癌症进化发育学：解析癌症发生过程的新理论

刘文斌 曹广文

自古以来，癌症就是人类医学研究的重要课题。现代医学和分子生物学技术的进步使得癌症研究快速发展，在大量碎片化研究证据积累的同时，癌症研究理论也在不断进步，研究者力图将众多发现的证据拼图连接起来，展示癌症发生发展过程的全貌，以指导后续的研究和治疗策略。在总结癌症领域最新进展的基础上，结合生物进化发育学理论，我国研究者创新地提出了“癌症进化发育学”概念，为解析癌症发生发展提供了新的研究思路。

公元前约400年，“西方医学之父”希波克拉底使用了希腊文“螃蟹”一词来描述恶性肿瘤，以形容其从中心向四周组织浸润的形态；后续罗马人也用“cancer”，即拉丁文的“螃蟹”来指代肿瘤，一直沿用至今。古希腊医学理论中以“黑胆汁学说”和“淋巴液酸碱度学说”等体液学说解释疾病发病原因，认为是人体内液体构成失衡导致了癌症发生。1863年，德国病理学家菲尔绍（R. Virchow）提出癌症是细胞不受控生长导致的病理性增生，奠定了现代癌症病理学研究的基础。1890年，癌症细胞中的染色质异常和有丝分裂异常现象被发现，它将人们的注意力聚焦到癌症与遗传物质的相关性上。1953年，DNA双螺旋结构被发现。1957年著名的“中心法则”被提出，它揭示了遗传信息转录翻译为蛋白质分子并发挥生物功能的基本流程，从而将癌症病因学研究引入了分子时代。遗传学和分子生物学的研究成果加速了人们对癌症进化现象的认识，基因突变成为其中的研究热点并推动了理论创新。1971年，视网膜母细胞瘤的发病机理研究催生了肿瘤发生的“二次打击”理论：人体基因均有两个拷贝，称为等位基因，其中一个基因拷贝可能存在先天遗传突变，仅依靠另一个正常拷贝发挥功能；如果正常拷贝在后天复杂因素下也发生变异，则产生“二次打击”，导致生物功能彻底异常并诱发癌症。然而大部分的癌症均不能单纯归因于单一基因的变异。1976年，从异常染色质的遗传规律中，人们发现相对于正常细胞，癌症细胞的遗传稳定性更差，每一个突变细胞都可能克隆扩增成一个亚群甚至肿瘤实体。2006年，关于微观环境下癌症亚克隆的筛选过程与宏观世界中达尔文物种选择过程具有相似性的理论被正式提出。此时，该理论的依据还只是针对数量有限的关键性基因的变异，比如TP53（一种抑癌基因，与细胞周期调控、DNA修复、细胞分化和凋亡有关）；而随后测序技术的进步则急速将研究视野拓展到全部DNA，所发现的突变不仅涉及全部已知功能的基因，也涵盖了不编码蛋白的DNA序列。2012年，“突变标签”概念的提出，更有利于将癌症基因组中的海量突变进行分类研究，比如将突变分为“驱动突变”和“乘客突变”：前者对细胞功能有显著影响，并在癌症发生和进展中逐渐累积，而后者对细胞功能没有影响，不在环境选择压力下发生数量变化；这样的规律在绝大多数癌症研究中都得到了验证[1]。近期的单细胞测序技术使得研究者可以精确辨别癌症组织中每一种细胞的具体特征，从而更容易揭示出复杂免疫微环境下肿瘤亚群的进化选择规律。

