【關鍵詞】腫瘤幹細胞
【關鍵詞】 基因突變;非整倍體；腫瘤幹細胞;永生化DNA鏈;端粒
0引言
雖然近幾十年來在腫瘤 研究 方面取得了很大進展，但是至今關於腫瘤的具體發生機制還存在爭論和分歧，主要存在基因突變假說和非整倍體假說的分歧［1］. 基因突變假說認為幾個重要基因的獨立突變可以導致腫瘤的發生［2］；但非整倍體假說認為非整倍體是腫瘤產生的根源［3］. 在這裡，我們通過 分析 基因突變和非整倍體在腫瘤幹細胞產生過程中的作用，提出了新的腫瘤發生機制假說. 許多研究資料表明不論是體內的腫瘤組織還是體外的腫瘤細胞系都不是一個均一的體系，維持它們存在和生長的是占很少部分的腫瘤幹細胞［4-6］. 雖然現在許多研究人員認為腫瘤的根本原因是癌基因激活和抑癌基因失活，但是細胞持續不斷的增殖不一定導致腫瘤幹細胞的擴增和腫瘤體積持續不斷的生長，只有增殖結果能夠導致腫瘤幹細胞不斷的擴增,才可能導致腫瘤不斷生長、侵襲和轉移腫瘤幹細胞和正常幹細胞在各自的組織或器官中所占的比例都很少，都具有自我更新（或無限增殖）能力和產生一定組織或器官的能力（雖然腫瘤幹細胞產生的是異常的組織或器官）［4-6］；許多腫瘤的單克隆起源和癌變的漫長過程（幾個月甚至幾十年）提示只有正常幹細胞才具有如此長的壽命來積累癌變所需的遺傳改變；幹細胞已經具備了自我更新能力，因此癌變所需要的遺傳改變更少［7-9］；腫瘤幹細胞和成體幹細胞具有很多相同的標誌分子［10-12］.
1癌基因激活和抑癌基因失活
對於多細胞生物來說，其必須有能力控制其體積大小，否則不能適應苛刻的 自然 環境. 細胞分化可能是多細胞生物控制其體積大小的一種有效機制. 在發育成熟前，多細胞生物體內胚胎幹細胞數目是以指數方式擴增，維持生物個體體積的持續增長；成熟後，其體內的成體幹細胞以不對稱分裂方式增殖，子代細胞中只有一個成為幹細胞，另一個最終分化死亡，幹細胞數目不再擴增，同時生物個體體積基本不再發生變化. 同樣現象在體外也類似，研究人員很容易在體外培養擴增胚胎幹細胞但很難擴增成體幹細胞［13,14］. 胚胎幹細胞相對於成體幹細胞來說的分化程度更低，因此分化差別可能是胚胎幹細胞能夠擴增而成體幹細胞一般不擴增的重要原因. 如果維持這種分化差別的基因失活，成體幹細胞則可能恢復胚胎幹細胞的功能而發生擴增，有可能轉變為腫瘤幹細胞. 許多癌基因的激活可以抑制細胞的分化而許多抑癌基因可以促進細胞分化［15］，因此特定癌基因的激活和抑癌基因的失活可能導致幹細胞分化功能異常而轉變為腫瘤幹細胞. 但是，這種只有基因改變的腫瘤至今好像還不存在或者發生機會非常小［3,16,17］；另外，如果腫瘤只是基因突變的結果，那麼腫瘤的所有或大部分細胞都應當是腫瘤幹細胞，可事實上幾乎不存在這種腫瘤.
