Hallmarks of Cancer中文版

新一代癌症的标志

1洛桑联邦理工学院瑞士实验癌症研究所：道格拉斯·哈纳汉（Douglas Hanahan ）1，2，*，罗伯特·温伯

格（Rober Weinberg）3，*（瑞士洛桑CH-1015）

2加州大学生物化学与生物物理学院（美国旧金山CA 94158，）

3路德维希/麻省理工学院分子肿瘤学中心怀特黑德研究所的生物医学研究所，麻省理工学院生物系（美国

剑桥镇，MA02142）

*通讯方式：dh@epfl.dh（D.H）,weinberg@https://www.360docs.net/doc/2b1228986.html,（R.A.W）

分类号: 10.1016/j.cell.2011.02.013

在人类肿瘤的多级发展过程形成的六个生物功能构成了癌症的特征。这些特征为分析复杂的肿瘤性疾病提供了一个组织原则。这六个特征包括：持久的增殖信号；对生长抵制基因的逃避；细胞死亡受阻；寿命无限；血管发生；激活浸润和转移。基因组的不稳定构成了这些特征的基因，基因的不稳定还造成了基因的多样化，基因的多样化又加速了它们特征的获取和炎症的出现，从而形成一系列特征性功能。最近十年来，概念的发展又为肿瘤增加了两个新特性——重构能量的代谢和避免免疫破坏。除癌特征外，肿瘤还表现出另外一方面的复杂性：它们包含一系列吸引来的，看起来貌似正常的细胞，这些细胞通过营造“肿瘤微环境”从而使其获得了肿瘤特征。人类癌症治疗途径的发展将会受到这些概念的广泛应用意识的影响。

引言

笔者曾经总共提出癌症的六个标志，这些思路为理解肿瘤性疾病的逻辑框架提供了一个组织原则（Hanahan and Weinberg, 2000）。在笔者的讨论中暗含了这样的观点，随着正常细胞逐步发展到肿瘤状态，这些细胞就会获得一系列的标志性功能，初期的癌细胞获得这些功能能够导致它们形成肿瘤并最终恶化，这样人类肿瘤病理的多级进程可能就可以得到合理化的解释。

笔者注意到，作为一个辅助的观点，即肿瘤不仅仅是狭义上癌细胞在数量上的增长。相反，它们是由多种明显不同类型细胞类型构成的复杂组织，各种不同细胞类型之间存在异型的相互影响。笔者所描述的吸引来的正常细胞构成了肿瘤相关的间质，它们作为肿瘤形成积极的参与者，而非旁观者；例如，这些间质细胞会导致肿瘤的发展和某些特性功能的表达。在随后的十年里，这种概念深入人心并有所发展，揭示了肿瘤生物学的特征，即不再是简单地理解为癌细胞在数量上的增殖，而是围绕着“肿瘤微环境”导致肿瘤的发生进行理解。

这种观点之后，在成果不凡的癌症研究过程中，新的发展已经阐明并修改了关于标志性功能的原始表述。不过除此之外，还有其它的研究还提出了一些问题和强调了一些机械的概念，而这些概念并不是笔者最初详细标志性特征的构成部分。在这些进展的推动下，笔者再次回顾了原始的特性，认为新的特性应该考虑进去，并且详细论述了它们的功能以及由于吸引间质细胞而促进了肿瘤的生物学形成。

标志性功——概念的发展

癌症的六个特征——显著的和补充的功能确保它的生长和转移散布——能够为理解癌症提供一个坚实的基础（图表1；可下载版本的数据描述可以看补充的信息）。在这篇综述的第一部分，笔者在2000年的文章中总结了每个特征的要点，接下来是过去数十年间理解癌症机制概念进展的插图（通过斜杠体标题分开）。其次的部分我们提出了一些新的进展，扩大了这些概念的范围，依次描述了获得这六种特性功能的两个关键促进因素，这两个新出现的特性功能即构成基础和肿瘤微环境之间的信号沟通对于癌症的形成至关重要，最后笔者又探讨了这些概念在医疗上的前沿应用。

持续的增殖信号

毫无疑问，癌细胞最基本的特点就包括它持久且长期的增殖能力。正常的组织能够精确地控制促生长信号的生成和释放，这些信号能够指导细胞的增殖-分化周期的开始和进程。从而维持了细胞数量的平衡，进而保证了正常组织的结构和功能。癌细胞干扰了这些信号，自主控制细胞的成长。启动信号在很大程度上是由附着于细胞表面受体的生长因子运输的，通常还包括细胞内的酪氨酸激酶域。后者能够通过分枝的信号路径持续地发出信号，这些信号路径能够通过细胞周期和细胞生长（也就是所谓的细胞体积增大）来调控整个进程；这信号还常常影响到细胞的其它生物功能，例如细胞的生存和能量的新陈代谢。

很显然，正常组织内精确的识别和增殖信号的来源在十年前很难搞懂，现在还是如此。此外，人们对于有机分裂信号释放的机制还知之甚少。那些在组织内部控制细胞数量和位置的生长因子信号从一个细胞传递到相邻细胞是一种短暂空间的调控类型，例如旁分泌信号很难过实验获得，基于这种现实，从某种程度上说，理解这些机制还是比较困难的。此外，生长因子的生物利用是被细胞周围的空间和细胞外基质的消除作用而得到调控的，调控还受到一个复杂网络的影响，这个网络由蛋白酶，硫酸酯酶以及其它能够释放和激活它们酶构成，很明显，这是一种高度特异的局部作用方式。

相比之下，癌细胞内的有丝分裂信号还比较好理解一些（Lemmon and Schlessinger, 2010; Witsch et al.,2010; Hynes and MacDonald, 2009; Perona, 2006 ）。癌细胞可以获得持续增殖信号的特性，有两种可能的方式：癌细胞本身或许可以产生生长因子受体，可以通过同源受体的表达而得到应答，从而引起自体增殖刺激。还有就是，在支持肿瘤有关的间质中，癌细胞可能发出信号刺激正常的细胞，而正常的细胞则会反馈各种生长因子（Cheng et al.,

2008; Bhowmick et al.,2004）。

癌细胞表面的受体蛋白水平

的提升能够导致受体信号的

失调，从而使这种细胞对于

数量有限的配体生长信号产

生高反应性。受体分子结构的改变也会造成同样的结果，这会使配体依赖的开启更为便利。

信号通路组件的基本激活能够开启这些受体的下游区，这个就造成了生长因子依赖，并回避了配体刺激介导的受体通路。考虑到许多明显的下游信号路径是由配体刺激的受体发出的，例如Ras信号传感器的应答，大概就是一个由激活受体传导调控的亚型。

体细胞突变激活另外的下游通路

对于癌细胞基因组的高通量DNA测序揭示了某些人类肿瘤的体细胞突变，这预示了活化的生长因子受体通常能够引发信号回路的基本活化。因此，我们了解到目前40%的人类黑素瘤含有的激活突变能够影响B-Raf蛋白，使基本的信号通过Raf 到丝裂原活化蛋白（MAP）激酶途径（Davies and Samuels 2010）。与之相似，PI3-K催化亚型的亚型在一系列肿瘤类型中都能检测出，它们是用来高度激活PI3-K的信号回路，包括关键的Akt/PKB信号转导蛋白（Jiangand Liu,2009; Yuanand Cantley, 2 008）,，生长因子受体发出多种途径相互影响方面，活化上游（受体）对下游（转导蛋白）的信号作用仍不清楚。

增殖信号弱化机制的负反馈失灵

最近的研究结果突显了负反馈回路的重要作用，正常情况下它的作用是用于弱化各种类型的信号，进而确保细胞内回路的信号流量的平衡（Wer tz and Dixit, 2010; Cabrita and Christofori, 2008; Amit et al.,2007;Mosessonetal.,2008）。这些负反馈机制的缺点就在于能够强化增殖信号。这种类型的调节原型包括Ras癌蛋白，Ras的致癌效应并不是源自于其本身信号能力的高度活化；相反，是致癌突变影响了Ras基因，弱化了Ras GTP酶活性，这个调节本质上是一个负反馈调节机制，正常发问下能够确保活化的信号传递是暂时的。

图表1. 癌症的特征

这张图表涵盖了笔者最初于2000提出的关于癌症的六个标志性功能的观点。在过去的十年里，人们对于这个六个特征的理解取得了显著的进步。

相似的负反馈机制活动存在于多个增殖信号

回路中的节点处。一个突出的例子就是PTEN磷酸酶，它能够通过降解PIP3而达到拮抗PI3K的效果。PTEN功能缺失的突变会放大PI3K的信号，并且在多种癌症实验模型中促进肿瘤的生成；在人类肿瘤中，PTEN的表达通常是通过启动子甲基化实现的（Jiang and Liu,2009;Yuanand Cantley, 2008）。

不过另外一个例子涉及的是mTOR激酶，这是一个细胞生长和新陈代谢的协调者，它位于PI3路径的上下游。在某些癌细胞内的回路中，mTOR的活化是通过负反馈而实现了对PI3K信号的抑制。因此，在这种癌细胞内，当mTOR在药理学水平上被抑制（例如纳巴霉素）时，相关的负反馈的失效就会提高PI3K和它效应子Akt/PKB的活性，从而会纯化mTOR抑制引起的抗增殖效应（Sudarsanam and Johnson, 2010; O’Reilly et al., 2006）。在人类癌细胞中很有可能将会证明广泛存在着受抑制

的负反馈链，其作为一种重要的方式，使细胞实现独立增殖。此外，有丝分裂靶向药物适应性抵抗的进展将会从这种自我信号衰弱的失灵中获益。

过强增殖信号能够引起细胞衰老

早些时候对于癌基因作用的研究促成了这样

的一个思路，即这些基因和信号持续不断的表达证明，其蛋白产物能够加快癌细胞的增殖速度，进而导致肿瘤的生长。近年来，越来越多的研究让这个思路受到质疑，由RAS，MYC和RAF等癌蛋白信号过度的增强会引起细胞的抑制，尤其是在诱导细胞衰老和/或死亡方面，更是如此（Collado and Se rrano, 2010; Evan and d’Adda di Fagagna, 2009; Lowe et al., 2004）。例如，表达出高水平的Ras癌蛋白的培养细胞有可能能够进入非增殖但是可存

活的衰老状态；与之相反，表达出低水平Ras癌蛋白的细胞有可能避免衰老而进行增殖。

细胞形态学上的衰老的特征包括增大的细胞质，缺乏增殖标志以及表达衰老诱导的β-半乳糖酶，在经过特定设计的过度表达某些癌基因的小白鼠组织中，这样的细胞大量存在（Collado and Ser rano, 2010; Evan and d’Adda di Fagagna, 2009），还有，在一些人类黑素瘤病例中也普遍存在这些细胞（Mooi and Peeper, 2006）。这些表面上相互矛盾反应看起来反映了内在的细胞防御机制，这种机制是为了消除那些细胞经历过度表达某些类型信号。相应地，癌细胞内致癌信号的相对密度或许能够在最大刺激有丝分裂和避免抗增殖机制之间寻

