的可能作用。然而,近年来来自基因工程小鼠和临床流行病学日益增多的证据,都提示免疫系统是肿瘤发生和发展的重要障碍,至少在某些形式的非病毒引发的癌症中是这样的。
当免疫系统不同组成缺陷的基因工程小鼠以评估致癌物诱导的肿瘤的发展情况时,人们发现与有免疫活性的对照相比,免疫缺陷小鼠中肿瘤出现的频率更高且肿瘤生长速度更快。特别是
CD8+毒性T 淋巴细胞(CTLs ),CD4+T h 1辅助T 细胞或自然杀
伤
图4.肿瘤微环境中的细胞
(上)构成大多数实体肿瘤的不同细胞类型的集合。肿瘤的实质和基质都含有能共同支持肿瘤生长和发展的不同细胞类型及亚型。值得注意的是,肿瘤中的免疫炎症细胞同时包含促肿瘤和杀伤肿瘤两大细胞亚类。
(下)肿瘤独特的微环境。多种基质细胞类型组成了一系列肿瘤微环境,这种微环境随着肿瘤浸润正常组织及随后在远端组织播种并集群的过程而不断发生改变。基质细胞类型以及细胞外基质(图中的阴影线背景)的丰度,组织学状态和表型特征随着肿瘤的发展而演变,这保证了初级肿瘤,浸润性肿瘤以及转移性肿瘤的生长。初级和转移性瘤位置周围的正常细胞(以简略图表示),可能也会影响不同肿瘤微环境的特征。(图中未展示肿瘤恶化前的阶段,这个阶段也有着独特的微环境,这些微环境由组成细胞的丰度和特性所决定。)
细胞(NK )发育或功能缺陷都会导致肿瘤发生率显著增高;此外,T 细胞和NK 细胞共同免疫缺陷的小鼠更容易癌症发展。这些结果表明,至少在一些实验模型中,免疫系统的先天免疫和获得性细胞免疫都明显有利于免疫监控和肿瘤清除(Kim et al.,2007;Teng et al.,2008)。
此外,移植实验表明,来自免疫缺陷的小鼠中出现的癌症细胞通常在同系有免疫活性的宿主中不能启动二次肿瘤发生,然而,来自有免疫活性的小鼠中出现肿瘤的癌症细胞能在两种类型宿主中能够同样有效的形成移植肿瘤(Kim et al.,2007;Teng et al.,2008)。这种现象被解释为:
高免疫原性的癌症细胞克隆在有免疫活性的宿主中被常规清除——一种被称为“免疫编辑”的过程——只留下弱免疫原性的变异体可以生长和产生实体瘤;这种弱免疫原性的细胞随后都能在免疫缺陷和有免疫活性的宿主中定植。相反,当出现在免疫缺陷宿主中,具有免疫原性的癌症细胞不是被选择性清除,反而和弱免疫原性的细胞一起生长。当细胞从这种未编辑的肿瘤连续地移植进同源宿主中,免疫原性的癌症细胞首次面对第二宿主中有活性的免疫系统时便无法移植(Smyth et al.,2006)。(在这些特定实验中未能解答的问题是,诱导这些肿瘤的化学致癌物是否易于产生具有特殊免疫原性的癌症细胞)。
临床流行病学也愈加支持一些类型的人类癌症存在抗肿瘤免疫应答(Bindea et al.,2010;Ferrone and Dranoff,2010;Nelson,2008)。例如,患有结肠癌和卵巢癌的病人,如果其肿瘤被CTLs 和NK 细胞大量浸润,他们的预后要好于缺少如此丰富的杀伤淋巴细胞的患者(Nelson,2008;Pages et al.,2010);其它癌症也有类似的实例但缺少足够的说服力,这也是当下研究的一个方向。此外,研究发现,一些免疫系统受到抑制的器官移植接受者会产生供体来源的癌症,表明看似没有肿瘤的供体内,这些癌细胞在功能正常的免疫系统的监控之下处于休眠状态(Strauss and Thomas,2010)。
尽管如此,如前文所述,慢性免疫抑制病人的流行病学研究无法说明几种主要的非病毒性人类癌症发病率有显著增强。这可能被认为是反对免疫监控作为一种对肿瘤发生和发展的重要屏障的证据。然而,我们注意到HIV 和药理性免疫抑制病人主要是T 和B 细胞免疫缺陷,所以基因工程突变小鼠中并没有表现出同时缺少NK 细胞和CTLs 多组分免疫缺陷。如此便存在以下可能:这些病人仍然有残存着由NK 和其它先天免疫细胞执行的对抗癌症的免疫防御能力。
事实上,上述关于癌症免疫学的讨论简化了肿瘤–宿主间的免疫相互作用,因为高免疫原性的癌细胞很可能通过失活免疫系统的组分逃避免疫破坏,而这些组分原本被用以清除这些癌症细
