原创Bakhoum返朴
癌细胞与免疫系统之间的厮杀，还有太多谜团。每一次探寻，都带来新的希望。
撰文
SamuelF.Bakhoum（纪念斯隆凯特琳癌症中心）
编译
Kestrel
事情过去已有七年了，可当时失落的感受至今依然清晰。
那是年的一天，我拿到一位病人的肿瘤组织DNA测序结果，她的肺癌已经转移到了脑部，但是在报告里我找不到半点可以指明治疗靶标的基因改变，同时，另一件事引起了我的注意：数据显示，几乎每条染色体在结构上、数目上都发生了很多变化。
正常细胞中，每条染色体有两份拷贝，但癌细胞里面的染色体则不然，拷贝数目多少不定，少的只有一份，多的可以有五六份拷贝，有时候还会出现染色体碎片。这种基因组混乱的现象称为“染色体不稳定性”（chromosomeinstability），简称CIN。虽然癌症研究者和临床医生早就知道CIN是癌症进展到晚期或有转移的标志，但我从来没见过像这位病人这样，才59岁情况就这么严重的，更何况她才确诊不久，而一般认为CIN是在比较长的时间跨度上逐渐发生的。
肿瘤科医生对此束手无策，因为针对CIN没有太好的靶向疗法，病人只能简单地接受多轮全身化疗和放疗。我的病人也一样，除了一般性的副作用，她还得承受脑部放疗带来的神经*性，可能会造成失忆和其它认知缺陷。
如此困境令我联想起自己的细胞生物学背景。过去，我读博期间的科研工作就是去搞清楚正常细胞有丝分裂过程中染色体是如何平均分配的。这个过程错综复杂，但每天都在许多组织中上演。生命体演化出多重备份机制，来确保这个过程不会出错。若万一出错，染色体数目异常的细胞也会被迅速清除。但癌细胞就不一样，它们对染色体异常的耐受性很强，且如此大尺度的基因变化与病程进展密切关联。然而，我们并不清楚，在肿瘤的发展和转移过程中，CIN是否扮演着积极的角色，又是怎样起作用的。
直到几年前，我开始着手研究CIN到底是会推动癌症发展，还是只是一种伴随癌症发生的现象。为此我与LewisCantley展开了合作，他当时是威尔康奈尔医学院（WeillCornellMedicine）迈耶癌症中心（MeyerCancerCenter）的主任，现供职于丹娜-法伯癌症研究所（DanaFarberCancerInstitute）。我们对多种染色体不稳定且具有转移性的癌细胞进行了遗传操控，降低它们的CIN水平，又不影响它们所携带的其它遗传学异常。结果非常明显，失去CIN的癌细胞同时也失去了转移的能力。还有一件事令我们惊讶，就是我们发现CIN是通过造成慢性炎症来促进癌细胞转移的。所以，归根结底，让癌细胞得以脱离原发性肿瘤而去入侵其它器官的，正是机体自身的免疫反应。
年，我们的工作发表在《自然》（Nature）杂志上。研究结果提示我们，让遗传物质变得不稳定这一步本身，对癌症的演进（evolve）至关重要。这可以成为新的治疗思路的出发点：我们能否在这一步中寻找靶点，来治疗CIN情况严重的癌症呢？能否想办法稳定基因组，或者减轻CIN造成的慢性炎症，来遏止癌症转移呢？能否改造免疫系统，让它去清除染色体数目异常的细胞呢？
针对这些关键问题，我在纪念斯隆凯特琳癌症中心（MemorialSloanKetteringCancerCenter，MSK或MSKCC）的实验室采用了跨学科、基于细胞生物学同时结合单细胞基因组学、数学建模以及临床采样的方法。我们相信，通过整合这些方法，我们会理解CIN是怎样改变癌细胞的行为、提升癌细胞的适应性，来维持癌症发展的。进一步地，我们志在揭示是哪些细胞通路让癌细胞得以耐受CIN，然后通过靶向那些通路来治疗癌症。
也是在年，我和Cantley以及另一位同事OlivierElemento联合创立了VolastraTherapeutics公司，以期相互补足我们在CIN方面的学术工作。公司的科研人员正在为多种癌症开发靶向CIN的疗法。通过这样广泛的合作，我们希望为染色体不稳定性癌症患者探索和开发新的治疗方法。
被忽视的癌症标志