求一种平衡。或者就是，一些癌细胞通过阻断衰老或细胞诱导死亡的回路而适应高水平的致癌信号。回避生长抑制基因

除了诱导和持续正性刺激生长信号的标志性能力外，癌细胞必定能够避开那些强烈的调节程序，即弱化细胞的增殖作用；许多这样的调节程序依赖于肿瘤抑制基因的作用。目前已经发现了众多肿瘤抑制基因，它们在各种路径上活动，用以限制细胞的生长和增殖，这些基因都是在它们以各种方式在动物或人类癌症进行特异性抑制的过程中发现的；许多这样的基因已经通过小白鼠的功能激活/失活实验确定为真正的肿瘤抑制基因。两种典型的肿瘤抑制基因能够编码RB（视网膜母细胞相关）和TP53蛋白；它们在两个关键的互补细胞调节通路中起着中央控制节点的作用，调控细胞的增殖或者激活细胞的衰老和凋亡程序。

RB蛋白整合来自于细胞内外的不同信号，并相应地决定细胞是否继续进入细胞的生长和分裂周期（Burkhart and Sage, 2008; Deshpande et al., 200 5; Sherr and McCormick, 2002）。癌细胞存在功能性RB通路缺陷，因此缺乏了细胞周期进程关键性的守卫，它的缺乏能够导致的持续增殖。然而大部分来自于细胞外的生长抑制信号都是由RB进行转导的，TP53接受来自于细胞内部运转系统功能的压制和异常的感受器输入信号，如果基因组遭受过度损害，或者说核苷酸库水平，生长启动信号，乳糖或氧化水平处于最不佳的状态，TP53将会阻断细胞的周期进程，直至恢复正常化。还有一种可能情况是，当接受到无法恢复正常情况的警告信号时，TP 53就会引发细胞的凋亡。值得一提的是，激活TP5 3的反应是复杂的，并且高度依赖于环境，也同样依赖于细胞类型，并且还会随着细胞压制和基因组的损害的变化而变化。

虽然两种经典的增殖抑制物——TP53和RB——在调节细胞增殖方面有重要的作用，然而各种证据却表明它们各自作为一个更大网络的一个组成部分，而这些部分却是与功能冗余有关。例如，嵌合体小白鼠全身普遍都具有Rb基因缺陷的细胞，不过令人吃惊的是并没有发现异常的增殖现象，虽然RB功能的缺乏会促使这些细胞和它们的传代细胞开启细胞的分化周期；一些Rb基因缺陷的细胞株将会发展成为肿瘤。同时还发现这些嵌合体小白鼠体内缺乏Rb的细胞能够参与到相对正常的组织形态；晚期的垂体是唯一观察到肿瘤的组织（Lipi nski and Jacks, 1999）。同样，TP53缺陷的小白鼠发展正常，表现出大量正常的细胞和组织稳定性，而在生命的末期则发育异常，表现成白血病和肉瘤（Ghebranious and Donehower,1998）。这两个例子

必能说明导致缺乏这些关键性增殖抑制基因的细胞持续不正常复制的抑制和冗余启动机制。

接触抑制机制和肿瘤的逃避

40年来的研究已经证明，以二维形式的培养中密集的正常细胞群形成了细胞与细胞的接触，产生了对进一步细胞增殖的抑制，产生了汇合的单层细胞。重要的是，这种“接触抑制”在各种培养的癌细胞中被消除了，这意味着接触抑制是一种体内替代的启动机制，该机制用于确保正常组织的稳定并在致癌过程中被破坏的。直到最近，生长控制的机制基础还不明确。不过现在，接触抑制的机制开始显示迹象。

其中一个机制包括NF2基因的产物，该产物一直作为肿瘤的抑制基因，因为它的缺失会引发一种人类神经纤维瘤。细胞质的NF2基因的产物是Me rlin蛋白，它通过将细胞表面粘附分子（如E-cadhe rin）与跨膜酪氨酸激酶（如EGF受体）相互耦联而形成接触抑制。Merlin蛋白以这种方式强化了钙粘蛋白介导的细胞与细胞间的粘附性。还有Merlin 蛋白通过孤立生长因子受体而削弱它们有效发射丝裂原信号的能力（Curto et al., 2007; Okada et al., 2005）。

第二种接触抑制的机制包括LKB1表皮极性蛋白，它们可以组织表皮结构并帮助维持组织完整性。以LKB1蛋白为例，当组织中Myc癌基因有序上调，具备稳定的上皮结构时，LKB1能够拮抗M yc癌基因的促有丝分裂效应；相反，当LKB1的表达处于抑制状态时，表皮完整性变得不稳定，对M yc诱导的转化将会变得敏感（Partanen et al., 2009; Hezel and Bardeesy, 2008）。LKB1同样已经被认定为是一个是肿瘤抑制因子，在某些人类肿瘤中缺失（Shaw, 2009），这或许能够反应出它的正常功能是作为异常增殖的抑制基因。对于人类癌症中存在的两种接触介导的生长抑制因素的出现频率仍得观察；毫无疑问，其它的接触诱导障碍有待进一步的发现。像这样已经清楚的机制，即能够细胞维持构建和保持组织结构复杂性的机制，能够作为对异常增殖信号的抑制和平衡的重要方式。

TGF-β通路的破坏能够导致恶性肿瘤

TGF-β以其抗增殖效应著称，目前癌细胞如何回避这些效应引起了人们更加仔细的研究，而不是简单地研究如何关闭这些信号回路。（Ikushima and Miyazono, 2010; Massague , 2008; Bierie and M oses,2006）。在很多晚期肿瘤中，TGF-β信号正从抑制细胞增殖的地方传向其它方向，用于激活一种称之为表皮间质转换（EMT）的程序，这使得肿瘤细胞具备高度恶性肿瘤的特征，接下来笔者将进一步阐述其中的细节。

抵制凋亡

在最近的20年中令人信服的功能性研究中，通过程序性细胞死亡作为癌症发展的一个自然屏障的概念已经深入人心（Adamsand Cory,2007; Lo weetal.,2004: Evanand Littlewood,1998）。癌细胞在形成肿瘤或者抗癌治疗过程中承受着生理压力，而抑制凋亡程序的信号回路的阐明揭开了在这种压力下，凋亡是如何触发的。癌基因信号的增强导致了信号的失衡，这一点在凋亡诱导的压力中值得注意，就像更早提出的那样，DNA的操作与高度增殖有关。还有其它的研究已经提示出，在成功发展为高度恶化和抵抗治疗的肿瘤中凋亡遭到了弱化。

凋亡机制是由上游调节子和下游效应子构成的（Adams and Cory,2007）。调节子按顺序分成两个主要的回路，一个是接受和传递细胞外的死亡诱导信号（外部的凋亡程序的例子包括Fas配体/Fas 受体），另一个回路能够感受和整合各种源自细胞内部的信号（内在程序）。每个回路最终都能够激活一个正常的潜在蛋白酶（分别为胱门蛋白酶8和9），从而能够开启一个级联蛋白消解反应，包括与凋亡实施阶段有关的效应子蛋白酶，在这个阶段中，细胞逐步分解，然后被它邻近的或者是专门的吞噬细胞作用后消失，内在凋亡程序在当前更广泛地作为癌症发病的屏障。

“凋亡触发”在调节子和效应子之间进行信号传递，它是由促凋亡和抗凋亡的Bcl-2家族成员调节蛋白之间的平衡控制的（Adams and Cory, 200 7）。原型的Bcl-2以及与其最为密切的家族成员（B cl-x L, Bcl-w, Mcl-1, A1）都是凋亡抑制子，前者在更大的范围内通过联接两个前凋亡触发蛋白（Bax 和Bak）并对其起到抑制作用；后者则镶嵌于线粒体外膜。当它们抗凋亡家族成员的抑制作用减弱时，Bax和Bak就会破坏线粒体外膜的完整性，从而造成前凋亡信号蛋白的释放，其中最为重要的蛋白就是细胞色素C。释放的细胞色素C通过它们的蛋白水解活性而依次激活胱门蛋白酶级联反应，进而诱导与凋亡程序相关的多种细胞变异。Bax和B ak与抗凋亡的Bcl-2样蛋白共用蛋白-蛋白相互作用域，即所谓的BH3基序，从而调控它们各种物理相互作用。相关蛋白的亚类都包括单独的这样BH3基序，它们的活动都与感受各种细胞异常的感受器相对应；这些“单个BH3”的蛋白通过两种方式起作用，其一是干扰抗凋亡的Bcl-2蛋白，或者是直接刺激这个家庭的前凋亡成员（Adams and Cory, 2007; Willis and Adams, 2005）。

虽然触发凋亡的细胞条件还需要更加详尽地

列举出来，不过一些异常的感受器在肿瘤的发展中起着关键的作用，这一点已经得到认同（Adams a nd Cory, 2007; Lowe et al., 2004）。最明显的是一个有关DNA损害的感受器，，它是通过TP53肿瘤抑制基因而起作用的（Junttila and Evan, 2009）；T P53通过上调Noxa和Puma这两个单个BH3的蛋白而诱导凋亡的，这是对于大量的DNA破坏和其它染色体异常的应答。还有就是，不足的生长因子信号（如淋巴细胞的白细胞介素-3或上皮细胞胰岛素样的生长因子1/2数量的不充足）可能通过被称为Bim的单个BH3蛋白而诱导凋亡。还有另外一个导致细胞死亡的条件涉及一些癌蛋白高度活化

的信号，例如Myc，它能够触发凋亡，除非被抗凋亡因子拮抗（Junttila and Evan, 2009; Lowe et a l., 2004）。

肿瘤细胞进化出一系列可以限制或回避凋亡

的机制。最普遍的是的癌基因TP53功能的缺陷，这可以造成来自诱导凋亡回路重要的损害感受器

的缺失。还有一种替代方式就是，通过提升抗凋亡调节子（Bcl-2,Bcl-xL）或者生存信号（胰岛素样生长因子1/2）的表达水平，或者降低前凋亡因子（B ax, Bim, Puma）或缩短外部配体诱导的死亡途径，肿瘤也可以实现这样的结果。抗凋亡机制的多样性或许能够反映癌细胞株在恶化过程中遇到的凋亡

信号是多样化的。

在最近的十年里，凋亡机制和程序结构以及癌细胞逃避凋亡作用的方法引起广泛关注。最为显著的概念进步包括一些其它形式的细胞死亡，这些进一步拓宽了作为抑癌屏障的“程序化细胞死亡”的范围。

自噬调节肿瘤细胞的生死

自噬与凋亡类似，是一种重要的细胞生理反应，正常情况下反应性很低，在细胞中处于低水平状态，不过在某些细胞压力下，能够被强烈地诱导，最为明显的压力就是营养缺乏（Levine and Kroem er, 2008; Mizushima, 2007），自噬程序能够破坏如核糖体和线粒体这样的细胞器，使分解代谢产物用于循环，进而用于生物合成和能量代谢。作为这个程序的一部分，在降解时，被称作是自噬体的胞内囊泡包裹着细胞器进而与溶酶体混合。产生的低分子量的代谢产物就以这样方式支持了癌细胞在压