在癌症病因学领域不断获得证据来支持癌症发生过程符合达尔文进化规律的同时，发育学研究领域也与进化论产生了交集。就人类本身来说，发育是受精卵发展成为个体的过程，而漫长的进化过程则是由水生单细胞生物发展到陆生智人的物种演变过程。在妊娠40周期间，受精卵二倍体细胞在母亲子宫内分裂分化成具各种功能和结构的细胞，形成婴儿的各种器官和组织。短期内重现了人类漫长的进化历史过程，即从单细胞形态（受精卵）到多细胞形态（囊胚），从水生状态（生活在羊水中）到陆生状态（肺呼吸）的功能和形态变化。在微观研究层面，控制胚胎发育的关键基因网络被鉴定出来，发现了一些在物种进化过程中的重要保守基因，比如同源基因（HOX，一类专门调控生物形体的基因）、刺猬基因（Hedgehog，一种分节极性基因）和癌基因（Myc），在发育过程中也发挥着重要作用。

我们在研究乙肝病毒（hepatitis B virus， HBV）致癌过程中发现的系列证据，结合其他研究的碎片化证据，对进化（evolution）和发育（development）领域的交叉点展开研究，首次在国际上系统地提出“癌症进化发育学理论”（Cancer Evo-Dev）[2-5]。功能基因的选择性表达是人体发育的重要基础。人体中所有细胞都具有一套相同的DNA遗传信息，但是仅会选择其中部分信息进行表达，由此产生了不同的细胞形态和功能特征，这一过程是通过表观遗传修饰实现的而不是通过改变这些基因的初级序列完成的。在发育过程中，一些在进化中比较保守的基因，比如干细胞特征相关的基因（又称干性基因），仅在胚胎期表达，而在出生后就沉默了。有趣的是，这些干性基因在癌症发生时又再次表达，而且还是重要的肿瘤标志物，比如癌胚抗原。由此现象出发，我们又发现肿瘤发生发展呈现出“逆向发育”的过程：生理的“正向发育”过程是单个具有无限增殖能力的干细胞，分化为形态功能多样但寿命有限的组织细胞；而癌症的“逆向发育”过程是组织细胞去分化、丧失原有生理功能，而重新获得干细胞的无限增殖能力，同时，胚胎期表达但出生后闭锁的关键基因又再次表达。该理论为癌症预防和治疗提供的新思路、新策略、新技术。

先天遗传因素与病毒感染的外界因素交互作用诱导免疫系统失衡，激活并维持了非可控性慢性炎症。长期炎症微环境导致核酸编辑酶的长期激活，使得遗传物质的损伤—修复平衡被打破，持续促进体细胞突变的产生。短期内过强的基因变异会影响细胞的基本生存能力，使得遗传毒性超过细胞耐受水平，导致快速凋亡。而较为温和的突变水平会支持细胞进入微环境压力的生存选择阶段。大量的变异细胞会被免疫系统清除，仅有少部分“驱动变异”改变了细胞的信号通路传导模式、能量代谢模式等功能，使得细胞获得干细胞特征，包括无限增殖、去分化、适应低氧环境、逃避免疫清除等能力，从而在炎症微环境的选择压力下幸存，发展成肿瘤干细胞，表达出仅在胚胎期表达的干性基因，呈现出“逆向发育”特征。肿瘤干细胞会对免疫微环境产生反作用，诱导促肿瘤的免疫细胞群产生，同时会进一步变异，并迁移到新的组织环境，在新的微环境压力或治疗压力下继续新一轮的进化选择过程，导致癌症复发、转移和耐药现象的發生。整个癌症发生发展过程，符合“变异—选择—进化”的达尔文进化基本规律。

慢性炎症的恶性转化是绝大多数癌症发生发展的共有模式，但是具体过程和其中的关键分子事件始终没有得到彻底阐明。无论是在宏观世界还是在微观的体内环境，要实现进化都需要两个必不可少的动力因素：其一是持续产生的突变以提供足够的基因型种类和数量基数；其二是周围环境对于变异亚型的不断选择淘汰。前者提供了进化的潜力，而后者决定了进化的方向。慢性炎症在这两个方面均发挥着不可替代的作用。

