|
|
从20世纪初到60年代，科学家们鉴定出了许多种肿瘤病毒。这些病毒能够以一定的概率感染细胞并诱导其转化为癌细胞，从而使其大量增殖产生肿瘤。（见C008 什么是肿瘤病毒？）
到20世纪70年代，肿瘤病毒的致病机制逐渐被解析。科学家们发现，逆转录肿瘤病毒主要通过劫持或操控细胞内癌基因的方式，使其异常过量表达，从而诱导细胞癌变。这些发现揭示了细胞基因组中癌基因的关键作用。（见C010 从肿瘤病毒到癌基因理论的诞生（上））
鉴于肿瘤病毒的特殊地位，许多病毒学家认为肿瘤是一种由病毒感染所造成的疾病，肿瘤病毒是所有人类癌症的诱因。（文中简称为“病毒诱导学说”）
不过，另一派科学家则认为癌基因才是所有人类癌症的诱因，各种致癌因子（包括肿瘤病毒）也是通过癌基因来造成细胞癌变的。（文中简称为“癌基因学说”）
1. 肿瘤都是由病毒引发的吗？
由于癌基因学说在当时仅局限于猜想、缺少证据，所以“病毒诱导学说”最初占据上风，但也存在很多争议。
- 在20世纪初，日本科学家通过反复在兔子耳朵上涂煤焦油来引发皮肤癌，揭示了化学致癌因子。1910年代，巴黎的研究人员发现人类癌症与x光之间存在关联，揭示了物理致癌因子。很明显，在这两种情况下，直接引发肿瘤的物质并非是肿瘤病毒。（见C007 癌症是一种基因突变疾病）
- 病毒一般来说具有传染性，就像新冠病毒，可以从一个人传到另一个人。但现实生活中的流行病学结果显示，大多数肿瘤并不具备传染性。而且在1970年代，科学家们发现，大多数人类肿瘤中无法分离出肿瘤病毒。常见癌症中，只有宫颈癌（HPV相关）和肝癌（HBV相关）明确与特定病毒有关。
不过，“病毒诱导学说”的支持者们认为，大多数癌症可能由逆转录肿瘤病毒引发。这些病毒具有基因组整合能力，可以潜伏于细胞中，所以无法被分离出来。只有在特定诱导（包括各种化学、物理致癌因子）下，潜伏的肿瘤病毒才会被唤醒，展现出诱导癌症的能力并开始大量繁殖。
而且部分实验也可以侧面证明这个解释。科学家发现，在细胞培养基中加入BrdU（胸腺嘧啶类似物）可以把某些小鼠成纤维细胞中的内源性逆转录病毒激活，使得原本看起来没有病毒感染迹象的细胞突然开始释放逆转录病毒颗粒。所以对于肿瘤，各种化学、物理致癌因子可能也是通过激活潜伏于细胞中的逆转录肿瘤病毒来诱导癌变的。
同时，“病毒诱导学说”也可以解释肿瘤转移现象。因为肿瘤病毒在激活后会大量繁殖，随着病毒在各个组织间的传播，肿瘤也会在人体内扩散。不过，这些肿瘤病毒可能不具备人与人之间传播的能力，所以癌症不会表现出传染性疾病的特征。
虽然“病毒诱导学说”在概念上很吸引人且能在一定程度上自圆其说，但始终缺乏直接的支持性证据。
而且值得注意的是，目前存在于人类基因组中的大多数内源性逆转录病毒都是源自500万年前及更早的生殖系感染。随着时间推移，这些病毒基因组不断积累突变，到目前已经无法再产生病毒颗粒了。尽管多达8%的人类基因组来自内源性逆转录病毒基因组，但在这大约4万个逆转录病毒相关片段中，只有极少数片段是完整的，在理论上能够生成传染性病毒颗粒。其中包括一个名为HERV-K的病毒亚家族，它的几个病毒基因组似乎完好无损。但到目前为止，我们没有发现这些潜伏的病毒会产生传染性病毒或在癌细胞中被动员起来。
可见，“病毒诱导学说”存在着无法逾越的缺陷。