力和营养缺乏的环境中生存。

自噬机制与凋亡机制类似，有调节子和效应子两个组成部分（Levine and Kroemer, 2008; Mizus hima, 2007）。后者是一种调节自噬体形式并将其传送到溶酶的蛋白质。值得一提的是，最近的研究提示出在控制自噬，凋亡和细胞稳态调节回路之间存在相互联系。例如生存信号刺激会包括PI3激酶，AKT和mTOR激酶的信号途径，能够阻止凋亡，同样也能抑制自噬；当生存信号不足时，PI3K信号途径会有所减弱，同时还伴随着自噬或凋亡的减少（Levine and Kroemer, 2008; Sinha and Levine,2 008; Mathew et al., 2007）。

这两种程序的另外一种联系存在于Beclin-1蛋白中，遗传学研究已经表明，该蛋白是诱导自噬所必需的。（Levine and Kroemer, 2008; Sinha and L evine, 2008; Mizushima, 2007）。Beclin-1蛋白是单个BH3凋亡调节蛋白家族成员，它的BH3域与Bc l-2/Bcl-xL蛋白结合。与压力感受器相耦联的BH3蛋白能够从Bcl-2/Bcl-xL替换下Beclin-1，而释放的Beclin-1能触发自噬，很大程度上就像它们能够释放Bax，Bax进而触发凋亡。因此，压力转导的BH3蛋白（例如Bid 、Bad、Puma等）可以根据细胞的生理状态诱导凋亡或自噬。

带有失活的Beclin-1等位基因或某些其它自噬机制成分显示小鼠对癌症的易感性增加。（White a nd DiPaola, 2009: Levine and Kroemer, 2008）。这些结果显示了自噬的诱导可以作为一个癌症的屏障，它的作用或许是独立地，或者说与凋亡相关。同样，自噬也可以看作是肿瘤发展过程中需要克服的障碍（White and DiPaola, 2009）。

或许比较矛盾的一点是，营养缺乏，放疗和某些细胞毒素药物能够提升自噬水平，这看起来对于癌细胞是一种细胞保护，只是对癌细胞造成损伤，而不是在这些压力诱导条件下增强杀伤力（White and DiPaola, 2009; Apel et al., 2009; Amaravadi and Thompson, 2007; Mathew et al., 2007）。另外，处于严重抑制下的癌细胞可以通过自噬而缩小，进入一个可逆的休眠状态（White and DiPaol a, 2009; Lu et al., 2008）。在一些治疗晚期肿瘤的强效抗肿瘤药的使用过程中，这种生存应答或许能够使一些肿瘤继续存活并且再次生长。自噬与TGF - β信号比较类似，后者在肿瘤生长的早期能够起到抑制作用，而在肿瘤后期会起到促进作用，因此自噬看起来对肿瘤细胞有着拮抗和促进双重作用（Apel et al., 2009; White and DiPaola, 2009）。未来的一个重要研究方向包括阐明遗传学和细胞生理状态，这二者用于控制自噬在何时导致癌细胞的生存或死亡。

坏死具有促进炎症和肿瘤的潜能

与凋亡形成对照的是，凋亡中死亡的细胞变成一个几乎不可见的死体，并且立即被周围的细胞所吸收，而坏死细胞则会肿胀，破裂，释放出它们的

内容物进入局部组织的微环境中。虽然坏死曾经被视作更像是一种生物死亡，是一种系统化的衰竭和裂解，现在概念的框架正在发生改变：在一些环境中，坏死导致的细胞死亡很明显是由基因控制的，而不是一个随机无序的过程（Galluzzi and Kroem er, 2008; Zong and Thompson, 2006）。

或许更重要的是，坏死的细胞释放促炎症信号进入周围组织的微环境中，而凋亡和自噬与之相比，则无此现象。结果就是坏死细胞可以吸引免疫系统的炎症细胞（Grivennikov et al., 2010; White et al., 2010; Galluzzi and Kroemer, 2008），后者的专一性功能是监测扩大的组织损伤并且清除相关

的坏死碎片。不过，在肿瘤环境中考虑到免疫炎症细胞能够促进血管生成、癌细胞的增殖和侵袭，多方面的证据显示了免疫炎症细胞可能是活跃的肿

瘤促进因素（如下）。此外，坏死细胞能够释放生物活性调节因子，例如IL-1α，它能够直接刺激周围活性细胞的增殖，具备这种潜能的坏死细胞能够促进肿瘤的进一步发展（Grivennikov et al., 201 0）。结果就是，坏死细胞的死亡看起来对能够抵抗癌症相关的高度活性，但可能最终是弊大于利。同样，初期的肿瘤和潜在具有和转移的肿瘤可能会耐受一定响度的坏死而获得有利条件，这样的行为可以吸引肿瘤促进炎症细胞，而后者可以将生长刺激因子传递给生长过程中的残存的细胞。

促进无限增殖

早在2000年，人们已经广泛认同这一点，即癌细胞要形成肉眼可见的肿瘤需要具备无限增殖

的潜能。这种能力与人体内大多数正常细胞谱系的行为有着显著的差异，后者的细胞生长和分化周期的细胞数量受到限制。这种限制与两个明显不同的增殖屏障有关：一个是进入典型的不可逆非增殖但可见的状态，即衰老，另一个障碍是危象，包括细胞死亡。同样，当进行细胞培养繁殖时，重复的细胞分化周期首先会引起衰老，对于那些绕过此屏障的细胞来说，会进入一个危象阶段，进入这个阶段的细胞将会出现大量地死亡。极个别的细胞会有机会中摆脱危象而表现出无限增殖的潜能。这个转换称之为无限增殖化，其特点是大多数成熟培养的细胞株拥有无限增殖的能力，但其本身并不表现出衰老和危象。

多种证据显示，保护染色体末端的端粒集中参与了癌细胞的无限复制能力（Blasco, 2005; Shay and Wright, 2000）。端粒由多个串联的六肽重复序列组成，在培养增殖的有限增殖化细胞中逐渐缩短，最终失去了防止染色体DNA端端融合的能力；这种整合会产生不稳定的双着丝点染色体，从而导致核型的混乱，进而威胁到细胞的生存。同时，在端粒被大量侵蚀之前，细胞中端粒DNA的长度控制着细胞能够连续繁殖多少代，端粒最终会丧失它的保护功能，从而进入危象。

端粒末端转移酶是一种特异的DNA多聚酶，它可以将端粒重复片断加到端粒DNA的末端，它在有限增殖化细胞中几乎是不可见的，不过在大多数（90%）的自然无限增殖化细胞（包括人类癌细胞）中高度表达。端粒末端转移酶通过延展端粒D NA来计算端粒的逐步侵蚀，不过在端粒末端转移酶消失时这个仍然可以继续。在自然无限增殖化细胞或者经人工设计表达酶的环境中，端粒末端转移酶的活性表现与诱导衰老和危象/凋亡的抵抗相关；相反，抑制端粒末端转移酶能够使端粒缩短，从而激活一个或几个增殖屏障。

增殖的两个屏障（衰老和危象/凋亡）在理论上已经成了重要的抗癌防御体系，已经固化到我们的细胞中，正在用于阻止前肿瘤和新生肿瘤细胞的过度生长。按这种理念，大多数在初期的肿瘤会丧失它们的增殖能力，被一个或几个屏障阻断它们的途径而停滞。极少数变异的细胞最终能够无限增殖，进而发展成为肿瘤，这要归功于它们能够维持足够端粒DNA长度的功能以避免触发衰老或凋亡，其途径为上调端粒的表达，或者个别情况下是通过一种选择性重组端粒维持机制来实现的。因此，端粒的缩短行为已经被视作一种计时工具，它决定了正常细胞的有限复制，因此，这也是癌细胞必须越过的障碍。

复制性衰老的再评价

尽管端粒日益被证实是作为一种形成肿瘤状

态的关键条件，不过复制诱导性衰老作为一种普通的屏障这一概念还需要完善和再定义（鼠和人类细胞在端粒结构和功能上存在差异，因此用鼠来研究人类的端粒和端粒末端转移酶在复制性衰老方面

变得复杂了）。近来的实验表明在特定的培养细胞中通过提升细胞培养条件，诱导性衰老能够推迟并有可能消失，这意味着最近原代培养的细胞或许能够无限地增殖，畅通无阻，直到危象阶段，相关的凋亡的诱导是由精密缩短的端粒触发的（Ince et a l.,2007; Passos et al.,2007; Zhang et al.,2004; She rr and DePinho, 2000）。相反，改造成缺乏端粒末端转移酶的小鼠实验表明，缩短的端粒能够将恶化前的细胞转移到一种衰老的状态，这能够弱化（与凋亡一道）小鼠基因水平上注定发展为特殊形式癌症的肿瘤（Artandi and DePinho,2010）。这种端粒高度破坏并且没有端粒末端转移酶的小鼠表现出

多个器官的功能丧失和异常，其中包括衰老和凋亡的迹象，这可能类似于细胞培养中观察到的衰老和凋亡现象（Artandi and DePinho,2010; Feldser and Greider, 2007）。

早些时候讨论过并且有名的是，与细胞衰老形态学上相似的结构是由于过度或不平衡的癌基因信号诱导的，这一点现在已经被证明是一种对抗肿瘤的保护机制；不过这种形式的衰老与端粒末端转移酶和端粒的相互作用仍待搞清楚。因此细胞衰老作为一种新兴的概念性保护屏障，能够抑制肿瘤的扩散，它能被各种增殖相关的异常所触发，包括高水平的癌基因信号，显然还包括次临界的端粒缩短。

端粒末端转移酶的延迟激活可以限制或促进肿瘤的发展

现在已经有证据表明，由于初期癌细胞不具备表达高水平端粒末端转移酶的能力，因此在其发展为肿瘤的多步骤过程中，初期癌细胞的克隆经常遭遇端粒末端转移酶缺失诱导的危象。因此，原位荧光杂交（FISH）的应用已经揭示了大范围的端粒破坏，该技术还同时显示了染色体的端端融合信号，这是端粒失活和危象的信号（Kawai et al.,2007; H ansel et al., 2006）。这些结果同时也表明，这样的细胞在它们完全正常的原始细胞进化过程中，已经经过了大量连续的端粒缩短的细胞分化。因此，一些人类肿瘤在它们形成肉眼可见的肿瘤之前，或许早已经被被端粒引导的危象所消除。

相比之下，在端粒破坏的初期和断裂—愈合—染色体桥循环（BFB）存在，TP52介导的基因组完整性监督的缺失或许能够使其它初期肿瘤生存下来。BFB循环的改变能够导致基因组的变异，前者包括删除和增加染色体片段，这能够明显提高基因组的不稳定性，进而加速获取变异癌基因和抑癌基因的。损伤端粒功能实际上可以促进肿瘤的进展，这点认识来自于对缺乏p53和端粒末端转移酶的小鼠的研究（Artandi and DePinho, 2010, 2000）。有种看法是，这两个缺陷能够共同促进人类的肿瘤生成，不过这还没有得到直接证明。