慢性炎症是体细胞突变产生的持续动力。人体DNA在正常复制和传代的生理过程中也会出现错误而造成突变，但是其发生的概率很低，而且会快速被修复或者清除。先天性遗传因素导致的癌症种类有限，只占所有类型的2%左右。紫外线、黄曲霉素、辐射暴露、吸烟等外源性致畸因素导致的肿瘤又往往只是某一种癌症中与职业、地域或生活习惯相关的亚型。相对而言，炎症既是最常见的病理状态，又是多种癌症典型的癌前病变，基因组学研究更证明炎症是最常见的病理性突變来源。不同诱变机制导致的突变会有相对特征性的规律，比如突变的位置、序列背景和相关通路等，这些规律被称为 “变异标签”。剑桥大学从30种癌症共7000例样本中提取了近500万个体细胞突变，进而确定了20多种变异标签。该研究证实，一半以上（16/30）的癌症种类中都有炎症相关“变异标签”的分布，其广度仅次于年龄相关的变异标签。后续的基因测序研究均印证了这一结果，说明炎症是最具有普遍性的病理诱变机制。

人体固有的免疫反应分子——载脂蛋白B mRNA编辑酶催化多肽（apolipoprotein B mRNA-editing enzyme catalytic polypeptide， APOBEC）家族，是在慢性炎症状态下诱导产生的一种强力促突变分子群，也是诱导炎症和癌症的桥梁性分子。APOBEC酶在脊椎动物中均有发现，但成分数量却有较大差异，基本趋势是沿着进化树方向，越低等的动物中数量越少：比如人体中含有11种，灵长类动物至少有7种，而啮齿类动物（如小鼠）中APOBEC3亚型的数量则锐减到1种。上述进化现象的选择压力尚不清楚，有学者推测这与高等动物对病毒的免疫反应更为完善有关。APOBEC3参与人体固有免疫反应，会在炎症反应中被激活，通过直接诱导病毒基因突变，对逆转录病毒（如HIV）和部分DNA病毒（如HBV）进行清除。APOBEC家族成员的免疫作用如此突出，以至于在其被发现后迅速占据了研究领域的焦点，使得人们在相当长的时间内忽视了一个重要的事实：它们的致突变活性是没有物种差别的。APOBEC脱氨基结构域可结合任何满足其碱基序列偏好性的核酸单链，而并不因为这段核酸链的来源而产生差别。因此人类基因组也有可能被“误击”而产生APOBEC特征性突变，即炎症性的“突变标签”。APOBEC相关突变常常成簇出现，数目从几个到几千个不等，被形象地命名为“Kataegis”（希腊语，意为“暴风雨”）。

除了一些在儿童和青年中好发的种类，大部分癌症的进化是一个缓慢的过程，同时内环境还会在生活习惯、年龄、激素水平、感染以及治疗等因素的参与下，形成选择压力的动态变化，这就要求突变的来源机制应该是持续性的（或者是不同机制接力式地出现）。从目前的证据看，APOBEC也满足这一要求。首先，APOBEC3B基因表达水平高的乳腺癌患者预后情况较差，短期的简单暴露因素不会引发病情转移和发展的巨大差异，这很有可能是APOBEC提供了源源不断的新突变，进而增强了癌症组织的适应性潜能。其次，肝癌组织的驱动突变中有相当大的比例是具有APOBEC特征的，而且非小细胞肺癌组织中与靶向药物吉非替尼耐药有关的突变已被证实由APOBEC引发，说明这类酶的作用在癌症进化晚期也存在。第三，乳腺癌、膀胱癌、肺癌和头颈部鳞癌等肿瘤的多点测序和突变谱进化树分析表明，尽管癌症基因组在时空分布上存在显著异质性，但APOBEC突变在各克隆亚型和进化阶段均持续出现。