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胞。例如,癌症细胞可能通过分泌TGF-b或其它的免疫抑制因子来失活浸润的CTLs和NK细胞(Shields et al.,2010;Yang et al., 2010.)。更精细的机制可能是引来活跃的有免疫抑制性的炎症细胞,包括调节T细胞(Tregs)和骨髓衍生抑制性细胞(MDSCs)。这两者都能抑制细胞毒性淋巴细胞的功能(Mou-giakakos et al.,2010;Ostrand-Rosenberg and Sinha,2009)。基于以上考虑,抗肿瘤免疫作为人类肿瘤形成和发展的重要障碍仍有待论证,我们将免疫逃避作为另一个新兴的特征,其广泛作为一个核心特征性能仍需进一步确证。
肿瘤微环境
过去十年中,肿瘤已逐渐被认为是一个组织器官,它的复杂性接近甚至可能超过了正常健康组织。从这一角度来看,只有通过研究肿瘤中每种特定的细胞类型(图4,上)以及多步骤的肿瘤发生过程中构建的“肿瘤微环境“(图4,下)我们才能理解肿瘤生物学。这种描述与之前的看法形成鲜明对比,先前的简化观点将肿瘤只看做相对均一的癌细胞的集合,整个的肿瘤生物学可以通过阐述这些细胞的自主特性来加以理解。此处,我们列举了一系列细胞类型,它们在一些重要方面对许多肿瘤的生物学有所贡献,并讨论了控制它们个体和集体功能的调节信号。大多数观察来源于对上皮组织癌症的研究,其中肿瘤上皮细胞组成的部分(实质)与形成肿瘤相关基质的间质细胞明显不同。
癌症细胞和癌症干细胞
癌症细胞是这种疾病的基础;他们发起肿瘤然后驱动肿瘤向前演化,携带着致癌和肿瘤抑制因子的突变,这些突变明确了癌症是一种遗传疾病。传统观点认为,肿瘤里的癌细胞是相当均质的细胞群,直到肿瘤进程的相对晚期,此时过度增殖和基因组不稳定性的增高才产生不同的克隆亚群。能反映这种克隆异质性的是,很多人类肿瘤在组织病理学上是不同的,包括了由不同程度分化、增殖、血管分布、炎症和浸润性划分的区域。然而,最近几年,累积的证据表明了肿瘤内部异质性的新维度和在肿瘤里至今仍未被认可的被称为癌症干细胞(CSCs)的癌细胞亚类的存在。尽管证据仍不完全,CSCs可能是许多肿瘤中(就算不是大多数肿瘤)一种普遍的成分,虽然在丰度上它们千差万别。CSCs 因其接种进受体宿主小鼠能有效形成新肿瘤的能力而被确定(Cho and Clarke,2008;Lobo et al.,2007)。它的功能性定义常常由以下现象补充说明:在CSCs中表达的标记物也在起源于同组织的正常干细胞中有表达(Al-Hajj et al.,2003)。
CSCs最初在造血系统恶性肿瘤的发病机理研究中被提出(Bon-net and Dick,1997;Reya et al.,2001),之后几年又在实体肿瘤,特别是乳腺癌和神经外胚层瘤中被发现(Al-Hajj et al.,2003; Gilbertson and Rich,2007)。对癌细胞根据细胞表面呈现的标记物进行分类,人们发现了一个肿瘤细胞亚群,它们与其余的大多数肿瘤细胞相比,移植进入免疫缺陷的小鼠中形成新肿瘤的能力有显著增强。这些通常稀少的肿瘤起始细胞被证实与某些正常组织干细胞的转录模式有交集,使得人们也用类似干细胞的名字去命名。
实体瘤中CSCs的起源还未被阐明,实际上很可能因肿瘤类型而异。在某些肿瘤里,正常组织干细胞可能作为起源细胞,它们经历致癌转化形成了CSCs;在其他肿瘤里,部分分化了的过渡-扩增细胞,也被称为祖细胞,可能遭遇了最初的致癌转化然后呈现更多类似干细胞的特征。一旦初期肿瘤形成,CSCs像正常干细胞一样,可能会自我更新并产生更多的分化细胞;许多肿瘤绝大部分是由癌干细胞的后代细胞构成。仍有待确定的是,在肿瘤的开始阶段及随后的多级发展过程中,是否有多种不同类型且数目不断增多的新瘤干细胞形成并最终产生在完全成熟的癌症中所描述的CSCs。