2非整倍體假說
體外培養的腫瘤細胞系只有少數細胞是腫瘤幹細胞，而其他大部分腫瘤細胞最終失去自我更新能力［18］. 體外環境對於每個腫瘤細胞來說都基本一樣，因此可以排除環境因素的 影響 . 由於其他腫瘤細胞只能由腫瘤幹細胞產生，因此如果存在決定腫瘤幹細胞自我更新功能的因素（自我更新因素），這些因素只可能來自腫瘤幹細胞本身，與此對應的是決定大部分腫瘤細胞失去自我更新能力的因素（抗自我更新因素）也只可能來自腫瘤幹細胞，顯然只有這兩種對立的因素在腫瘤幹細胞分裂過程中不均勻分配給兩個子代細胞，才可能導致培養的腫瘤細胞系中只有部分細胞是腫瘤幹細胞的現象. 可以認為獲得自我更新因素或/和失去具有抗自我更新因素的細胞成為腫瘤幹細胞，相反，則成為普通的腫瘤細胞. 存在的 問題 是，如果腫瘤幹細胞每次都不對稱分配這兩種因素，子代細胞只有一個細胞成為腫瘤幹細胞，那麼腫瘤幹細胞的數目就不可能發生擴增，這樣在細胞培養過程中由於普通腫瘤細胞數目擴增而腫瘤幹細胞數目不發生擴增，最終因為細胞不斷傳代不斷「稀釋」腫瘤幹細胞的數目而導致腫瘤細胞系的斷代，但事實上建立的腫瘤細胞系是可以無限傳代的，表明腫瘤幹細胞的數目肯定也發生擴增. 這樣出現新的問題：在相同的體外培養條件下，什麼時候腫瘤幹細胞分裂時產生兩個腫瘤幹細胞，什麼時候分裂時只產生一個腫瘤幹細胞和一個普通的腫瘤細胞？什麼因素決定這種並不確定的有絲分裂機制？基因突變顯然不可能解釋上述現象，因為同一腫瘤細胞系中所有或大部分腫瘤細胞應當具有大致相同的突變基因，因此它們應當具有類似的生物學行為，但事實不是這樣. 非整倍體可能恰好能夠解釋上述現象，幾乎所有的腫瘤細胞都是非整倍核型［3］,非整倍體可以導致腫瘤幹細胞有絲分裂紊亂，因此可能導致自我更新因素和抗自我更新因素分配紊亂，從而有時擴增腫瘤幹細胞，有時不發生擴增，因此，非整倍體可能是腫瘤幹細胞擴增的有效機制. 體內腫瘤也可能存在與上述類似的機制.
細胞分化是有效控制生物個體體積的一種有效機制，但是細胞分化並不能完全抑制幹細胞的自我更新功能，從發育過程看，分化雖然可以導致胚胎幹細胞擴增的能力喪失，但是分化本身不具有能夠使成體幹細胞完全喪失自我更新的能力，最多只能使其一個子代細胞失去自我更新能力；從進化過程來看，首先產生的是具有自我更新能力的細胞，而後在這些細胞的基礎上才出現具有一定分化程度的細胞，因此分化過程必然依賴細胞的自我更新過程，沒有自我更新過程分化過程將無法進行. 由於進化的不連續性和多細胞生物的細胞一般都具有很多條染色體現象，表明那些維持細胞自我更新的基因群在這些染色體上的分布並不均一，而且基因產物在細胞內空間上分布也不均勻. 因此，如果那些攜帶原始增殖基因群的染色體數目擴增（非整倍體化），導致幹細胞極性紊亂，有絲分裂的錯誤以及不對稱分裂異常都有可能導致自我更新因子和分化因子的分配紊亂，由於分化因子作用一般低於自我更新因子作用，這樣可能導致幹細胞數目的擴增，而發生腫瘤. 不過，非整倍體本身作為獨立因素也不能導致腫瘤的發生，因為許多永生化細胞系雖然是非整倍體核型，但並不是腫瘤細胞.