短暂端粒缺乏能够加快恶化进程，对这一点的重要性的间接支持来自于人类乳腺恶性病变和恶化前的比分析（Raynaud et al., 2010; Chin et al., 2004）。恶化前病变不能表达高水平的端粒末端转移酶，其特征为端粒的缩短和非克隆性染色体畸变。相比之下，公开的癌表现出端粒末端转移酶表达，其表达与较长的端粒修复和异常核型的固定协调，它们可能是在端粒后，在端粒末端转移酶激活之前发生的。当以描述的这种方式进行时，端粒末端转移酶功能的延迟的实现将有助于促肿瘤突变，但是随后的活化作用会稳定突变后的基因组，进而获得癌细胞具备的无限增殖能力并使之发展为临

床上可见的肿瘤。

端粒末端转移酶的新功能

端粒末端转移酶的发现是由于其能够延长和维持端粒DNA，并且几乎所有的端粒末端转移酶的研究都建立在这样的一个假定的概念之上，即它的功能仅局限于这个重要的功能。不过近年来的研究已经显示，端粒末端转移酶的功能与细胞增殖有关，但是与端粒的维持无关。对于小鼠和培养细胞的功能性研究已经揭示出了端粒末端转移酶，尤其是它的蛋白亚单位TERT（端粒体逆转录酶）的非经典作用；现已证明在某些情况下，当移除端粒末端转移酶的酶活性时，会显示出该酶新功能（Cong and Shay, 2008）。在日益增多的端粒自主的TERT/端粒末端转移酶功能中，TERT的功能是通过Wnt 途径，还有其在β-连环蛋白/白细胞移动增强因子（LEF）转录因子复合体中充当辅助因子来实现它放大信号的能力（Park et al., 2009）。其它的原因要归于端粒自主效应，包括显而易见的细胞增殖作用或抗凋亡作用（Kang et al., 2004），这其中涉及DNA 损伤的修复（Masutomi et al., 2005），RNA依赖的RNA多聚酶功能（Maida et al., 2009）。在染色体的多个位点上都发现TERT与染色质有联系，而不仅仅与端粒有关，这一点与以上的TERT的广泛功能相符（Park et al., 2009;Masutomi et al., 2005）。因此端粒维持可以证明是TERT具备的一系列功能中最为突出的一个。不过端粒末端转移酶的这些额外功能对于肿瘤形成的作用仍有待详细阐明。

诱导血管生成

肿瘤与正常的组织一样，也需要营养物质和氧共同为其提供能量，还要具备排泄代谢废物和二氧化碳的能力。肿瘤的血管生成作用能够生成新的血管，就显示了这种需要。在胚胎形成期，除了从已有的血管上萌发出新的血管外，脉管系统的生长包括新生的内皮细胞以及它们组装成的管子（生成血管）。在这种形态生成以后，脉管系统在很大程度就保持静止状态。处于成人阶段时，作为生理进程的一部分，像伤口的治疗，女性生殖周期，血管生成作用就会启动，不过只是暂时的。与之相反，在肿瘤发展过程中，一个“血管生成开关”几乎总处于激活状态并且保持开启，这将导致正常状态下静止的脉管系统持萌发出新的血管，以便于维持不断扩大的肿瘤生长（Hanahan and Folkman, 1996）。一个值得注意的证据表明血管生成开关由补偿因子

控制，这些因子即能够诱导又能抑制血管生成（Baeriswyl and Christofori, 2009; Bergers and Benjamin, 2003）。一些血管生成调节因子能够发出信号蛋白，作用于血管内皮细胞表面的刺激受体或抑制受体。有名的血管生成诱导因子和掏因子分别为血管内皮生长因子A（VEGF-A）和凝血酶敏感蛋白1（TSP-1）。

在胚胎发育和生长后发育期间，VEGF-A基因编码的配体参与构建新血管的成长，内皮细胞的稳态生存，成人的病理和生理状态也与此有关。VEGF 信号通过三种受体酪氨酸激酶（VEGFR1-3）在不同水平上得到调节，反映了其复杂的用途。缺氧和癌基因信号都可以上调VEGF基因的表达（Ferrara, 2009; MacGabhann and Popel, 2008; Carmeliet, 2005）。此外，VEGF受体能够以潜伏态隐藏在细胞外基质中，而细胞外基质降解蛋白能够释放并激活该受体。（e.g., MMP-9; Kessenbrock et al., 2010）。还有，其它前血管原信号，如成纤维细胞生长因子（FGF）家族成员，当它们的表达受到长期上调时就会涉及到维持肿瘤血管的形成（Baeriswyl and Chris tofori, 2009）。血管生成开关中一个关键的平衡蛋白就是TSP-1，其能够结合到内皮细胞的跨膜受体上，从而激活抑制信号产生拮抗前血管原性刺激的作用（Kazerouni an et al., 2008）。

在肿瘤内部，由慢性活化的血管生成和失衡的前血管生成信号混合物产生的血管是异常的表现：肿瘤新生血管的标志如下：早熟毛细血管的萌发，盘根错节，扭曲膨大的血管，飘乎不定的血流，微血管，漏血，异常的内皮细胞增殖和凋亡（Nagyet al.,2010; Baluketal.,2005）。

在动物模型和人类中发现，在进攻性癌细胞的多步发展过程中，血管生成的诱导时间之早令人吃惊。对于恶化前的非侵袭性损伤的组织学分析，包括各种器官中出现的发育不良和原位癌，该分析揭开了血管生成开关的早期路径（Raica et al.,2009; Hanahan and Folkman,1996）。以前曾经认为只有形成快速生长为可见的肿瘤时，血管生成才显得重要，不过最近的数据表明，血管生成也有助于微观癌前时期的肿瘤发展，进而将这种状态作为一种基本的癌症特征。

过去的十年里出现了惊人的血管生成研究。在这些大量的新知识中，我们突出一些与肿瘤生理特别相关的进展。

血管生成开关的渐变阶段

一旦血管生成被激活，肿瘤就会表现新血管生成的各种类型。一些具有进攻性的肿瘤，例如胰腺—胰腺导管腺癌，它们高度血管化，并且其中充斥着基质“荒漠”——内部很大程度上不含血管但实际上具有很强活性的抗血管作用（Olive et al.,2009）。包括人类肾和胰腺神经内分泌癌在内的许多其它的肿瘤都具有很强的血管生成作用，其结果就是密集地血管化。

总体来说，这样的观察表明在肿瘤的发展过程中，血管开关的最初路径出现在持续的新血管化的变化强度之后，后者由一个复杂的生物调节器控制，包括癌细胞和相关的间质微环境（Baeriswyl and Christofori, 2009; Bergers and Benjamin,2003）。值得注意的是，开关机制的形式是可变的，虽然最终结果是一个普通的诱导信号（例如VEGF）。在某些肿瘤中开启的优势致癌基因如Ras和Myc，可以上调血管生成因子的表达，然而在其它肿瘤中，这样的诱导信号是由免疫炎症细胞间接产生的，以后会探讨这个问题。由致癌基因直接诱导的血管生成也能够促使增殖信号，这阐明了一个重要的原理，即同样的转化剂能够协同控制明显的特征功能。

内源性血管生成抑制剂是肿瘤血管生成的天然屏

障

20世纪90年代的研究表明，TSP-1和血纤维蛋白溶酶（血管生成抑制因子）和18型胶原（内皮抑素）的片断可以作为内源性血管生成抑制剂（Ribatti, 2009; Kazerounian,et al.,2008; Folkman, 2006, 2002; Nyberg et al.,2005）。最近十年已经报道有12种这样的抑制剂（Ribatti, 2009; Folkman, 2006; Nyberg et al.,2005）。其中大多数都是蛋白质并且许多都是结构蛋白的水解衍生物，它们本身不是血管原性调节者。在正常小鼠和人类的循环中都能够检测到大量这样的内源性血管生成抑制物。当编码一些内源性抑制物的基因从鼠种系中剔除时，并没有产生不利的生理效应；不过结果却增强了自身的或移植肿瘤的生长（Ribatti, 2009; Nyberg et al., 2005）。相比之下，如果一个内源性抑制物的循环水平在基因水平上提高时（例如通过转基因鼠的过度表达或导体移植肿瘤），肿瘤的生长就会受到损伤（Ribatti, 2009; Nyberg et al., 2005）；有趣的是，通过提升或剔除这种基因的表达，伤口的修复和脂肪的沉积会出现损伤或加速（Cao, 2010; Seppinen et al.,2008）。数据显示，这样的内源性血管生成抑制物在正常情况下起到生理调节作用，在组织重构和伤口修复过程中，它能够调节暂时的血管生成；它们或许作为一个内源性屏障，对付由初期肿瘤引起的诱导或持续的血管生成。

周皮细胞是肿瘤新血管系统的重要组成部分 周皮细胞长期以来就被视作是支持细胞，在正常的组织的脉管系统中，它们紧密地排列在内皮管

外，为内皮细胞提供重要的机械和生理支持。与之相反，与肿瘤相关的脉管系统则缺乏这些辅助细胞的覆盖。不过近几年谨慎的微观研究显示，周皮细胞虽然排列疏松，但它们也与大多数（并非所有）的肿瘤相关（Raza et al., 2010; Bergers and Song, 2005）。更重要的是接下来的机制研究讨论已经显示出周皮细胞的覆盖对于维持功能性肿瘤的新生

血管有重要的作用。

多种骨髓衍生细胞有助于肿瘤的血管生成

现在已经明确的是，源于骨髓的全部细胞类型在病理性血管生成有着重要作用（Qian and Pollard, 2010; Zumsteg and Christofori, 2009; Murdoch et al.,2008; De Palma et al., 2007）。这些细胞包括先天性免疫系统特别是巨噬细胞，中性粒细胞，肥大细胞和骨髓祖细胞，它们能够进入恶化前的病变区，促进肿瘤，并且在这些病变区的边缘聚集；这些肿瘤周围的炎症细胞除了下文中要讨论的有利于局部侵袭外，还有助于触发以前静止组织中的血管生成开关，维持与肿瘤相关的持续血管生成。除此之外，它们还有促进脉管系统抵制内皮细胞靶向药物的作用（Ferrara,2010）。另外，在某些病症中可以观察到一些类型的骨髓衍生“脉管祖细胞”能够进入肿瘤的病变部位，以周皮细胞或者内皮细胞的形式插入到新生血管系统中（Patenaude et al., 2010; Kovacic and Boehm, 2009; Lamagna and Bergers, 2006）。

激活浸润和转移

在2000年的时候，对于侵袭和转移的机制在很大程度上仍不清楚。当癌从上皮组织发展为更严重的病理级别，即恶性肿瘤时，能够反应出局部浸润和远端转移，相关癌细胞典型的变化表现在形状的改变以及它们对于其它细胞和细胞外基质（ECM）的粘附。最有特征的改变包括肿瘤细胞E-钙粘蛋白（E-cadherin）的缺失，该蛋白是一个关键的细胞间粘附分子。通过与粘附表皮细胞形成粘附连接点，E-钙粘蛋白有助于汇集表皮细胞层以及维持这些层内细胞的静止。E-钙粘蛋白的表达增强可以很好地抵制侵袭和转移，然而其表达的减弱能够强化这些表现型。在人类肿瘤中频繁观察到的下调和E-钙粘蛋白偶然的突变型失活为其作用提供了强力的证据，即该蛋白的特性功能是作为一个关键的抑制因子（Berx and vanRoy, 2009; Cavallaro and Christofori, 2004）。