最近的研究将CSC特性的获得与上文提及的EMT转分化过程联系在一起(Mani et al.,2008;Morel et al.,2008;Singh and Settle-man,2010)。在某些模型系统中EMT过程的诱导会引发许多典型干细胞特征的出现,包括自我更新能力以及与正常和癌干细胞都相关的抗原表型。这种一致性表明EMT过程可能不仅能促使癌细胞从初级肿瘤开始物理性扩散,还可以赋予这些细胞自我更新的能力,这对它们接下来在扩散位点进行集群式扩增很关键(Brabletz et al.,2005)。这种联系如果具有普遍意义,那可以提出一个重要的推论性假说:诱导EMT的异质型信号,如活化的炎症性基质释放的信号,可能在产生和维持CSCs过程中也很重要。
越来越多的人类肿瘤被报道包含具有CSCs属性的细胞亚群,这是通过它们异种移植进入小鼠之后能有效地引发肿瘤这一能力来确定的。不过,作为瘤细胞中具有独特表型的亚类,CSCs的重要性仍然具有争议,原因是肿瘤中癌干细胞数量很稀少(Boiko et al.,2010;Gupta et al.,2009;Quintana et al.,2008)。实际上,有一种似乎可信的说法是,肿瘤细胞中表型的可塑性可能引起CSCs和非CSCs之间的双向互变,导致CSCs相对丰度的动态变化。这种可塑性会使得对他们含量的准确测量变复杂。类似的可塑性已经在可逆的EMT过程中有所涉及(Thiery and Sleeman, 2006)。
尽管情况如此复杂,但很明显,肿瘤异质性这一新维度对成功的癌症治疗有着重要意义。多种肿瘤类型中越来越多的证据表明,有CSCs特性的细胞对各种常规的化疗手段有更强的耐受
性(Buck et al.,2007;Creighton et al.,2009;Singh and Settleman, 2010)。它们的持续存在可能有助于解释以下现象:放射疗法和各种化学疗法看似成功地缩减了人实体瘤后,这类疾病几乎必然会复发。实际上,CSCs很可能被证实是某些形式肿瘤休眠的基础,因此潜在的癌细胞在手术切除或放/化疗后能持续存在数年甚至数十年之久,之后会突然爆发并产生致命的疾病。因此,CSCs可能代表着双重威胁,因为它们更加耐受治疗性杀伤,同时治疗一旦停止,还有促使肿瘤再生的能力。
这种CSC状态的表型可塑性也可能使得在肿瘤里形成功能不同的细胞亚群,这些细胞以不同的方式支持全部肿瘤的生长。例如,EMT能将上皮癌细胞转换成类似间质的成纤维样癌症细胞,它们很可能在某些肿瘤中承担癌症相关的纤维母细胞(CAFs)的功能。值得注意的是,最近多个报道显示恶性胶质瘤细胞(或者可能是与之相关的CSC亚群)能转分化成内皮样细胞,这些内皮样细胞在形成肿瘤相关的新血管系统时能取代真正宿主起源的内皮细胞(El Hallani et al.,2010;Ricci-Vitiani et al.,2010;Soda et al.,2011;Wang et al.,2010)。这些结果表明,某些肿瘤可能通过诱导它们自身的一些癌症细胞去经历不同类型的变化产生基质细胞类型以获得基质的支持,而不是依赖宿主细胞提供这一功能。肿瘤中CSCs及其生物可塑性的发现表明,肿瘤里遗传同质的单一细胞群可能会因为细胞处在不同的分化状态而形成异质表型。然而,表型多样性的另一个同等重要的来源可能是肿瘤中的遗传异质性,而这种遗传异质性随着癌症的不断演化而累积。因此,肿瘤演化后期遗传不稳定性的提升可能推动失控的遗传变化,这种变化的速度超过了达尔文选择过程,使得独特遗传性的亚群的形成速度远超过它们被清除的速度。
得益于近年来DNA(和RNA)测序技术的重要进展,对肿瘤细胞基因组的深入测序分析为这种看法提供了越来越多的数据支持,如对分离自同一肿瘤不同部分的癌细胞基因组进行的测序(Ya-chida et al.,2010)已经发现了显著的瘤内遗传异质性。单个人体肿瘤内部早已发现的组织学异质性可能反映了这种遗传多样性的某些方面。另一种可能的解释是,这种遗传多样化可能实现了功
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能特化,产生了不同的且具有互补能力的癌细胞亚群,这些能力使得上文所提到的所有肿瘤的生长普遍受益。
血管内皮细胞