慢性炎症为癌症进化发育提供了选择压力和微环境。变异的产生往往是随机的，所以才会同时产生“乘客突变”和“驱动突变”。肿瘤微环境和全身免疫系统对变异细胞的自然选择，导致具有干细胞特性的变异细胞幸存，其携带的“驱动变异累积”决定了癌细胞的发生、复发和转移的进化方向。癌细胞的倍增时间一般是1—2天，远超整体肿瘤生长的倍增时间（60—200天），提示大量的癌细胞在有丝分裂之前必须死亡。这样，瘤体内的自然选择就与宏观世界中的自然选择一样，需要经历对生存空间和资源的激烈竞争。维持炎症微环境会促进生存竞争和癌症干细胞的出现，缓解或终止炎症微环境则可以阻滞癌症进化过程。人群水平的流行病学证据，也证明了该思路的合理性：我们发现导致乙肝病毒感染慢性化的免疫分子遗传多态性，会增加肝癌的发生风险；而持续、规律的抗病毒治疗，可以降低炎症水平和癌症发生风险。炎症免疫微环境的构成非常复杂，它由细胞外基质、辅助细胞、多种免疫细胞、多种细胞因子、趋化因子、生长因子等所组成。炎症免疫细胞主要有肿瘤相关巨噬细胞、肿瘤相关中性粒细胞、调节性T细胞、抑制性B细胞、骨髓来源的抑制细胞、树突细胞、自然杀伤细胞等。

近年来的单细胞测序技术使得免疫细胞的分类更为细化精准，在对上述细胞分类的基础上，进一步鉴定出了针对不同肿瘤亚群的特异性免疫细胞。尽管类型复杂多样，从对癌症发生的作用看，炎症免疫细胞主要分为三大类：抗肿瘤免疫、免疫调节、免疫抑制。抗肿瘤免疫是机体识别异常细胞进行清除的保护机制，免疫抑制是为了避免过度免疫反应、使机体恢复免疫稳态的机制，免疫调节则是二者相互转化的相关机制。正常的人体也会有一定概率产生变异细胞并迅速被抗肿瘤免疫机制清除。但在慢性炎症环境下，变异细胞持续产生并被清除压力筛选，它们不仅会产生干细胞特征，还会产生逃避免疫清除甚至反向调控免疫微环境的能力。比如，T淋巴细胞是清除癌症细胞的主要免疫细胞类型，其表面有PD-1受体，用于激活免疫抑制反应，防止T细胞损伤正常细胞；而癌症细胞则可以产生PD-1受体的配体蛋白PD-L1，启动免疫抑制机制。目前的PD-1抗体疗法即通过阻滞该过程而保持T细胞对肿瘤的清除压力。但是，肿瘤细胞逃避、调控炎症免疫微环境的途径是多样的，比如通过改变代谢通路来产生抑制免疫细胞功能的代谢产物，以及将细胞微管伸入到免疫细胞中直接“劫持”免疫细胞的线粒体。针对癌症某一发生机制的治疗策略将营造新的免疫筛选压力，迫使癌症进一步进化，导致耐药的产生。如何更准确地掌握癌症进化规律，预测进化方向，采取更科学、持续的治疗策略，是癌症进化发育学需要进一步研究的重要课题。

炎症反应是人体应对感染和损伤的自我保护机制，APOBEC等固有免疫分子对于清除病毒有重要作用，是何种因素导致这一过程转向为促使癌症进化的有害作用？遗传物质突变和修复是人体正常的生理现象，诱导突变产生是清除病原体的有效途径，在何种情境下它们会向癌症方向发生恶性转化？从癌症进化发育学的角度看，两个平衡的打破是启动恶性病理进程的关键：免疫失衡与遗传损伤—修复失衡。