而随着越来越多的证据出现，“癌基因学说”逐渐占据上风。
2. 癌基因才是癌症发生的根本原因
证明“癌基因学说”的难度很大。
试想一下，如果癌细胞由基因组内癌基因诱导产生，那该如何鉴定出这个癌基因？又该怎么证明这个癌基因确实具有诱导癌变作用？要知道，人类基因组中有约三万个基因，在上世纪七八十年代的技术条件下想要鉴定出来癌基因，无异于大海捞针。
所以科学家们就计划直接把癌细胞的基因组给提取出来，然后再导入到另一个正常细胞中。如果正常细胞被诱导癌变，则说明癌基因存在于供体癌细胞的基因组中。
不过，这个实验存在三个技术难点。
（1）如何将DNA转入到细胞中？
从细胞中提取DNA的技术在当时已经成熟，但如何将DNA转入到另一个细胞中是个技术难点。1972年，斯坦福大学的Paul Berg发明了DNA转染（transfect）技术（因此获得了1980年的诺贝尔化学奖）。他将磷酸钙加入DNA溶液中，使得二者发生共沉淀。这些共沉淀物能够克服细胞吸收外来遗传物质的自然阻力，使DNA分子直接进入哺乳动物细胞中 (图1)。
图1细胞DNA转染技术
（2）选什么受体细胞？
受体细胞需要具有易于吸收外来DNA并将其整合入自身基因组的能力。实验证明，来源于小鼠胚胎成纤维细胞NIH3T3细胞系具备作为受体细胞的特质。
（3）选什么供体细胞？
供体细胞的选择需要考虑三点：
- 要保证细胞一要没有肿瘤病毒感染的痕迹，也没有激活的内源性逆转录病毒基因组。
- 要用物理或化学致癌因子诱导产生的癌细胞。
- 考虑到不同物种的基因在小鼠中可能无法发挥功能，所以优先选择小鼠细胞。
基于这些考虑，在1978-1979年，研究人员使用强诱变剂3-甲基胆蒽处理C3H10T1/2小鼠成纤维细胞，然后将获得的肿瘤细胞作为供体细胞。理论上，这些细胞中的癌基因都是起源细胞自身基因组的。
他们将供体细胞的DNA转染到NIH3T3受体细胞后，发现受体细胞发生了癌变。而未经诱变剂处理的C3H10T1/2细胞的DNA则不能诱导NIH3T3细胞癌变。
这说明，供体癌细胞的基因组中确实携带了癌基因，能够将正常的NIH3T3细胞转化为癌细胞。
而且结合1975年艾姆斯试验的结果（即诱变剂可诱导基因突变）（见C007 癌症是一种基因突变疾病），说明癌基因可能就是细胞中正常基因的突变版本。致癌因子改变C3H10T1/2细胞的基因组，使某些基因突变成了癌基因。
总结来说，该实验表明，致癌因子发挥诱变剂的作用，通过将正常细胞基因组中的关键基因突变为癌基因，从而诱发癌症。这个实验最直接证实了“癌基因学说”，也使其在20世纪80年代末成为学术界共识，最终在争论中胜出。
但其实我们回过头来看，这个实验的存在着诸多不确定性。
- 不确定是否所有类型的癌细胞都具有像RSV的src癌基因一样的癌基因。
- 可能A类型细胞内的癌基因无法在B类型细胞内发挥作用。
- 由于DNA转染实验无法实现大片段DNA的转移，如果供体癌细胞由多个位于不同染色体或距离较远的基因诱导，则DNA转染可能难以将所有癌基因都导入到受体细胞中。
不过，随着研究深入，这些不确定性也逐渐获得了解释。
科学家们仔细分析转染结果后，发现将供体细胞DNA转染到受体细胞时，只有大约0.1%（10^-3）的DNA能够最终整合到受体细胞的基因组中。因此，两个独立的、不相连的基因同时被引入一个受体细胞的概率为10^-3 × 10^-3 = 10^-6（百万分之一的概率），所以是极不可能发生的事件。因此可以推断，供体肿瘤细胞由单个癌基因诱导，将其转入到NIH3T3细胞中即可诱导癌变。
