恶性肿瘤，俗称癌症，是目前人类健康的主要威胁。彻底消灭癌症，是医学界老生常谈却始终没有实现的目标。近日，由上海交通大学医学院仁济医院临床干细胞研究中心教授高建新领衔的一项研究证实：生殖干细胞基因PIWIL2在DNA损伤修复中扮演着重要角色，相关研究论文于11月16日发表在国际知名学术期刊《公共科学图书馆·综合》杂志上。

 

高建新早年毕业于上海第二医科大学，获得免疫学与微生物学博士学位，之后前往加拿大达尔豪西大学医学院做博士后研究，主攻免疫性炎症方向。随后赴美国俄亥俄州立大学医学中心综合癌症中心和病理学系任助理教授，从事细胞免疫与肿瘤干细胞的研究。现任职于上海交通大学医学院附属仁济医院干细胞研究中心，任肿瘤发生与免疫研究室主任，从事肿瘤干细胞发生、发展及与免疫系统的相互消长关系的研究，率先报道了癌前干细胞相关理论，提出了肿瘤发生、发展新概念，以求找出肿瘤防治的新途径。高建新介绍，这篇文章是验证他提出的肿瘤发生、发展新理论的系列研究中的一环。

 

究竟是所有癌细胞都一模一样，都同样有能力促使肿瘤生长、扩散；还是仅其中一群癌细胞比另一群癌瘤细胞更“高级”，即更具增殖、侵袭、抗药、转移的潜力，只有它们才是真正罪魁祸首？这一问题一直困扰着肿瘤研究者。2003年，继1997年加拿大多伦多大学约翰·迪克（John Dick）在血癌中验证癌症干细胞（Cancer Stem Cell）假设后，美国密歇根大学癌症中心首次在实体肿瘤中验证了癌症干细胞假设：癌症发展主要由少数的癌症干细胞主导。尽管如此，癌症发生、发展是否由癌症干细胞介导，癌症干细胞是否仅仅由干细胞变坏而来，目前医学界仍然存在争论。

 

从肿瘤发生的条件来看，干细胞的确是癌变基因的理想萌生处和持久的载体。但是，只要条件允许，体细胞也有可能转化为癌症干细胞。癌症干细胞是如何发展而来的才是问题的关键所在。高建新分析说，首先，癌变发生在哪个细胞，要看这个细胞是否具有不断分裂、增殖的能力，增殖细胞则具有较多的基因突变的机会。癌细胞的形成，往往需要长期、多个癌基因突变而致。干细胞无疑最易累积突变基因而向癌细胞转化。由于干细胞具有自我更新的特性，其积累的突变癌基因不太会因为组织更新而丢失。在器官、组织内，只要需要，一个干细胞可以产生两个子代细胞：其中一个细胞保持原样即自我更新状态，另一个细胞可以分化成该组织特异性祖细胞并进一步扩增分化成该组织特有的细胞。虽然不能完全排除体细胞分化而发展成肿瘤干细胞，但一般而言，高度分化的组织特异性细胞不太会是肿瘤的始作俑者，因为它们是不会无限增殖的，终究会走向凋亡，而具有长久活力、无限增殖能力的干细胞很可能是肿瘤发生的元凶。

 

那么，癌症干细胞假说是否成立？科学界能否进行证实？高建新为我们讲述了这一漫长而又艰难的过程。

 

早在20世纪五、六十年代，一些医学专家就已在实验中发现，其实肿瘤中存在的细胞群落差异非常大，将它们移植到体外观察发现，它们各自形成新肿瘤的能力大不相同，其中只有极小比率的癌细胞能够生成新的肿瘤组织。那么要想根除癌症，针对这些特定细胞也许会更加有效。由此医学界提出了“癌症干细胞假说”，认为“癌症是由一小群具有干细胞特性的肿瘤细胞所造成的”。医学界有过一个形象比喻：癌症就像蒲公英，修剪草坪看上去好像把它们都除掉了，但只要蒲公英的根还在，就还会再长起来。癌症也是一样。化疗和放疗尽管可以摧毁大部分的癌细胞，但只要它没有杀灭癌症干细胞，也就是癌症的根，癌症就还会卷土重来。