自从年科学家测得首个癌细胞基因组以来，我们一直在不断深入了解是哪些遗传物质的改变在促使癌症发生、发展。科学家们开发出了一个个靶向疗法，作用于那些促进肿瘤发展的基因。这些疗法的理念都基于这样一个假设：如果我们能抑制这些基因，肿瘤就会停止恶化。因此，我们要对肿瘤组织进行基因组测序，找出每个病患身上的促癌基因，这一步已经成为MSK许多肿瘤科医生的常规做法。但是，当测序未能帮我们找到靶点时，肿瘤个体化治疗的局限性就显现出来了：的确有一些成功的病例，但是对大多数癌症晚期病人来说，效果还是十分有限。
即使靶向疗法可以派上用场，可能也只有一开始有效，因为肿瘤会“进化”。它们经常能逃逸我们的用药。而癌细胞最强大的武器之一，就是CIN。它们每一次分裂——托CIN的福——染色体都会发生随机重排。于是，染色体分离过程中发生的错误积累起来，导致癌变的组织里面各细胞在染色体组成和拷贝数上高度异质。这种现象称为“非整倍性”（aneuploidy）。的确，多轮治疗之后还是复发的晚期肿瘤，其特征就是染色体高度不稳定及非整倍性，对这样的肿瘤，抑制单个突变基因的药物已经起不了效果，尽管这些药物曾使癌症好转。
早在数十年前，研究者就已知道非整倍性是人类癌症的一个特征，但直到年，约翰霍普金斯大学医学院（JohnsHopkinsUniversitySchoolofMedicine）的ChristophLengauer和BertVolgelstein才首次证明CIN在促进癌细胞异质性方面的作用。通过他们的工作，人们很快就理解到CIN有刺激肿瘤演进、恶化的潜力：CIN能够调节染色体拷贝数，因而也调节这些染色体上基因的拷贝数。近期，哈佛大学医学院的StephenElledge发现，人类的恶性肿瘤的确会尽可能地增加带有致癌基因的染色体拷贝数，并减少带有抑癌基因的染色体的拷贝数，从而提高自身的适应性。
尽管CIN对人类癌症来说很重要，但实验室还是聚焦在基因突变上。新一代测序技术所带来的方法学革命引导学界把目光都放在了单个基因对癌症发生的贡献上，并由此得到了许多重要的发现，扩展了我们的认识，使我们了解了许多基因在肿瘤发生过程中所起的作用。但是，这种方法也有弊端，它忽视了大尺度染色体畸变及其对基因功能和癌细胞行为的影响。从整块肿瘤组织样本中纯化出DNA，对其进行测序，固然能够让我们更清楚地看到染色体上的遗传信息，但无法将序列发生改变的DNA片段定位到染色体上，而且模糊了细胞间染色体拷贝数的异质性。
在过去的十年间，研究者开始将更多注意力放到大尺度的染色体改变上。年，MSK的RobertBenezra等人发表了一项重要研究，表明已经获得CIN的肿瘤不再依赖一开始引发癌症的致癌基因。具体来说，当研究者上调致癌基因KRAS诱导小鼠形成肺癌后，再取消上调，能观察到肿瘤消褪；但如果采用基因工程手段，进一步往癌变的细胞中人工引入CIN，肿瘤消褪现象就观察不到了。所谓靶向治疗，就是去特异性地抑制像KRAS这样的致癌基因，不让它们驱动肿瘤发生，但恶性肿瘤会逐渐对这种疗法产生抗性，这项工作就告诉了我们抗性是如何产生的。
此后，伦敦大学学院（UniversityCollegeLondon）及克里克研究所（CrickInstitute）的CharlesSwanton组给出了强有力的证据，表明CIN在人类癌症中十分重要。年，通过随访肺癌病人，Swanton团队证明了是染色体不稳定——而不是肿瘤基因组中点突变的个数——与整体生存率的降低相关。他们后续的研究显示，无论是肿瘤转移还是癌细胞逃逸免疫监控，CIN很可能在肿瘤生物学的方方面面都扮演着重要的角色，癌细胞每次分裂伴随的染色体拷贝数逐步改变，为肿瘤提供了能在各种选择压力下演进的能力。
正因为这些科学家们不断研究CIN在癌症中的作用，癌症基因组学与细胞生物学之间的界限逐渐在消解。一方面，染色体所携带的遗传密码可以用复杂的基因组学手段破译；另一方面，染色体生命周期与细胞分裂过程中的分离行为基本上可以用分辨率较高的光学显微镜来跟踪。例如，分离过程中出现错误的染色体最终会出现在一个容纳小段DNA的“微核”（micro-nuclei）中，与细胞核——即“主核”——分离。微核一直被看作是区分癌细胞及周围正常组织的一个特征。多个研究组的工作显示，包裹微核的核膜经常破裂，把染色体洒到细胞质中，暴露在核酸酶下，同其它蛋白质一样被降解，变得四分五裂。
图1.微核的显微照片。细胞中的小黑点即是微核。（