3腫瘤幹細胞內永生化DNA鏈
30年前Cairns提出成體幹細胞中存在永生化DNA鏈（模板鏈）的假說. DNA半保留複製方式使複製過程中發生的鹼基配對錯誤首先發生在新合成鏈而不是模板鏈，如果其中一個子代細胞總能獲得母代細胞所有含有模板鏈的染色體並被多細胞生藥廠物個體選擇成為幹細胞，那麼在DNA複製過程中發生在新合成鏈上的鹼基配對錯誤就不會留在幹細胞內而是留在另一個子代細胞內，並隨著該細胞分化衰老死亡離開生物個體，從而不會對生物個體造成威脅. 幹細胞中的模板鏈即永生化鏈，意思是一般不會發生基因突變. 最近Potten等［19］和Merok等［20］分別從不同的角度證實了Cairns的假說,根據這些事實，Cairns提出了幹細胞與癌變關係的新假說［21］，該假說從基因突變假說出發，推測癌變的發生幾率與幹細胞的死亡頻率呈正相關，因為只有幹細胞的死亡才可能導致其他幹細胞的擴增從而補充那些損失的幹細胞，在幹細胞擴增時需要重新建立新的永生化DNA鏈，該過程可能導致錯誤鹼基嵌入永生化鏈從而造成基因突變在幹細胞內的積累，這種情況持續發生最終可能導致癌細胞的產生. 該假說與認為增加細胞分裂頻率可增加癌變幾率的假說一致. 但是，增加幹細胞的擴增頻率只是通過增加基因突變的頻率來導致腫瘤發生？在這裡，我們根據Cairns的假說提出：永生化DNA鏈的生物學意義除了可以防止基因突變在幹細胞內的積累外，還可能具有保護幹細胞染色體端粒［19,22］以及賦予幹細胞自我更新的能力. 因為其能賦予幹細胞自我更新的能力，因此可能恰好被非整倍體利用從而成為腫瘤發生的有效工具，因為非整倍體本身可導致幹細胞中永生化DNA鏈的擴增和有絲分裂紊亂從而可能導致腫瘤幹細胞產生. 幹細胞的擴增過程表明幹細胞的兩個子代細胞分別只能獲得一半含有永生化鏈的染色體，每個子代細胞的另一半永生化鏈只能由新合成鏈重新建立. 由於細胞分裂過程中DNA半保留複製方式和細胞內的端粒酶活性不足不能有效地合成端粒部分，導致含有新合成鏈的染色體的端粒部分丟失［22,23］，如果幹細胞不斷擴增，最終會因為含有新合成鏈的染色體的端粒耗盡導致細胞內不同染色體之間的末端融合，形成雙著絲粒的染色體，在下次細胞分裂時可能導致染色體不分離或雙著絲粒的染色體異常斷裂，這樣循環往復最終導致幹細胞成為非整倍體核型，一定程度的非整倍體幹細胞即使沒有外來因素促使其擴增，其非整倍體核型也導致幹細胞內永生化鏈的擴增和分配紊亂，最終導致腫瘤幹細胞的產生. 相反，如果幹細胞總不發生擴增而一直以不對稱方式分裂，總獲得含有永生化DNA鏈的染色體，則其端粒永遠不會縮短或發生結構變化，因此永遠不會因為端粒問題而發生非整倍體化［19］. 總之，即使按照Cairns的假說，幹細胞持續擴增的結果也必然導致非整倍體的產生，腫瘤的發生仍然需要非整倍體，不但如此，還提示非整倍體腫瘤幹細胞的擴增過程必然要進行永生化DNA鏈的擴增和重建，從而引起腫瘤幹細胞不斷擴增. 最近，我們的實驗結果支持上述推測［24］. 我們認為，腫瘤持續不斷生長的根本原因是腫瘤幹細胞持續不斷地擴增；癌基因的激活和抑癌基因的失活是腫瘤幹細胞不斷增殖的動力，非整倍體可通過擴增自我更新因素並引起其分配紊亂而有助於腫瘤幹細胞擴增；腫瘤幹細胞擴增過程的實質是非整倍體導致腫瘤幹細胞內永生化DNA鏈不斷重建和擴增以及被分配紊亂的過程；腫瘤演進過程的實質是非整倍體程度增加導致永生化DNA鏈重建和擴增機會以及分配紊亂程度增加，導致腫瘤幹細胞擴增機會增加的過程