 

1997年，加拿大多伦多大学的约翰·迪克和同事们率先在白血病中找到癌症干细胞。他们发现，这种细胞只占白血病细胞的1%，而它们却是唯一可以在小鼠体内引发肿瘤的细胞，就像“种子”一样。然而当时这项研究在学界并没有引起足够的重视，因为人们怀疑它能否在实体肿瘤中重复，比如乳腺癌、结肠癌、前列腺癌或脑癌等。直到2003年，美国密歇根大学的迈克尔·克拉克等终于证明，乳腺癌中也存在着癌症干细胞。

 

克拉克博士发现，通过细胞表面的标记蛋白，可将人乳腺癌细胞分成两类。将两类细胞分别注入老鼠的乳腺中，第一类肿瘤细胞虽然只占整个细胞数量的极小部分，注入几十个细胞便能引发肿瘤，第二类肿瘤细胞占整个细胞的绝大多数，注入几百万个，却不能引起肿瘤发生。由第一类癌细胞形成的肿瘤，可以一代代传下去。进一步研究发现，这些细胞类似于成体干细胞，有着分裂、增殖、自我更新以及分化成其他乳腺癌细胞的能力，因此被命名为癌症干细胞。

 

从那以后，世界各地的实验室都开始在各种癌症中寻找这种具有干细胞性质的细胞群，一时间相关研究突飞猛进，短短几年时间，人们已经证实了包括结肠癌、头颈癌、肺癌、前列腺癌、脑癌和胰腺癌等肿瘤当中都有癌症干细胞的存在。

 

但是，这些癌症干细胞仅仅是通过异种动物肿瘤移植实验得出的，其形成肿瘤的过程往往仅代表肿瘤发展的晚期阶段，与临床肿瘤发生、发展的自然过程相距甚远，许多临床表现还不能得到合理的解释。因此，癌症干细胞实际代表了肿瘤干细胞发展的晚期阶段。

 

早期肿瘤干细胞是怎样的？高建新领导的研究小组对此进行了不懈的研究。

自上世纪70年代初由美国总统尼克松发起对癌症的“战争”（War on Cancer）以来，人类对攻克癌症的希望在经历了40多年来无数次的失败后，仍然前途未卜。高建新认为，人类最终能否战胜癌症，取决于对癌症是否有准确、全面的认识。到目前为止，研究人员及医学界对癌症的认识，一般还停留在“癌基因水平”，认为癌症仅仅是一个基因病。到目前为止，虽然已发现了6500多个癌基因，但是，绝大多数不是真正意义上的致癌基因或诱癌基因（Cancer-inducing or Cancer-causing gene）；多数属于助癌基因（Cancer-contributing gene）, 包括原癌基因（Ocogene）、肿瘤抑制基因（Tumor suppressor gene）和稳定基因（Stability gene）。这些基因的功能一般为正常细胞所需，参与细胞的分裂、增殖、分化和抗凋亡，只有在突变导致其功能增强或减弱并失去控制时，才会促进肿瘤发生、发展；而致癌基因，顾名思义，它与细胞的正常功能无关，只有在致癌环境中，才会被激活。只要它被激活，就可能会影响细胞基因组的稳定性，诱导助癌基因突变，促进肿瘤发生。目前，科学界对这类基因的认识几乎空白。

 

2007年，高建新及其团队发现肿瘤中存在一群有别于癌症干细胞的具有干细胞特征的肿瘤细胞，它们被命名为癌前干细胞（Precancerous Stem Cell）。癌前干细胞具有良性和恶性分化的潜能，其走向主要取决于其所处的环境。与癌症干细胞可在正常小鼠内致瘤相比，癌前干细胞仅在免疫缺陷小鼠内能长成肿瘤。在相应的环境中，癌前干细胞可以继续成长为癌症干细胞，引发癌症，也可以保持静默的状态或被人体的免疫系统清除。癌前干细胞的这些特征，可以解释为什么大多数临床癌前病变（早癌）可以自行消退或容易治愈。