同时，科学家们还发现，从人类膀胱、肺癌和结肠癌细胞系及早幼粒白血病细胞中提取的DNA都能够转化NIH3T3受体细胞（小鼠成纤维细胞）。这意味着，部分致癌基因能够跨物种和组织类型发挥作用，诱导细胞癌变。
3. 殊途同归——肿瘤病毒内癌基因与细胞内癌基因
之前文章提到，逆转录病毒可以从细胞内劫持癌基因，并在之后的感染中用来诱导细胞癌变（见C010 原癌基因理论的诞生）。那这些病毒癌基因与化学/物理致癌因子所诱导产生的癌基因是同一批基因？还是两批不同的基因？
科学家们通过使用针对癌基因的DNA探针，很快就得到了答案。实验表明：
- 用于识别 哈维大鼠肉瘤病毒（Harvey rat sarcoma virus）中H-ras癌基因 的DNA探针也能够识别 用人膀胱癌细胞DNA转染所产生的NIH3T3癌细胞的DNA。
- 用于识别 柯尔斯滕肉瘤病毒（Kirsten sarcoma virus）中K-ras癌基因 的DNA探针也能够识别 用人结肠癌细胞DNA转染所产生的NIH3T3癌细胞的DNA。
随后，大量的逆转录病毒癌基因和非病毒诱导的人类肿瘤癌基因之间的联系也陆续被发现，见表1。这说明病毒癌基因与化学/物理致癌因子所诱导产生的癌基因就是同一批基因。
表1 在逆转录肿瘤病毒及人类癌症中均存在的部分代表性癌基因（第一列为病毒名称，第三列为癌基因名称，第五列为人类肿瘤名称）
其实许多癌基因，最初都是通过逆转录肿瘤病毒来发现的。这些肿瘤病毒癌基因在人类肿瘤细胞基因组中常表现为拷贝数增加，从而造成癌基因的过度表达，并导致细胞癌变。这些癌基因在被鉴定出来后，也被发现存在于人类肿瘤细胞中，例如src癌基因、myc癌基因和erbB癌基因等（表1）。
- src癌基因是第一个被鉴定出来的癌基因（1974年），最初在劳斯肉瘤病毒（Rous sarcoma virus, RSV）中被发现（见C010 原癌基因理论的诞生）。不过，人类癌细胞中的src癌基因直到1999年才在晚期人类结肠癌的基因组中被发现。
- myc癌基因，最初在禽骨髓细胞瘤病毒(avian myelocytomatosis virus，AMV)中被发现，之后在HL-60人早幼粒白血病细胞中也被发现。
- erbB癌基因，最初在禽成红细胞增生病毒(avian erythroblastosis virus，AEV) 中被发现，之后在人类胃、乳腺和脑肿瘤细胞中也被发现。
所以可见，肿瘤病毒作为天然的癌基因筛选工具，为人类认识癌基因打开了一扇大门。而无论是肿瘤病毒（生物致癌因子）或是物理/化学致癌因子，都是通过癌基因来发挥致癌作用，最终殊途同归。
4. 小结
在“病毒诱导学说”和“癌基因学说”的争论中，可以看到技术的关键推动作用，一个实验就可以定乾坤。同时，这个实验也伴随着巨大的不确定性，在成功背后不知道隐藏了多少的汗水与煎熬。
当然这也是做科研的常态。一次尝试就能做成属于撞大运；而反复的失败、尝试与调整才是常态。科研路上，最重要的还是要心态平和、不抛弃不放弃，才能修得正果。 |
|
发表于 2022-12-31 17:54:56