免疫失衡现象 炎症反应可分为急性炎症和慢性炎症。急性炎症又称可控性炎症，免疫反应程度处于精细调控且高度活跃的动态平衡状态，持续时间短，微生物感染或组织损伤消除后，机体免疫防御系统重新回到健康的平衡状态，维护机体内环境的稳定。急性炎症一般认为对机体有利，我们认为该过程类似于中医理论所说的“阳”。但是，当病原体持续感染、免疫遗传导致免疫应答较弱等因素作用下，炎癥反应无法彻底清除病原、持续处于过度反应、无法恢复稳态，并导致自身组织的损伤，成为慢性炎症状态，又称非可控性炎症。这种有害的炎症则类似于中医理论的“阴”。炎症免疫的“阴—阳失衡”从西方现代医学观念来看，可以体现为免疫增强性细胞和免疫抑制性细胞亚群的改变，以及相应炎症因子的表达差异。慢性非可控性炎症可以持续损伤正常组织细胞，导致组织细胞持续坏死和增生，而组织坏死进一步促进炎症，形成迁延不愈的慢性炎症，导致“阴—阳失衡”持续存在，这也促进了遗传损伤—修复失衡的发生。

遗传损伤—修复失衡现象 无论是对于人体细胞还是对于病毒，适度的突变数量是其幸存并进化的关键。突变数量过少，则生物性状过于保守，易于被免疫或治疗压力清除；突变数量过多，则易于超出自身承受范围，导致迅速的自发性死亡，无法启动进化过程。为维持基因组的稳定，人体内的遗传损伤分子均有其制衡机制。以APOBEC为例，其制衡分子为尿嘧啶DNA葡萄糖基转移酶（uracil-DNA glycosylase， UNG）。UNG可以特异性识别APOBEC家族引起的突变并进行切除，启动切除修复机制。UNG与APOBEC家族的分布范围和功能活性也有高度一致性。但是，UNG和APOBEC平衡作用的效果，并不只是简单的相互制约、相互抵消，而是既有牵制又有配合。当UNG切除APOBEC导致的突变位点后，会在核酸链上留下一个缺口。后续会有三种不同的结局：大多数情况下，当突变数量有限，缺口会修复为正确的碱基；当突变数量增加，修复机制可能会产生错误，发生新的突变类型；当突变数量大量增加，会导致核酸链的解离。人体基因组大多数时间处在双链结构状态的保护之下，短期内的转录活动形成的单链被APOBEC攻击形成突变的概率较低，与UNG的修复处于低频平衡水平。而在病原体感染引发炎症反应后，炎症因子刺激APOBEC显著上调[6]。这在短期内仍然不会对人体基因组造成较大损害。可是当炎症反应慢性化后，无论是APOBEC直接造成的突变，还是UNG长期高频修复积累的错误，均会成为癌症进化所需要的体细胞突变基础。值得注意的是，过度的APOBEC突变反而会阻碍癌症进化的发生。比如，APOBEC家族中有两个诱导变异类型完全相同的亚型：APOBEC3A和APOBEC3B。但是，APOBEC3A的诱变能力显著高于APOBEC3B。为了维持生理稳态，正常状态下APOBEC3A仅有痕量表达，而APOBEC3B的表达量是APOBEC3A的10倍以上。在慢性炎症和遗传易感性因素的交互作用下，APOBEC3A和APOBEC3B都会上调。但是APOBEC3A显著上调后引发的突变水平很容易超出细胞的耐受程度，导致细胞因为短期内的急性遗传损伤而凋亡，失去继续进化的机会。因此，促进APOBEC3A上调的遗传易感性反而会降低胆管癌、胆囊癌和肾癌等多种癌症的发生风险。相反，APOBEC3B由于诱变能力相对温和，即便表达上调后，其诱导的突变水平仍然在细胞耐受范围内，所以促进APOBEC3B上调的遗传多态性会增加多种癌症的发生风险[7]。

我国是肝癌大国，HBV慢性感染导致肝细胞癌发生不仅是重要的公共卫生问题，也是研究癌症进化发育现象的良好模型。HBV在人体内同样受到免疫微环境的压力筛选并发生进化，其数量、抗原抗体水平以及变异规律是反映炎症微环境动态变化的重要线索。在HBV感染初期，免疫清除压力弱，提示病毒复制活跃程度的HBeAg呈现阳性，HBV以野生型为主；随后免疫反应增强，HBeA转为阴性，HBV的变异水平上升。HBV变异一方面赋予病毒逃避免疫的能力，比如免疫细胞识别表位的缺失；另一方面则体现出促进癌症发生的变异。比如HBV前S区和X区的部分变异，在慢性乙型肝炎—肝硬化—肝癌的进化过程中，这些变异的频率逐渐提高。功能研究发现，这些变异或直接激活癌症信号通路，促进细胞获得更强的增殖能力；或者刺激炎症通路，通过维持慢性炎症微环境，间接促进癌症进化。