 

高建新团队用他们建立的癌前干细胞株做了一个有趣的实验。他们将癌前干细胞分别注射到三组具有不同免疫功能的小白鼠的皮下组织、腹腔膜或静脉中，观察肿瘤生长情况。研究结果显示，免疫系统的强度决定了小鼠是否发生癌症。

 

也就是说，在同样面临癌症威胁时，人类自身的免疫力强弱起着关键作用。自身免疫力弱，患上癌症的可能性就大；自身免疫力强，患上癌症的可能性就小。

 

通过对癌前干细胞的研究，高建新领导的团队在肿瘤发生、发展方面取得了一系列原创性新成果：

 

首次证实癌前干细胞可以直接参与肿瘤血管生成（Tumor vasculature），打破了传统的肿瘤血管增生（Tumor angiogenesis）概念，厘清了抗肿瘤血管药物的发展方向。同时发现了肿瘤特异性广谱生物标志PIWIL2-like（PL2L）蛋白。其中PL2L60可以长期、稳定地表达在癌前干细胞中，可在各种肿瘤细胞株和临床各期原发癌肿检出，为发展肿瘤早期诊断和免疫防治方法提供了有效的靶标。尤其为广谱肿瘤疫苗的研制提供了有效靶标。

 

PL2L60是生殖干细胞基因PIWIL2异化激活的产物之一。这种激活不是由基因突变引起，而是因基因内启动子表观遗传激活所致。在肿瘤细胞内，PIWIL2本身很少表达，而且往往与细胞凋亡有关。显然，PIWIL2 与PL2L60在肿瘤发生、发展中有相反的作用。

 

PIWIL2基因的异化激活产物，用传统基因芯片技术或蛋白组学技术不一定能检测到。癌基因异化激活现象，显然与传统的基因突变概念不同。这一特点，为寻找诱癌基因提供了新思路。

 

癌前干细胞与免疫系统的相互作用结果，可决定癌前干细胞的命运。在免疫功能正常的个体内，它们难以立足。初步试验表明，用针对癌前干细胞的多肽疫苗或抗体，能有效地阻断癌前干细胞在免疫缺陷小鼠体内致瘤。

 

根据这些新发现，高建新提出：肿瘤不是单一的基因疾病，而是所累细胞由诱/致癌基因如PIWIL2的异化激活而转化、增殖，直到多个助癌基因突变，同时在由肿瘤启动干细胞向癌前干细胞和癌症干细胞进展的过程中，弱化肿瘤免疫监视系统的结果。因此，癌症是包括多个癌基因变异和抗癌免疫力进行性弱化的复合性疾病。

 

如果上述假设属实，那么，当一个正常细胞对致癌因子作出反应时，PIWIL2应该有所反应。高建新的研究视角，自然地转向了肿瘤发生的最早阶段：DNA损伤对PIWIL2的影响，因为肿瘤的发生是由于细胞内DNA受到损伤后发生基因突变，致使细胞功能改变，其增殖无法自我控制而引起的。

 

 

自相关文章在《公共科学图书馆·综合》这一国际知名学术期刊上发表后，这一肿瘤领域的最新学术成果立即引起了广泛的关注。

 

所谓冰冻三尺非一日之寒，在高建新的带领下，从美国俄亥俄州立大学综合癌症中心到上海交通大学医学院仁济医院临床干细胞研究中心，研究小组甘于寂寞，不随大流，努力创新，为阐明肿瘤干细胞发生、发展机理进行了多年不懈的研究。

 

研究团队在发现完整的PIWIL2基因产物具有不同于其异化激活产物PL2L60的功能后，又发现PIWIL2基因在由电离辐射、紫外线照射以及化学药物等诱致的DNA损伤的修复中都扮演着非常重要的角色。

 