此外，在一些具有高度侵袭性的癌中，编码其它细胞-细胞和细胞-细胞基质的粘附分子的基因表达肯定发生了改变，而这些变化通常都是通过下调该基因而有利于白细胞郁滞。相反，粘附分子正常情况下都与细胞的转移有关，而它们在胚胎期间和炎症过程中通常都是上调的。例如N-钙粘蛋白，在癌症期间，它通常在迁移神经元和间充质细胞细胞中得到表达，在许多具有侵袭性的癌细胞中都是上调的。除了获取和选择这样细胞间或细胞与基质间的粘附蛋白，侵袭和转移的主要的调节因子在很大程度上仍不清楚，或者说还处于猜想中，缺乏功能的验证（Cavallaro and Christofori, 2004）。

侵袭和转移的多个步骤已经被划分为一系列

独立的步骤，通常称作是侵袭-转移级联（Talmadg e and Fidler, 2010; Fidler, 2003）。这种描述引发了一系细胞生物学变化方面的构想，癌细胞变化起始于局部侵袭，接着癌细胞渗入周围的血管和淋巴管，通过淋巴或血液系统的转运，接着癌细胞会从这些管道的网眼中逃脱，进入远端组织的薄壁组织中（外渗），形成癌细胞小结节（微转移），最后微转移病变成长为肉眼可见的肿瘤，其中最后一步就称为“定植”。

随着强大的新型研究工具的使用，精确实验模型的运用以及关键调节基因的确认，对于侵袭和转移的研究在过去的十年里已经取得了巨大的进步。然而这是一个新兴的领域，其中还充斥着大量悬而未决的问题，在描述这些复杂的特性功能的重要特点方面，已经取得了显著的进展。下文将会强调这些进步中一些明显不完善的描述。

上皮间质样转变程序能够广泛地调节侵袭和转移 一种被称作是“上皮间质样转变（EMT）”的进化调节程序与转换上皮细胞有着明显的关系，作为转移上皮细胞的一种途径，它能够转换细胞并使其获得侵袭，抗凋亡，散布的能力（Klymkowsk y and Savagner, 2009; Polyak and Weinberg, 2009; Thiery et al., 2009; Yilmaz and Christofori, 2009; Barrallo-Gimeno and Nieto, 2005）。通过增加一个包括胚胎形成和伤口修复的处理过程，癌细胞随之就具备了侵袭和转移的属性。在侵袭和转移的过程上，癌细胞能够在不同程度上短暂或永久地激活多方面的EMT程序。

在胚胎形成过程中，一套包括Snail,Slug,Twist,和Zeb1/2在内的多向活性转录因子能够指导EMT 和相关的迁移；其中大部分是在发育遗传学中识别到的。在众多的恶性肿瘤类型中，这些转录因子以各种联合体的形式表达，并且它们在癌症构建的实验模型中已经显示出了对于程序化侵袭具有重要的作用；当异位过度表达时，就会发现它们中的一些能够引发转移（Micalizzi et al., 2010; Taube et al., 2010; Schmalhofer et al., 2009; Yang and Weinberg, 2008）。由这些转录因子引发的细胞生物学特征包

括粘附连接的缺失，相关的转化还包括由多边形的上皮转变成梭形的纤维形态，基质降解酶的下调，移动性的增强，抗凋亡的强化——所有的特征都与侵袭和转移过程有关。这些转录因子中的一部分可以直接抑制E-钙粘蛋白的基因表达，因而能够剥夺肿瘤上皮细胞的移动和侵袭的关键抑制因素（Peinado et al.,2004）。

已有的证据显示，这些转录因子能够相互调节，就像是靶基因的重叠部分。不过对于它们之间的相互作用和控制表达的条件还不清楚。来自于发育遗传学的证据表明，从胚胎的邻近细胞中传递来的环境信号与触发这些细胞的转录因子表达有关，而这些细胞必定能够通过EMT（Micalizzi et al., 2 010）; 在类似的方式下，越来越多的证据显示癌细胞与邻近肿瘤相关的间质细胞的异型相互作用能

够诱导恶性肿瘤表型的表达，这都是由一个或更多的这些转录因子调节的，这一点已经是众所周知（K arnoub and Weinberg, 2006–2007; Brabletz et al., 2001）。此外，仍可以看到在某些癌病变区侵袭性边缘的癌细胞经受着EMT，这表明这些癌细胞受到微环境刺激，与那些位于病变区核心的癌细胞有着显著不同（Hlubek et al.,2007）。

虽然这个证据还不太充分，不过它显示了EM T诱导的转录因子有能力指导除最后一步的定植外的侵袭-转移级联反应的大多数步骤。对于由EMT 引起的各种表象和暂时的间充质状态，我们仍知之甚少。虽然在一些非上皮肿瘤类型（例如肉瘤和神经外胚层肿瘤）中观察到了EMT诱导的转录因子的表达，不过很少有文献记载它们是如何在这些肿瘤中形成恶性特征的。此外，侵袭性癌细胞是否必须要通过EMT程序的部分活化才能够获得它们的功能，或者说是否存在另外的调节程度让其获得这些能力，这些还有待确定。

间质细胞对于侵袭和转移的异型促进

癌细胞与肿瘤间质细胞之间的串扰越发明显

地与侵袭的生长和转移有关（Egeblad et al.,2010; Qian and Pollard, 2010; Joyce and Pollard, 2009; Kalluri and Zeisberg, 2006）。这样的信号或许能够有损癌细胞并且改变其上文提到的标志性功能。例如，肿瘤间质中的间质干细胞（MSCs）被发现能够分泌CCL5/RANTES用以应答癌细胞发出的信号；CCL5接着就会反过来作用于癌细胞，激发癌细胞的侵袭行为（Karnoub et al., 2007）。

位于肿瘤周边的巨噬细胞能够通过提供间质降解酶（例如金属蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶）而促进局部侵袭（Kessenbrock et al.,2010; Joyce and Pollard, 2009; Palermo and Joyce, 2008; Mohamed and Sloane, 2006）;在一个模型系统中，癌细胞产生的IL-4能够激活促侵袭巨噬细胞（Gocheva et al., 2010）。在一个乳腺癌转移的实验模型中，肿瘤相关的巨噬细胞（TAMs）能够为乳腺细胞提供表皮生长因子（EGF），同时癌细胞反过来用CSF-1刺激巨噬细胞；它们的协同交互作用能使癌细胞更易侵入循环系统和促进癌细胞的转移传播（Qian and Pollard, 2010; Wyckoff et al.,2007）。

类似这样的观察意味着高度恶性肿瘤的原型并不会严格按照细胞的原来的方式进行增长，它们的表现型并不能简单地通过肿瘤细胞基因组来分析。其中一个重要的但还未被证实的关联是，一些肿瘤中根本不必形成初期的肿瘤，在不需要额外突变的情况下就可以顺利获得侵袭-级联反应的大部分步骤。

侵袭性生长程序的可塑性

环境信号在诱导侵袭性生长能力（经常通过E MT）中的作用意味着翻转的可能性，活化的间质和侵袭/EMT-诱导的信号或许不再对那些从初始肿瘤传播到更远组织位点的癌细胞有作用，而对位于初始肿瘤部位的癌细胞仍有作用；由于缺乏这些信号的持续作用，癌细胞或许能够在新的地方恢复到非侵袭状态。因此，在初期侵袭和转移传播的过程中，那些经受EMT的癌细胞或许能够经历翻转作用，即所谓的间质上皮转化（MET）。这种可塑性可能导致生成新的肿瘤细胞群落，与那些在初始肿瘤并且从来没有经历EMT的癌细胞相比，前者能够表现出后者类似的病理学特征（Hugo et al., 200 7）。此外，癌细胞通常情况下能够经历一个完整的EMT程序，这种想法有可能过于简单；恰恰相反，在许多情况下，癌细胞只能经历EMT程序的一部分，因此在持续表达残存的上皮特征的同时能够获得新的间质特征。

侵袭的不同形式或许引起了癌症的不同类型 EMT程序调节一个被称为“间质化”的特殊侵袭类型。除此之外，还有两种其它不同类型的侵袭已经被确认，并且与癌细胞的侵袭有关（Friedl an d Wolf, 2008, 2010）。“整体侵袭”包括癌细胞小瘤增大并进入邻近组织，以磷状细胞癌为特征；有意思的是，这样的癌很少有转移性，这表明这种侵袭形式缺乏某些易化转移的功能。“变形虫样”形式侵袭的流行还不明确，在这种形式中，单个癌细胞表现出形态学上的可塑性，这能够使癌细胞在细胞外间质的中的间隙里滑行，而为是自己开拓道路，就像在间质化和整体形式的侵袭发生的那样。目前还有一些东西不清楚，例如参与整体和变形虫形式的侵袭是否利用了EMT程序的组件，还是完

全不同的细胞生物学程序参与设计了其它可选择

的侵袭程序。

如上所述，另外一个新出现的概念涉及由炎症细胞促进的癌细胞侵袭，炎症细胞聚集于肿瘤的边沿，产生细胞外间质降解酶和其它促进侵袭性生长的因子（Kessenbrock et al., 2010; Qian and Polla rd, 2010;Joyce and Pollard, 2009）；这些功能或许使癌细胞省却了通过EMT程序产生这些蛋白质的功夫。因此，癌细胞或许能分泌化学诱导物用以吸引促侵袭炎症细胞，而不是自身产生基质降解酶。转移定植的高度复杂性

转移可以分为两个主要的阶段：癌细胞从初始肿瘤到远端组织的物理传播，以及后者对外部组织微环境的适应，这可以导致成功定植，例如微转移成长为肉眼可见的肿瘤。传播的多个步骤看起来像是EMT的范畴，同样也能够作用于迁移程序。不过定植严格上并不等于物理传播，证据表明，许多病人身上的微转移成功地进行了传播，不过却从来没有发展为肉眼可见的转移肿瘤（Talmadge and Fi dler, 2010; McGowan et al.,2009; Aguirre-Ghiso, 2007;Townson and Chambers, 2006; Fidler, 200 3）。

在某些类型的癌症中，初始肿瘤或许能释放全身性抑制因子而使微转移处于休眠状态，临床上，进行初生生长切除手术后，就会立即出现爆炸性的转移增长（Demicheli et al.,2008; Folkman, 2002）。然而，在另外一些情况中，例如乳腺癌和黑色素瘤中，在初始肿瘤切除或者通过药物破坏后，肉眼可见的转移会在数十年后爆发；经过众多反复试验，这些转移肿瘤生长无疑反映了休眠期间微转移，这就回答组织定植的复杂问题（Barkan, et al.,2010; Aguirre-Ghiso, 2007; Townson and Chambers, 200 6）。

从这样的自然现象中可以推出的一个结论，即微转移或许是缺乏有力生长的必要的特性功能，例如激活血管生成；实际上，某些实验产生的休眠微转移并不能构成肉眼可见的肿瘤，造成这一现象的原因就是因为不能激活肿瘤的血管生成（Naumov et al., 2008;Aguirre-Ghiso, 2007）。另外，最近的实验已经表明，营养缺乏能够诱导强烈的自噬，从而导致癌细胞缩小并进入一个可逆的休眠状态；当组织的微环境改变，能够获得更多的营养时，这样的癌细胞或许还会退出这种状态并且恢复它的活性