【關鍵詞】 基因突變;非整倍體；腫瘤幹細胞;永生化DNA鏈;端粒
0引言
雖然近幾十年來在腫瘤 研究 方面取得了很大進展，但是至今關於腫瘤的具體發生機制還存在爭論和分歧，主要存在基因突變假說和非整倍體假說的分歧［1］. 基因突變假說認為幾個重要基因的獨立突變可以導致腫瘤的發生［2］；但非整倍體假說認為非整倍體是腫瘤產生的根源［3］. 在這裡，我們通過 分析 基因突變和非整倍體在腫瘤幹細胞產生過程中的作用，提出了新的腫瘤發生機制假說. 許多研究資料表明不論是體內的腫瘤組織還是體外的腫瘤細胞系都不是一個均一的體系，維持它們存在和生長的是占很少部分的腫瘤幹細胞［4-6］. 雖然現在許多研究人員認為腫瘤的根本原因是癌基因激活和抑癌基因失活，但是細胞持續不斷的增殖不一定導致腫瘤幹細胞的擴增和腫瘤體積持續不斷的生長，只有增殖結果能夠導致腫瘤幹細胞不斷的擴增,才可能導致腫瘤不斷生長、侵襲和轉移腫瘤幹細胞和正常幹細胞在各自的組織或器官中所占的比例都很少，都具有自我更新（或無限增殖）能力和產生一定組織或器官的能力（雖然腫瘤幹細胞產生的是異常的組織或器官）［4-6］；許多腫瘤的單克隆起源和癌變的漫長過程（幾個月甚至幾十年）提示只有正常幹細胞才具有如此長的壽命來積累癌變所需的遺傳改變；幹細胞已經具備了自我更新能力，因此癌變所需要的遺傳改變更少［7-9］；腫瘤幹細胞和成體幹細胞具有很多相同的標誌分子［10-12］.
1癌基因激活和抑癌基因失活
對於多細胞生物來說，其必須有能力控制其體積大小，否則不能適應苛刻的 自然 環境. 細胞分化可能是多細胞生物控制其體積大小的一種有效機制. 在發育成熟前，多細胞生物體內胚胎幹細胞數目是以指數方式擴增，維持生物個體體積的持續增長；成熟後，其體內的成體幹細胞以不對稱分裂方式增殖，子代細胞中只有一個成為幹細胞，另一個最終分化死亡，幹細胞數目不再擴增，同時生物個體體積基本不再發生變化. 同樣現象在體外也類似，研究人員很容易在體外培養擴增胚胎幹細胞但很難擴增成體幹細胞［13,14］. 胚胎幹細胞相對於成體幹細胞來說的分化程度更低，因此分化差別可能是胚胎幹細胞能夠擴增而成體幹細胞一般不擴增的重要原因. 如果維持這種分化差別的基因失活，成體幹細胞則可能恢復胚胎幹細胞的功能而發生擴增，有可能轉變為腫瘤幹細胞. 許多癌基因的激活可以抑制細胞的分化而許多抑癌基因可以促進細胞分化［15］，因此特定癌基因的激活和抑癌基因的失活可能導致幹細胞分化功能異常而轉變為腫瘤幹細胞. 但是，這種只有基因改變的腫瘤至今好像還不存在或者發生機會非常小［3,16,17］；另外，如果腫瘤只是基因突變的結果，那麼腫瘤的所有或大部分細胞都應當是腫瘤幹細胞，可事實上幾乎不存在這種腫瘤.