肿瘤内许多细胞的异质性在它们的基质中被发现。基质成分中的显著差异是形成肿瘤相关脉管系统的细胞。在2000年,组成动脉、静脉和毛细血管的内皮细胞发展、分化和内平衡的机制已经被很好地理解,“血管新生开关”的概念也是如此。血管新生开关能激活处于静息状态的内皮细胞,使它们进入一个细胞生物学进程并组建新的血管(参照前文)。在过去十年中,一套包括了内皮细胞上信号转导受体的配体(例如,Notch,Neuropilin,Robo,和Eph-A/B)的彼此连通的信号通路网络已被加入到早为人知的VEGF,血管生成素和FGF信号中去。这些新的特征通路在功能上与发育中的以及与肿瘤相关的血管新生有关联,并且阐明了内皮细胞表型的复杂调控过程(Ahmed and Bicknell,2009;Carme-liet and Jain,2000;Dejana et al.,2009;Pasquale,2010)。
其它方式的研究正揭示出肿瘤相关内皮细胞独特的基因表达谱,并辨别正常内皮细胞与肿瘤内皮细胞管腔表面的细胞表面标记物(Nagy et al.,2010;Ruoslahti,2002;Ruoslahti et al.,2010)。信号,转录谱和血管“邮编地址”的差异对理解正常内皮细胞向肿瘤相关内皮细胞的转化可能具有重要意义。这些知识为开发全新疗法提供了可能:利用这些差异可选择性的靶向肿瘤相关的内皮细胞。
与体循环的内皮细胞密切相关的是形成淋巴管的内皮细
胞(Tammela and Alitalo,2010)。它们在肿瘤相关基质,特别是在支持肿瘤生长方面的作用我们仍知之甚少。实际上,由于实体瘤内较高的空隙压力,瘤内淋巴管通常是收缩且无功能的;然而相反的是,在肿瘤外围以及癌细胞浸润的邻近正常组织中常有功能性的并活跃生长的(“淋巴管生成的”)淋巴管存在。这些相关的淋巴管可能是引流淋巴结中肿瘤转移播种的通道,这在许多癌症类型中很常见。
周细胞
如早先所述,周细胞代表了一种特殊的间质细胞类型(和平滑肌细胞相关),其具有指突起包绕着血管的内皮管。在正常组织中,周细胞为通常处于静息状态的内皮细胞提供旁分泌支持信号。例如,周细胞分泌的Ang-1传送的抗增殖稳定信号被内皮细胞表面表达的Tie2受体接收;一些周细胞也生成低水平的VEGF,为内皮的内稳态提供营养功能(Bergers and Song,2005; Gaengel et al.,2009)。周细胞也和内皮细胞共同合成血管基底膜,同时固定了周细胞和内皮细胞并帮助管壁抵抗血流的液体静压。
通过遗传学和药理学手段干扰周细胞的补充和联系已证明这些细胞在支持肿瘤内皮方面有重要功能(Bergers and Song,2005; Gaengel et al.,2009;Pietras and Ostman,2010)。例如,对肿瘤周细胞和骨髓来源的周细胞前体表达的PDGF受体介导的信号进行药物阻断能导致肿瘤血管周细胞的覆盖减少,继而破坏血管的完整性和功能(Gaengel et al.,2009;Pietras and Ostman,2010; Raza et al.,2010);有趣的是,相反地,正常血管的周细胞对这种药理干扰并不敏感,这为正常静息的血管和肿瘤血管间调控的差异提供了另一实例。一个有趣但仍有待充分证实的假说是,肿瘤血管周细胞覆盖率低将更有利于癌症细胞侵入循环系统,从而导致后来的血源性扩散(Gerhardt and Semb,2008;Raza et al., 2010)。
免疫炎症细胞
如上所述,免疫系统的浸润细胞正逐渐被认为是肿瘤的共有组分。这些炎症细胞的作用方式彼此冲突:在大部分的肿瘤病变中能发现不同比例的抗肿瘤白细胞和促肿瘤白细胞。尽管抗肿瘤CTLs和NK细胞的存在不足为奇,但能功能性增强肿瘤特征性能的免疫细胞的广泛存在却相当出乎意料。也许与直觉相悖,在20世纪90年代晚期,免疫系统细胞对肿瘤组织的浸润能促进肿瘤演化的证据逐渐积累。这些工作将这一概念的根源归结于慢性炎症部位与肿瘤形成的相关性,以及将肿瘤描述为永不痊愈的伤口的观察结论(Dvorak,1986;Schafer and Werner, 2008)。在正常组织伤口愈合和抗感染的过程中,免疫炎症细胞短暂出现然后消失,这与他们在慢性炎症部位的持续存在形成对比,它们的持续存在被认为与多种组织病理相关,包括纤维变性,血管异常新生以及肿瘤形成等(Grivennikov et al.,2010; Karin et al.,2006)。