和增殖功能（Kenific et al., 2010; Lu et al.,2008）。其它的微转移休眠机制有可能包括抗生长信号嵌

入正常组织的细胞外基质（Barkan et al., 2010），还包括免疫系统的肿瘤抑制行为（Teng et al.,2008;Aguirre-Ghiso, 2007）。

大多数传播的癌细胞有可能不太适应它们着

陆的组织微环境，至少在初始状态时如此。相应地，当进入一个或其它的外源组织时，面对在微环境中的繁衍问题，每种类型的扩散癌细胞可能需要进化出一套自己的解决方案（Gupta et al.,2005）。这些适应行为需要上百种不同的定植程序，每个程序都取决于传播的癌细胞和定植的组织微环境的特性。不过，就像下面进一步讨论的那样，一些组织的微环境从本质上来说，对于癌细胞也许就注定是温床（Peinado et al., 2011;Talmadge and Fidler,2011）。

转移传播长期以来一直认为是初始肿瘤发展

的最后一步，实际上对于大多数肿瘤来说确实如此，就像近来基因组序列研究的那样，胰腺导管腺癌克隆演变为转移瘤，就为此提供了遗传学的证据（Campbell et al., 2010; Luebeck, 2010; Yachida et al.,2010）。另一方面，最近出现的证据显示了细胞可以在相当早的时期就可以传播，它们可以从人类或鼠的非侵袭性癌前病变的表面传播开来（Cogh lin and Murray, 2010; Klein,2009）。还有，初始肿瘤并不具备明显的侵袭性，其拥有的新血管系统也缺乏内腔的完整性，微转移可以诞生于这样的初始肿瘤中（Gerhardt and Semb,2008）。虽然癌细胞能够从这样前肿瘤病变区传播开来，播种于骨骼和其它组织中，这一点是清楚的，不过癌细胞定植到这些位点并且发展为病理学上巨大的肉眼可见肿瘤

的机制还未得到证明。当前笔者认为，在鼠和人类中肿瘤的早期转移传播是能够得到论证，不过此现象的临床意义仍待探究。

除了传播时间不确定外，癌细胞何时何地进化出定植于外源组织并发展为肉眼可见肿瘤的能力

也不清楚。这种能力或许是在初始肿瘤的构建中形成的，是肿瘤的特殊发展路径早于传播的结果，这样进入循环的初始肿瘤细胞通常就具备了定植某

些远端组织位点的能力（Talmadge and Fidler,201 0）。或者说，对特定组织定植的能力的形成也许只是作为对传播的癌细胞选择性压力的一种应答，目的是为了适应外源性组织微环境的生长。

当形成这种特定组织定植能力后，位于转移群落中的癌细胞也许能够传播得更远，不仅到达体内的新的位点，并且会还会回到初始肿瘤的位置，那时是它们祖先出现的地方。相应地，特定组织定植程序在一个初始肿瘤细胞中是显而易见的，它们或许不是来源于经典初始病变区的肿瘤形成进程，而是来源于后来返回病变区的细胞（Kim et al., 200 9 ）。这样的再传播与前面所提的人类胰腺癌细胞转移研究是一致的（Campbell et al.,2010; Luebeck,

2010; Yachida et al., 2010）。换句话说，在初始肿瘤中，癌细胞群体的表现型和潜在基因表达程序也许显然会被它们远距离转移的后代可逆地修改。

这种自身播种过程中暗含着另外一种思路：支持性间质产生于初始肿瘤，并导致其获得恶性特征，这或许从本质上为来源于转移病变区的循环癌细胞的再传播和定植提供了一个适宜的位点。

调控程序能够导致转移定植，它的阐明已经成为未来研究的一个方面。例如在定义相关多套基因方面正在取得可观的进步，该基因有助于形成特定组织中肉眼可见的转移（Coghlinand Murray, 2010; Bos et al., 2009; Olsonetal.,2009;Nguyen etal.,2009;Gupta etal.,2005）。考虑到上述不同定植程序存在明显的多样性，这个挑战是非常大的。此外，定植似乎不只是依赖于细胞自主进程。相反，几乎能够肯定它还需要由关键间质支持细胞构成的宽松的肿瘤微环境。由于这些原因的存在，与之前的转移传播相比，定植的进程可能包括大量的细胞生物

学进程，并且非常复杂和多变。

细胞内回路构建的特性功能

在2000的时候，笔者作了一个类比，数量众多的影响癌细胞启动的信号分子是作为复杂完整的回路的节点和分支，它们在正常细胞中能够被重新编码为回路运行的衍生物。在接下来的十年内，这些回路的原始描述深入人心并且扩展了信号的范围和它们信号路径的相互联系。用图解的方法广泛且条理清晰地描述这种回路不是没有可能，只是很困难，就像2000年已经出现的那情况。

笔者现在提议一种描述这种回路的方法，即将癌症的每个特征与之相对应。因此，细胞内完整的回路可以被分为不同的次级回路，每个次级回路专门用来代表正常细胞内相对独立的细胞生物学属性，在癌细胞中，则是代表被重新编码并且获得的特性功能（如图表2）。图表2中只列出了一个特性

功能的亚型，由于它们潜在控制的回路仍未明确，

图表2：细胞内信号网络调节癌细胞的运行

正常细胞内部运行着复杂而完整的回路，而在癌细胞内部，这些回路经过重新编排而调整特征功能。在图表中用不同颜色的部分来描绘相对独立的次级回路，这些次级回路专门用来调节各种功能。At one level，这种描绘是简单的，其实在这些回路之间存在着非常复杂的串扰。此外，由于每个癌细胞都受到来自于各自微环境中混合信号的影响，因此，这些次级回路都与源自于肿瘤微环境中其它细胞的信号有关，就像图表5描述的那样。

或者说它们与那些描述过的回路有大量的重叠，因而未列出。

这种复杂性的另外一个方面表现为众多的相互联系，因此在次级回路之间存在着干扰。例如，某些癌变活动会影响多重功能，如同强大的致癌基因（例如突变的RAS 和MYC 的上调）会对多重特性功能产生各种影响（例如增殖信号，能量代谢，血管发生，侵袭和生存）。笔者预计这种完整回路的表现还将包括次级回路，以及现在还没有表现出来的相关特性功能。

促因特征和新出现的标志

我们已经定义癌的特征为获得性功能能力，这些能力够使癌细胞生存，增殖，传播；在多级肿瘤形成过程中，这些功能的获得在不同的肿瘤类型中的机制和时间各有不同。它们这种能力的获得是基于两个促因特征。最为重要的是就是癌细胞中基因组的不稳定性的发展，这能够产生随机的突变，包括染色体的重排；在这些改变中很少有参与编排特性功能的基因。第二个促因特征包括癌变前和完全癌变的病变部位的炎症状态，炎症是由免疫系统促进的，而其中的一些炎症则能够通过各种途径促进肿瘤的发展。

不过已经有人提出，一些其它癌细胞明显的特性在功能上对于癌的发展起着重要作用，因此可以将其列为癌症的关键标志（Negrini et al., 2010; L uo et al., 2009; Colotta et al., 2009）。其中有两个特性特别有意思。第一个特性包括大量地重新编排细胞能量代谢以替代大部分正常组织中的代谢程序，用以支持持续的细胞增长和增殖，供养相关细

胞的生理活动。第二个特性是是癌细胞能够避开免

疫细胞的袭击和清除作；这种功能突显免疫系统的

二重性，即免疫系统即能抑制又能促进肿瘤的发育和进程。这其中的两个特性也许能够很好地促进许多形式人类的肿瘤的发育和进展，因此这两个特性可以被视作是癌症的新出现的特性。这些促因特征和新出现的标志在图表3中有所描述，下面将会分别进行讨论。

促因特征之一：基因组的不稳定和突变

多个以上列举的标志的获得在很大程度上依赖于一系列肿瘤基因的改变。简单地说，一切突变的基型可以使亚克隆细胞获得针对性的优势，能够促进它们过度生长并在局部组织环境中最终获得优势地位。同样，多级肿瘤进程可以描述为一系列的克隆扩张，每个步骤都有可能偶然间被一个可表达的突变基因所触发。由于表现型能遗传，例如钝化的肿瘤抑制基因可以通过渐进机制（例如DNA 的甲基化和组蛋白的修饰。）而获得（Berdasco and Esteller, 2010; Esteller, 2007; Jones and Baylin,2007），一些克隆扩张可以很容易地被非突变型变化触发，这些变化可以影响到调控基因的表达。

基因组维持系统的特殊能力包括侦测和修复 DNA 中的缺陷，这能够使每代细胞的自然突变率在正常条件下保持很低的水平。突变基因能够引发肿瘤，在获得突变基因的过程中，癌细胞通常能够提高突变率（Negrini et al., 2010; Salk et al.,2010）。通过提升细胞对诱变剂的敏感程度，或者将基因组维持机制分解为一个或几个组件可以实现这种可突变性。除此之外，通过与监测系统的妥协可以实现突变蓄积的加速，监测系统正常情况下能够监测基因的完整性，并促进基因损坏的细胞进入衰老或凋亡状态（Jackson and Bartek, 2009; Kastan,2008; Sigal and Rotter, 2000）。TP53在这里起到重要作

用，进而

导致它被称作为“基因组守护者”（Lane,1992）。

图表3. 新出现的标志与促因特征

日益增多的研究表明，这两个增加的癌症

标志与一个或许是所有的癌症病理有关。第

一个标志涉及的功能包括修饰或者是重构细胞的新陈代谢，以便于最大程度上支持肿瘤的增生。第二个功能则是能够让癌细胞避开免疫的生理破坏，尤其是T 淋巴细胞，B 淋巴细胞，巨噬细胞和自然杀伤细胞的破坏作用。由于这两个功能还没有归类和完全搞清楚，因此它们只是被称作为新出现的标志。此外，形成肿瘤的两个重要特征能够使肿瘤更容易地获得核心的，以及新出现的标志。基因组的不稳定以及由此而导致的突变性能够使癌细胞发生基因改变，并且促进肿瘤的进展。先天性免疫细胞产生的的炎症是用来对抗感染，治疗伤口的，这些功能会在无意间为多种标志功能提供支持，因此炎症反应能够广泛地造成促进肿瘤的结果。

已经有文献记载，不同类型的缺陷会影响到D NA维护机制的各种组件，该机制通常视作是基因组的“看护者”（Kinzler and V ogelstein, 1997）。在这些看护者基团的所有缺陷中，包括了这样的基因，它们的产物与下列活动有关：（1）清除DNA 损伤，激活修复机制；（2）直接修复受损的DNA；（）在对DNA造成损害之前，钝化或阻滞突变蛋白（Negrini et al., 2010; Ciccia and Elledge, 2010; Jackson and Bartek, 2009; Kastan, 2008; Harper and Elledge, 2007; Friedberg et al., 2006）。从基因角度来看，这些看护者基因很大程度上更像是肿瘤抑制基因，在肿瘤形成的过程中，看护者基因的功能会丧失，这种丧失即不是通过钝化的突变，也不是通过渐进的抑制来实现的。许多这样看护者基因的突变克隆体都被移植到鼠种系上，结果可以预料，鼠患病症的机率增加了，这种现象为它们可能参与人类的癌症发展提供了支持（Barnes and Lind ahl, 2004）。