2非整倍體假說
體外培養的腫瘤細胞系只有少數細胞是腫瘤幹細胞，而其他大部分腫瘤細胞最終失去自我更新能力［18］. 體外環境對於每個腫瘤細胞來說都基本一樣，因此可以排除環境因素的 影響 . 由於其他腫瘤細胞只能由腫瘤幹細胞產生，因此如果存在決定腫瘤幹細胞自我更新功能的因素（自我更新因素），這些因素只可能來自腫瘤幹細胞本身，與此對應的是決定大部分腫瘤細胞失去自我更新能力的因素（抗自我更新因素）也只可能來自腫瘤幹細胞，顯然只有這兩種對立的因素在腫瘤幹細胞分裂過程中不均勻分配給兩個子代細胞，才可能導致培養的腫瘤細胞系中只有部分細胞是腫瘤幹細胞的現象. 可以認為獲得自我更新因素或/和失去具有抗自我更新因素的細胞成為腫瘤幹細胞，相反，則成為普通的腫瘤細胞. 存在的 問題 是，如果腫瘤幹細胞每次都不對稱分配這兩種因素，子代細胞只有一個細胞成為腫瘤幹細胞，那麼腫瘤幹細胞的數目就不可能發生擴增，這樣在細胞培養過程中由於普通腫瘤細胞數目擴增而腫瘤幹細胞數目不發生擴增，最終因為細胞不斷傳代不斷「稀釋」腫瘤幹細胞的數目而導致腫瘤細胞系的斷代，但事實上建立的腫瘤細胞系是可以無限傳代的，表明腫瘤幹細胞的數目肯定也發生擴增. 這樣出現新的問題：在相同的體外培養條件下，什麼時候腫瘤幹細胞分裂時產生兩個腫瘤幹細胞，什麼時候分裂時只產生一個腫瘤幹細胞和一個普通的腫瘤細胞？什麼因素決定這種並不確定的有絲分裂機制？基因突變顯然不可能解釋上述現象，因為同一腫瘤細胞系中所有或大部分腫瘤細胞應當具有大致相同的突變基因，因此它們應當具有類似的生物學行為，但事實不是這樣. 非整倍體可能恰好能夠解釋上述現象，幾乎所有的腫瘤細胞都是非整倍核型［3］,非整倍體可以導致腫瘤幹細胞有絲分裂紊亂，因此可能導致自我更新因素和抗自我更新因素分配紊亂，從而有時擴增腫瘤幹細胞，有時不發生擴增，因此，非整倍體可能是腫瘤幹細胞擴增的有效機制. 體內腫瘤也可能存在與上述類似的機制.
細胞分化是有效控制生物個體體積的一種有效機制，但是細胞分化並不能完全抑制幹細胞的自我更新功能，從發育過程看，分化雖然可以導致胚胎幹細胞擴增的能力喪失，但是分化本身不具有能夠使成體幹細胞完全喪失自我更新的能力，最多只能使其一個子代細胞失去自我更新能力；從進化過程來看，首先產生的是具有自我更新能力的細胞，而後在這些細胞的基礎上才出現具有一定分化程度的細胞，因此分化過程必然依賴細胞的自我更新過程，沒有自我更新過程分化過程將無法進行. 由於進化的不連續性和多細胞生物的細胞一般都具有很多條染色體現象，表明那些維持細胞自我更新的基因群在這些染色體上的分布並不均一，而且基因產物在細胞內空間上分布也不均勻. 因此，如果那些攜帶原始增殖基因群的染色體數目擴增（非整倍體化），導致幹細胞極性紊亂，有絲分裂的錯誤以及不對稱分裂異常都有可能導致自我更新因子和分化因子的分配紊亂，由於分化因子作用一般低於自我更新因子作用，這樣可能導致幹細胞數目的擴增，而發生腫瘤. 不過，非整倍體本身作為獨立因素也不能導致腫瘤的發生，因為許多永生化細胞系雖然是非整倍體核型，但並不是腫瘤細胞.