正常情况下，PIWIL2仅表达在睾丸的生殖干细胞和精原细胞中。该团队的研究表明，在DNA未受损的情况下，细胞内的PIWIL2基因是基本沉默的。当受到急性辐射或化学药物作用等导致DNA受损时，原本沉默的PIWIL2基因会被短暂激活，参与调节染色质松弛、解链，促进DNA修复。细胞染色质紧密的双链结构得到松弛是实现其它蛋白质对染色质内部进行准确、有效修复的关键。在修复后，PIWIL2基因又恢复到原有水平。而对于缺陷细胞而言，当受损DNA由于缺少PIWIL2基因而无法成功解链时，便无法完成对DNA的修复。此时，细胞就可能走向衰老、凋亡或向肿瘤细胞转化，丧失自身对细胞分裂的控制功能，导致肿瘤形成。

 

事实上，人体内每天都在发生DNA受损的情况，只是在DNA受损之后，人体会自动对其进行修复，成为防止肿瘤发生最早的一道天然屏障。DNA的修复过程与染色质解链、修复蛋白激活并积聚到损伤部位有关。目前国际上关于DNA自身修复的研究多聚焦于染色质松弛、解链后的修复过程，但对于在DNA修复早期的关键步骤，染色质是如何松弛、解链的机制，了解甚少。

 

由于染色质解链是细胞编程变化的一个重要前提条件，PIWIL2解链功能的发现，将为深入研究PIWIL2基因的生物学功能以及癌症防治的潜在手段提供新视角。高建新认为，作为诱癌基因，PIWIL2本身具有肿瘤屏障基因（Tumor-barrier gene）功能，而其异化激活后，则具有肿瘤启动基因(Tumor-initiating gene) 功能。他们正在验证这一假设。

 

高建新预测PIWIL2基因今后有可能作为一个新的生物标记，来检测、评估人体受到急性辐射所造成的伤害。

 

发现、鉴定癌前干细胞，揭示了癌症干细胞仅代表肿瘤干细胞发展的一个晚期阶段，这一研究扩展、丰富了肿瘤干细胞理论。结合临床实际，高建新提出了肿瘤发生、发展的新理论，勾勒出了肿瘤发生、发展的共同通路：

 

在漫长的肿瘤生长过程中，从早期DNA损伤到肿瘤形成的终末阶段，PIWIL2 始终具有屏障功能，短暂表达促进DNA修复，长期表达诱导细胞转化凋亡，不管助癌基因如何变化。而PIWIL2异化激活后，则具有启动肿瘤发生、发展的功能。通过诱导细胞转化，影响基因组的稳定性，导致助癌基因突变，最终转化细胞失去增殖控制，成为具有无限增殖能力的肿瘤干细胞。这个过程中，肿瘤干细胞的发生、发展与免疫系统互相消长。因此，免疫系统健全与否，是决定肿瘤发生、发展方向的关键。

 

目前，这一假设的几个关键节点都得到了证实。高建新的团队正在进一步验证这一假设。如果这一肿瘤共有的发生、发展通路在分子、细胞水平得到证实，将为肿瘤防治方法带来革命性的变化。“比如，”高建新举例，“改变化疗作为抗癌一线治疗传统；摒弃现在正在提倡的以基因组学为基础的昂贵的肿瘤个体化治疗（Personalized medicine）”。

 

在采访即将结束时，高建新表示，医学学术研究只有在应用于临床实践之后才能真正为人类带来福音。面对自己取得的学术突破，高建新认为那只是沧海一粟，能为在病痛中挣扎的人减轻痛苦，才是医学人士的终极理想。

 

在谈及为什么会选择肿瘤作为研究方向时，高建新说：“正是因为肿瘤给病人带来了极大的困扰，作为曾经当过医生的自己，有责任来为他们减轻痛苦。虽然明明知道肿瘤研究这条路很难走，难以攻克，但是为了自己的理想，一切都是值得的。”

 

至今为止，“彻底消灭癌症”仍然是医学界尚未实现的目标。究其原因，主要是不知道癌症是如何引起的。多年以来，越来越多的医学家投身于此，希望能够逆流而上，截断癌症的源头。而高建新及其团队的最新研究，无疑为通往成功的彼岸开辟了可靠途径，并将引领肿瘤研究的未来发展方向，让我们看到了最终战胜疾病的曙光。

 

《中国科学报》 (2012-01-01 B32 专题)