从笔者首次提出癌症标志开始，在其后的十年里，肿瘤相关基因不稳定的另外一个来源也被发现了：如同早期描述的那样，在许多肿瘤中，端粒D NA的缺失造成了染色体的不稳定，以及染色体片段的扩增或丢失（Artandi and DePinho, 2010）。就这点而论，端粒末端转移酶更像是无限增殖潜能这种标志功能的促进者，它也必能作为一个关键的看护者，参与维护基因组的完整性。

在证明功能改变的突变和持续的基因组不稳定方面，分子遗传学在分析癌细胞基因组方面的进步已经提供了最引人注目的成果。其中一种分析方法为比较基因组杂交法（CGH），这种方法能够记录整个细胞基因组中获得和丢失的基因复制数目；在众多肿瘤中，由CGH揭示的普遍基因组偏差为基因组的失控提供了清晰的证据。重要的是，特定的偏差（扩增与缺失）会在基因组特定的位点重复出现，这显示出这样的位点有可能包含这样的基因，即它们的变化会促进肿瘤的演化（Korkola and Gray, 2010）。

最近，随着高效且廉价的DNA测序技术的出现，更高分辨率的分析手段已经成为可能。早时候的研究揭示了不同肿瘤类型中明显不同的DNA突变模式（参见https://www.360docs.net/doc/2b1228986.html,/ ）。在不远的将来，全部癌细胞基因组的测序有望阐明散布于癌细胞基因组上的看起来是随机突变的传播。在肿瘤病理中特殊突变也许是造成重复出现的基因改变的原因。

虽然基因组改变的具体情况因不同的肿瘤类型而有很大的区别，不过大量的基因组维护和修复的缺陷已经在人类肿瘤中被证明，充分的证明表明伴随着这种缺陷，还有分布广泛的不稳定基因和核苷酸序列，这使得笔者相信，基因组的不稳定性是大量人类癌细胞的固有特征。反过来，这还产生了这样的一个结论，即基因组维护和修复的缺陷对于肿瘤来说是选择性的优势，对于其演化来说是必须的，只是因为它们能够加快恶化前细胞的发展速度，积累有利的基因型。正因如此，基因组的不稳定无疑是一个促因特征，与标志性功能的获得有着因果的联系。

促因特征之二：促肿瘤性炎症

病理学家们很早以前就认识到一些肿瘤能够密集地进入天生性或获得性免疫系统的杀伤范围，因此可以用来监测非肿瘤组织中出现的炎症条件（Dvorak, 1986）。随着能够精确识别免疫系统不同细胞类型的更好标记的出现，现在已经明确知道，每个肿瘤病变区实际上都含有不同浓度的免疫细胞，范围从只能通过细胞特殊类别的抗体才能检测到的微弱含量到大量的炎症，通过标准组织化学染色技术所测得的含量与之明显相同（Page ` s et al., 2010）。历史上这种免疫应答被广泛地认为反应了免疫系统的攻击，以便于消除肿瘤，事实上，日渐增多的证据表明，对于许多肿瘤类型的抗肿瘤反应会促进使肿瘤避开免疫破坏，下面将会讨论到。

到2000年的时候，已经有迹象表明肿瘤相关的炎症反应有着意料之外，看似矛盾的效应，它们能够增强肿瘤的生成，加快肿瘤的演化，事实上它们有助于初期的肿瘤获得标志性功能。在接下来十年里，在炎症和癌症病理的交叉领域的研究已经进入全盛期，产生出了大量且可信的范例，即在很大程度上是先天免疫系统的免疫细胞在功能上对促肿瘤起着重要的作用，它们能够促进肿瘤的演化（DeNardo et al., 2010; Grivennikov et al., 2010; Qian and Pollard,2010; Colotta et al., 2009）。炎症通过通过为肿瘤微环境提供生物活性分子而有助于形成多个标志性能力，这些生物活性分子包括维持增殖信号的生长因子，限制细胞死亡的幸存因子，促血管原因子，能够易化血管生成，侵袭和转移的细胞外部基质修饰酶，还有就是能够导致EMT活性和其它促进标志形成程序的诱导信号（DeNardo et al., 2010;Grivennikov et al., 2010; Qian and Pollard, 2010; Karnoub and Weinberg, 2006–2007））。

重要的是，在某些情况下，处于肿瘤演化早期的炎症很明显，这些炎症明确具备促进初期肿瘤发展，并使其演化为成熟癌症的能力（Qian and Pollard, 2010; de Visser et al.,2006）。此外，炎症细胞还能释

放化学物质，特别是活性氧簇，它们对于周边的癌细胞有积极的诱变作用，能够加速癌细胞的基因向更强恶性肿瘤状态的转变（Grivennikov et al., 2010）。同样，由于炎症有助于核心标志性功能的获得，因此炎症被视作一个促因特征。下面将会在肿瘤微环境方面描述与促因特征有关的细胞。

新出现的标志之一：重构能量代谢体系

长期且频繁的细胞增殖失控是肿瘤性疾病的本质，其不仅包括细胞增殖控制的下调，还包括相应能量新陈代谢的适应，以适应细胞增殖分化的能量需要。在有氧条件下，正常细胞的糖代谢过程首先是在细胞质中通过糖酵解作用进行丙酮酸化，接着就在线粒体中释放出二氧化碳；缺氧时，糖酵解就会处于优势地位，进入耗氧的线粒体中的丙酮酸就会相应地减少。温伯格首次观察到了一个反常的癌细胞能量代谢特征（Warburg, 1930, 1956a, 1956b）：即使在缺氧条件下，癌细胞可以重构它们的糖代谢，通过将它们的能量代谢很大程度上限制到糖酵解这一步，因此它们的能量代谢产生就会导致癌细胞进入一种称之为“需氧糖酵解”的状态。

在随后的数十年间内，已经验证了这种能量代谢的改变存在于癌细胞中。这种能量代谢的重构看似有违常理，因为相对有氧磷酸化，糖酵解提供的能量只有前者的十八分之一，而在癌细胞中，能量的重构却能够弥补这其中的差别。这种行为的实现部分是通过上调葡萄糖载体，尤其GLUT1来实现的，该载体能够大量地促进葡萄糖进入细胞质（Jones and Thomp-son, 2009; DeBerardinis et al., 2008; Hsu and Sabatini, 2008 ）。实际上，已有文献记载，在许多人类的肿瘤类型中葡萄糖的摄取和利用能够得到显著增加，通过正电子发射断层成像技术（PET）可以无损且可见地关测到这些变化，该技术是以一个经放射性标记过的葡萄糖类似物（18氟脱氧葡萄糖，FDG）为指标来实现的。

糖酵解供能已经显示出与活化的癌基因（例如RAS , MYC）和突变的肿瘤抑制因子（例如TP53）有关（DeBerardinis et al., 2008; Jones and Thompson, 2009），它们在肿瘤细胞中的改变主要是以其获得标志性能力为基础进行选择的，这些能力包括细胞增殖，避开细胞生长抑制，凋亡的弱化。这种对于糖酵解的依赖在缺氧条件下可以被进一步地强化，这可以发生在许多肿瘤中：低氧应答系统对于葡萄糖运载体和多个与糖酵解途径有关的酶的上调起着多重效应（Semenza, 2010a; Jones and Thompson, 2009; DeBerardinis et al., 2008）。因此，Ras癌蛋白和低氧环境这二者都可以独自地提高HIF1α和HIF2α转录因子的水平，这反过来会上调糖酵解（Semenza, 2010a, 2010b; Kroemer and Pouyssegur, 2008）。

有意思的是，一些肿瘤被发现含有两种癌细胞的亚群，它们在能量产生的途径上有着不同。其中一种亚群由葡萄糖依赖（“温伯格效应”）的细胞构成，它们能够分泌乳酸盐，然而另外一种亚群却能够优先吸收和利用邻居产生的乳酸盐作为主要的能量来源，通过利用部分的三羧酸循环来实现能量的产生（Kennedy and Dew-hirst, 2010; Feron, 2009; Semenza, 2008 ）。这两种亚群都有着明显的典型共生关系：低氧癌细胞依赖于葡萄糖供能并且分泌的乳酸盐作为废物，而乳酸盐可以被它们更强氧化能力的兄弟细胞吸收并以燃料的形式加以优先利用。虽然肿瘤内部共生这种诱人的模式还有待探讨，不过乳酸盐分泌细胞和利用细胞之间进行合作对肿瘤生长供能的行为却不是肿瘤的专利，而是再次反应了一种正常的生理机制，在肌肉中就存在这样的情况（Kennedy and Dewhirst, 2010; Feron, 2009; Semenza,2008）。此外，这种机制在氧含量正常和缺氧条件下都会明显起来，在肿瘤中，这种机制并非是静止不动的，而是有着短暂和局部地波动（Hardee et al., 2009 ），这有可能是肿瘤相关新生血管的来源的混乱和不稳定的结果。

在癌细胞中广泛存在着能量代谢的改变，这作为许多其它癌症相关的特征已经被作为癌症的标志。这种认识产生了一个问题，即细胞内部能量代谢的下调能否因此像六个已经得到广泛认可的关键标志那样，作为一个关键的癌细胞标志性能力。实际上，重新定向的能量代谢在很大程度上是由蛋白质决定的，这些蛋白质与形成关键的癌症标志有关。用这种方式来看，需氧糖酵解只是增殖诱导的癌基因编码的另外一种表现型。

有意思的是，在神经胶质瘤和其它人类肿瘤中，关于异柠檬酸脱氢酶1/2（IDH）中活化的突变已有报（Yen et al., 2010）。虽然这些突变也许能够用于证明它们改变能量代谢的能力能被选择性地克隆，但是，将它们的活动与氧化能力的提升，HIF-1转录因子的稳定联系起来的数据却很糟糕，后者反过来会各自影响基因组的稳定和血管发生/侵袭，从而模糊了表现型的界限。因此，目前将重构的能量代谢作为一个新出现的标志看起来最恰当不过了，它与已经存在的癌症的关键标志的不同之处在于，它能够突显出周围不能分辨的组织和它的功能性自主。

新出现的标志之二：避开免疫破坏

一种次级的并且仍未分辩清楚的组织位于肿瘤形成周围，它们参与了免疫系统的作用，能够抵抗或清除早期肿瘤，晚期肿瘤和微转移的形成和演化。长期存在的免疫监测理论提出，动态的免疫系统能够持续地监测细胞和组织，这样的免疫监测与识别和清除大量的初期癌细胞以及由此导致的初始肿瘤有关。按照这种逻辑，那种能够出现的实体肿瘤能够以某种方式成功避开各种免疫系统武器的清除，或者能够限制免疫杀伤力的扩大，因此能够避免自身被消灭。