3腫瘤幹細胞內永生化DNA鏈
30年前Cairns提出成體幹細胞中存在永生化DNA鏈（模板鏈）的假說. DNA半保留複製方式使複製過程中發生的鹼基配對錯誤首先發生在新合成鏈而不是模板鏈，如果其中一個子代細胞總能獲得母代細胞所有含有模板鏈的染色體並被多細胞生藥廠物個體選擇成為幹細胞，那麼在DNA複製過程中發生在新合成鏈上的鹼基配對錯誤就不會留在幹細胞內而是留在另一個子代細胞內，並隨著該細胞分化衰老死亡離開生物個體，從而不會對生物個體造成威脅. 幹細胞中的模板鏈即永生化鏈，意思是一般不會發生基因突變. 最近Potten等［19］和Merok等［20］分別從不同的角度證實了Cairns的假說,根據這些事實，Cairns提出了幹細胞與癌變關係的新假說［21］，該假說從基因突變假說出發，推測癌變的發生幾率與幹細胞的死亡頻率呈正相關，因為只有幹細胞的死亡才可能導致其他幹細胞的擴增從而補充那些損失的幹細胞，在幹細胞擴增時需要重新建立新的永生化DNA鏈，該過程可能導致錯誤鹼基嵌入永生化鏈從而造成基因突變在幹細胞內的積累，這種情況持續發生最終可能導致癌細胞的產生. 該假說與認為增加細胞分裂頻率可增加癌變幾率的假說一致. 但是，增加幹細胞的擴增頻率只是通過增加基因突變的頻率來導致腫瘤發生？在這裡，我們根據Cairns的假說提出：永生化DNA鏈的生物學意義除了可以防止基因突變在幹細胞內的積累外，還可能具有保護幹細胞染色體端粒［19,22］以及賦予幹細胞自我更新的能力. 因為其能賦予幹細胞自我更新的能力，因此可能恰好被非整倍體利用從而成為腫瘤發生的有效工具，因為非整倍體本身可導致幹細胞中永生化DNA鏈的擴增和有絲分裂紊亂從而可能導致腫瘤幹細胞產生. 幹細胞的擴增過程表明幹細胞的兩個子代細胞分別只能獲得一半含有永生化鏈的染色體，每個子代細胞的另一半永生化鏈只能由新合成鏈重新建立. 由於細胞分裂過程中DNA半保留複製方式和細胞內的端粒酶活性不足不能有效地合成端粒部分，導致含有新合成鏈的染色體的端粒部分丟失［22,23］，如果幹細胞不斷擴增，最終會因為含有新合成鏈的染色體的端粒耗盡導致細胞內不同染色體之間的末端融合，形成雙著絲粒的染色體，在下次細胞分裂時可能導致染色體不分離或雙著絲粒的染色體異常斷裂，這樣循環往復最終導致幹細胞成為非整倍體核型，一定程度的非整倍體幹細胞即使沒有外來因素促使其擴增，其非整倍體核型也導致幹細胞內永生化鏈的擴增和分配紊亂，最終導致腫瘤幹細胞的產生. 相反，如果幹細胞總不發生擴增而一直以不對稱方式分裂，總獲得含有永生化DNA鏈的染色體，則其端粒永遠不會縮短或發生結構變化，因此永遠不會因為端粒問題而發生非整倍體化［19］. 總之，即使按照Cairns的假說，幹細胞持續擴增的結果也必然導致非整倍體的產生，腫瘤的發生仍然需要非整倍體，不但如此，還提示非整倍體腫瘤幹細胞的擴增過程必然要進行永生化DNA鏈的擴增和重建，從而引起腫瘤幹細胞不斷擴增. 最近，我們的實驗結果支持上述推測［24］. 我們認為，腫瘤持續不斷生長的根本原因是腫瘤幹細胞持續不斷地擴增；癌基因的激活和抑癌基因的失活是腫瘤幹細胞不斷增殖的動力，非整倍體可通過擴增自我更新因素並引起其分配紊亂而有助於腫瘤幹細胞擴增；腫瘤幹細胞擴增過程的實質是非整倍體導致腫瘤幹細胞內永生化DNA鏈不斷重建和擴增以及被分配紊亂的過程；腫瘤演進過程的實質是非整倍體程度增加導致永生化DNA鏈重建和擴增機會以及分配紊亂程度增加，導致腫瘤幹細胞擴增機會增加的過程
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