HBV突变不仅与癌症发生风险相关，更影响着抗病毒治疗对于延长肝癌患者生存期的有效程度[8]。我们在母婴HBV垂直传播的队列中发现，母亲如果是HBV慢性感染者，其体内会携带野生型和多种变异型HBV，虽然变异型HBV致癌能力更强，但是野生型HBV更易感染新生儿[9]。1—15岁的儿童在感染野生型HBV后，与癌症相关的HBV变异又再次被筛选出来并逐渐累积，但由于感染时长短于其母亲，因此高危HBV的变异频率仍然低于母亲。HBV病毒在物种间的进化极为保守，但是在人体内却出现上述迅速进化的现象，这应是慢性炎症筛选的结果。但是，这样进化的方向，HBV自身会丧失感染新个体的优势，而其致癌性会导致宿主的死亡，变异HBV会随宿主的死亡而终止进化，表现为“末路进化”特征。

人类为攻克癌症付出了大量的努力。受限于当前的技术、资源和认知水平，研究者仅能对癌症发生规律中的某一个环节或某一个分子展开分析。因此，绝大部分的研究是盲人摸象式地推进，迫切需要一个合理的理论假说来减少试错过程，避免时间和资源的浪费。“癌症进化发育学”理论由我国研究者独立创新提出，国内外新涌现的研究证据支持了该理论的核心假设，而且高通量测序、单细胞测序、干细胞诱导分化类器官等技术的进步，也为进一步验证和修正该理论提供了有力的支持。可以预见，它将为理解癌症、治疗癌症、预防控制癌症提供更多助力。

[1]曹广文. 癌症进化发育学. 上海： 第二军医大学出版社， 2016.

[2]曹广文. “癌症进化发育学” 理论的关键功能分子及其在恶性肿瘤防治中的作用. 中国癌症防治杂志， 2023， 15（2）： 118-128.

[3]曹广文. “癌症进化发育学”理论进展及其在肝细胞癌靶向/免疫治疗中的作用. 肿瘤防治研究， 2022， 49（8）： 747-755.

[4]Cao G W. Cancer Evo-Dev， a novel hypothesis derived from studies on hepatitis B virus-induced carcinogenesis. Hepatoma Res， 2017， 3： 241-259

[5]Liu W， Deng Y， Li Z， et al. Cancer Evo-Dev： a theory of inflammation-induced oncogenesis. Front Immunol， 2021， 12： 768098.

[6]Liu W， Wu J， Yang F， et al. Genetic polymorphisms predisposing the interleukin 6-induced APOBEC3B-UNG imbalance increase HCC risk via promoting the generation of APOBEC-signature HBV mutations. Clin Cancer Res， 2019， 25（18）： 5525-5536.

[7]Liu W， Ji H， Zhao J， et al. Transcriptional repression and apoptosis influence the effect of APOBEC3A/3B functional polymorphisms on biliary tract cancer risk. Int J Cancer， 2022， 150（11）： 1825-1837.

[8]Yin J， Li N， Han Y， et al. Effect of antiviral treatment with nucleotide/nucleoside analogs on postoperative prognosis of hepatitis B virus-related hepatocellular carcinoma： a two-stage longitudinal clinical study. J Clin Oncol， 2013， 31（29）： 3647-3655.

[9]Li Z， Xie Z， Ni H， et al. Mother-to-child transmission of hepatitis B virus： evolution of hepatocellular carcinoma-related viral mutations in the post-immunization era. J Clin Virol， 2014， 61（1）： 47-54.

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