过去的十年里,对各种免疫细胞效应因子基因和药理抑制剂的研究表明它们在促进肿瘤形成过程中扮演着不同且关键性的角色。目前,促肿瘤的炎症细胞包括巨噬细胞亚型,肥大细胞,中性粒细胞以及T淋巴和B淋巴细胞(Coffelt et al.,2010;De Palma et al.,2007;DeNardo et al.,2010;Egeblad et al.,2010;Johansson et al.,2008;Murdoch et al.,2008)。这些研究发现越来越多的炎症细胞释放出的信号分子,这些信号分子是促肿瘤生长的效应物。这包括肿瘤生长因子EGF,血管生长因子VEGF,其它的促血管新生因子如FGF2,趋化因子和加重炎症状态的细胞因子;此外,这些细胞可能生成促血管新生或促浸润的基质降解酶,包括MMP-9和其它的基质金属蛋白酶,半胱氨酸蛋白酶和肝素
酶(Murdoch et al.,2008;Qian and Pollard,2010)。与多种效应分子表达一致,浸润肿瘤的炎症细胞能够诱导和维持肿瘤的血管新生,刺激癌细胞增殖,并通过它们在肿瘤边缘的存在来促进组织浸润,扩散转移以及癌细胞的种植(Coffelt et al.,2010;De Palma et al.,2007;Egeblad et al.,2010;Mantovani,2010;Joyce and Pollard,2009;Mantovani et al.,2008;Murdoch et al.,2008; Qian and Pollard,2010)。除了存在于肿瘤基质中的终末分化的免疫细胞,在肿瘤中还发现了多种部分分化的髓样祖细胞(Mur-doch et al.,2008)。这些细胞是介于骨髓来源的循环细胞与正常或发炎组织中分化的免疫细胞的中间形式。重要的是,类似于它们的子细胞,这些前体细胞有明显的促肿瘤活性。特别有趣的是,一类浸润肿瘤的髓系细胞(同时表达巨噬细胞标记物CD11b 和中性粒细胞标记物Gr1)被发现能抑制CTL和NK细胞活性,另称为MDSCs(Ostrand-Rosenberg and Sinha,2009;Qian and Pollard,2010)。所以,招募某些特定的髓系细胞可能既能通过直接促进血管新生,也有可能提供了一种免疫逃逸的方式进而促进了肿瘤的生长。
促肿瘤和抗肿瘤免疫细胞同时存在的矛盾能通过免疫系统具有的多种角色得以合理解释:一方面,免疫系统能通过适应性免疫应答明确地检测和靶向感染原,这是由先天性免疫系统细胞支持的。另一方面,先天性免疫细胞在伤口愈合和清除死亡细胞及残片时被激活。这些专门的任务由不同亚类的炎症细胞完成,即一类常规的巨噬细胞和中性粒细胞(参与支持适应性免疫)和参与伤口愈合和组织清洁的“替代活化”巨噬细胞,中性粒细胞及髓样祖细胞(Egeblad et al.,2010;Johansson et al.,2008;Mantovani, 2010;Qian and Pollard,2010)。后一亚类的免疫细胞是伤口愈合所需的血管,上皮和间质生长因子及基质重构酶的一个主要来源,正是这些细胞被募集并颠覆性的用于支持肿瘤发展。类似的是,B和T淋巴细胞的亚类可能促进这类参与愈合伤口和促肿瘤巨噬细胞和中性粒细胞的集合,激活和持续存在(Biswas and Mantovani,2010;DeNardo et al.,2010;Egeblad et al.,2010)。当然,其它亚类的B淋巴细胞和T淋巴细胞及固有免疫细胞类型能明显增强肿瘤的杀伤应答。肿瘤中互相冲突的炎症反应之间的平衡情况可能会有助于预后,并很可能有助于引导这些细胞进行肿瘤破坏的治疗方案的设计。
13Cell144,March4,2011a2011Elsevier Inc.