在免疫缺乏的个体中，显著提高的某些癌可以证实缺乏免疫监测肿瘤的作用（（Vajdic and van Leeuwen, 2009）。不过，这些癌症中的大部分都是由病毒诱导的，这表明，在正常情况下这些癌症的控制主要依赖于感染者体内病毒负荷的减少，部分依赖于病毒感染细胞的清除。因此，在限制八成以上非病毒性病因学肿瘤形成方面，这些观察看起来很少阐明免疫系统在这个方面的合理作用。不过最近的几年，来自于基因工程改造的小鼠和临床流行病学的一批证据表明，对于肿瘤的形成和深化，免疫系统能够作为一个强大的屏障，至少在一些非病毒性诱导的肿瘤方面是如此。

经过基因设计造成这种免疫系统组件缺陷的小鼠用于致癌物诱导的肿瘤进行评价时，可以观察到在免疫缺陷的小鼠体内，肿瘤相对于具有免疫能力控制的情况，它的发生率更高，产生速度更快。尤其是在CD8+细胞毒素淋巴细胞，CD4+T h1辅助细胞T细胞或者自然杀伤细胞（NK）的发育或功能中造成的缺陷，每个都会导致明确的肿瘤发生率的提高；此外，在T细胞和自然杀伤细胞二者共同造成的免疫缺陷的小鼠，更容易导致癌症的发展。该结果表明，至少在某些实验模型中，先天性的和获得性的免疫系统防御机制能够显著提升免疫监测，并因此消灭肿瘤（Teng et al., 2008; Kim et al., 2007）。

还有，移植实验显示，在同系基因型的宿主上，源于免疫缺陷小鼠体内的癌细胞通常很难引发第二次肿瘤，然而在诱发移植性肿瘤方面，那些来自于免疫正常小鼠肿瘤内的癌细胞却能够表现出与原宿主同样的活力（Teng et al., 2008; Kim et al., 2007）。对此种行为的解释如下：高度免疫原性的癌细胞克隆体在具有免疫活性的宿主上会按常规被清除——这种处理过程称之为“免疫编辑”——只有在弱免疫变异之后才可能避开，进而生成并产生出实体肿瘤；这样的弱免疫细胞之后可以在免疫缺陷和免疫活性的宿主上进行扩展。相反，当癌细胞产生于免疫缺陷的宿主时，具有免疫原性的癌细胞并不会被专门清除，相反，它会与弱免疫细胞一起大量增殖。来自于未处理肿瘤的细胞被持续地转移到同系基因型的接受者上时，当它们初次与第二个宿主的功能完善的免疫系统接触时，通常会被清除（Smyth et al., 2006）。（在这些特定的实验中，并没有回答这样的问题，即诱导这类肿瘤的化学致癌物能否导致特定免疫原性癌细胞的产生。）临床流行病学也日益为某些形式的人类癌症中存在的抗肿瘤免疫反应提供了支持（Bindea et al., 2010; Ferrone and Dranoff, 2010; Nelson,2008）。例如，相对于大量杀伤淋巴细胞缺陷的病人，被CTLs和自然杀伤细胞浸润的结肠和卵巢肿瘤的病人有着更好的康复预期（Page` s et al., 2010; Nelson, 2008）；其它有启发性但缺少令人激动的结果，它们正在接受着持续的研究。此外，在一些免疫受到抑制的器官移植接收者中已经观察到由完整功能的免疫系统造成的源于捐献的癌症，这表明表面上无肿瘤的捐献者中有着受抑制的癌细胞，它们处于休眠状态（Strauss and Thomas, 2010）。

然而，流行病理学显示的结果与上文提到的不同，前者指出长期处于免疫抑制状态的病人各种类型的非病毒性癌的发生率并不能显著增高。在肿瘤形成和演化方面，免疫监测作为一个有效屏障的重要性，这一点也许是有争论的。不过笔者指出，HIV 病人和药理性免疫抑制病人的免疫缺陷主要表现出T和B细胞区域，因此他们并不能表现出多组分的免疫缺陷，而这样的缺陷却能产生在经基因设计的突变缺乏自然杀伤细胞和CTLs的小鼠身上；这就指出了一种可能性，即这样的病人仍然残留有一部分免疫防御机能，这种机能由自然杀伤细胞和其它先天性免疫细胞产生，能够对抗癌细胞。

确实，上述关于癌症免疫学的探讨使肿瘤-宿主免疫的相互作用变得简单易懂，如用于清除高度免疫原性癌细胞的免疫系统组件能被前者失活，从而使免疫原性癌细胞很好地避开免疫系统的清除作用。例如，通过释TGF-β或者其它免疫抑制因子，癌细胞也许能瘫痪浸润的CTLs和自然杀伤细胞（Yang et al., 2010; Shields et al., 2010）。具有积极免疫抑制作用的细胞，包括有调控作用的T细胞（Tregs）和骨髓衍生抑制细胞（MDSCs），通过吸引这类细胞能够开启更为精妙的机制。这两种细胞都可以抑制细胞毒性淋巴细胞的活动（Mougiakakos et al., 2010; Ostrand-Rosenberg and Sinha ,2009）。

按这些考虑，再加上抗肿瘤免疫在人体内作为一个重要的肿瘤形成和演化屏障的基本论证，笔者

将免疫逃避作为另外一种新出现的标志，它们能够产生一个重要的关键标志性能力，这一点还有待于牢固地建立起来。

肿瘤微环境

在过去的二十年间，肿瘤已经日前被视作一个器官，它们的复杂程度接近甚至有可能超过正常的健康组织。以这种观点来看，对于一个肿瘤的生物学理解只能通过研究肿瘤内部单个专门化的细胞

类型（图表４，上部）

，同样的研究还有在多级肿

瘤形成过程中形成的“肿瘤微环境”（图表４，下部）。早期还原论者认为，肿瘤不过是一群性质相对类似癌细胞的集合体，对于它们的理解可以通过解释这些细胞的自主属性来实现，然而现在的这种描述与这种观点形成了鲜明的对比。笔者这里列举了一系列细胞类型，它们对于许多肿瘤的生物学有着重要的作用，并且笔者还讨论了控制它们单个和集体功能的调节信号。这些大部分的观察都来自于对癌的研究，这其中肿瘤上皮细胞形成了一个室（薄壁细胞），它与构成肿瘤相关间质的间质细胞明显不同。

癌细胞与癌干细胞

癌细胞是疾病的基础；它们形成肿瘤并促进肿瘤演化，具有癌基因和肿瘤抑制基因的突变能够使

虽然证据仍

然是破碎的，不过

这也许能够证明CSCs 是许多肿瘤（虽然不是大多数肿瘤）的一个共同的组成部分，即使它被描述得各不相同。CSCs 的称谓是通过它的功能命名的，它能够高效地在宿主小白鼠身上播种新的肿瘤（Cho and Clarke, 2008;Lobo et al., 2007）。这种功能性的定义通常被补充，即将CSCs 标志物的表达包括进来，而这些也会在器官组织中正常的干细胞中表达（Al-Hajj et al., 2003）。

CSCs 首先是与血管恶化的发病机理有关（ Reya et al., 2001; Bonnet and Dick, 1997），接着几年后，CSC ｓ在实体肿瘤中，特别是在乳腺癌和神经外胚层瘤中得到确认（Gilbertson and Rich, 2007; Al-Hajj et al., 2003）。以表现出来的细胞表面标志为基因将癌细胞进行分段分离产生了肿瘤细胞的亚群，相对于相应主要的群体，这些细胞具备

（上部）不同细胞类型的集合体构成了实体肿瘤的大部分。肿瘤的薄壁组织和间质包含不同的细胞类型和亚型，它们能够促进肿瘤的生长和演化。尤其是在肿瘤中呈现的免疫炎症细胞，包括促肿瘤亚型和肿瘤杀伤亚型。

（下部）独特的肿瘤微环境。多样化的间质细胞类型能够创建一系列的肿瘤微环境，这些微环境能够随着肿瘤浸润正常组织和随后播种并定植于远端组织而变化。间质细胞类型的大量出现，病理组织，表现型特点，以及细胞外基质（形成环境）都逐步形成于肿瘤的演化时期，因此能够保证初期的，侵袭性的和转移性的生长。仅是图表显示的初期转移位点周围的正常细胞也有可能会影响到各种肿瘤微环境的特点（图表未显示的正常细胞处于肿瘤癌变前的阶段，它们也有独特的微环境，是由大量且独特的组

装细胞构建的）。

一种特别加强的能力，当它们移植到免疫缺陷的小鼠身上就会播种新的肿瘤。这些稀少的启动肿瘤的细胞证明能够与某些正常的组织干细胞群共享转录图谱，这就是它们类似干细胞的命名由来。

在实体肿瘤中，CSCs的来源还没有阐明清楚，实际上，不同的肿瘤中，它们的来源或许各不相同。在一些肿瘤中，正常组织干细胞的功能是产生细胞，而在经过癌基因转化的细胞中，它们的作用是产生CSCs；在其它一些细胞中，部分分化的转动功能增强的细胞也称之为祖先细胞，它们也许经受了最初的癌基因转化，因此更多类似干细胞的特点。一旦初始肿瘤形成，CSCs就像它们正常的干细胞一样，或许能够进行自我更新，还能产生更多分化的衍生物；至于肿瘤CSCs的情况，它们的后代构成了许多肿瘤大块部分。在肿瘤的初期和随后多步的演化过程中，能否形成一些逐步增多的肿瘤干细胞类型，并最终产生在成熟癌症中出现的CSCs，这一点还有待证明。

最近的研究已经为CSC特点的形成和以上讨论过的EMT分化转移程序之间建立了联系（Singh and Settleman, 2010; Mani et al., 2008; Morel et al.,2008）。在某些模型系统中这些程序的归纳产生了许多干细胞特点的定义，包括自我更新能力，与正常细胞和癌症干细胞有关的的抗原表现型。这种一致性表明，EMT程序也许不仅能够导致癌细胞从初始肿瘤部分的空间扩散，还能够使癌细胞具备自我更新的能力，这对于它们在扩散位点随后的克隆性扩张是至关重要的（Brabletz et al., 2005）。如果推广开来，这种联系产生了一个重要的必然假设：引发EMT的异型信号，例如那些由一个激活的，炎症间质释放的信号在生成和维持CSCs方面有着重要的作用。

据报道，日益增多的人类肿瘤包含具备CSCs 特性的亚群，它们也基于异种移植到小鼠身上，具备有效的肿瘤启动的能力来命名的。不过，CSCs 作为肿瘤细胞一个明显表型亚类还是一个有争议的问题，因为它们在肿瘤内部很少存在（Boiko et al., 2010; Gupta et al., 2009;Quintana et al., 2008）。实际上，这种观点貌似合理，即肿瘤内部表型可塑性的开启或许能够在CSCs和非CSCs之间产生双向的互变，从而导致相对丰富CSCs的动态变化。这样的可塑性也许使得它们数量的测定手段变得复杂了。类似的可塑性已经牵涉到EMT程序，它可被可逆地使用。.

虽然存在着这些复杂性，不过很显然，这种新的一方面的肿瘤不均一性对于癌症的成功治疗有着重要的意义。各类肿瘤类型中不断增加的证据表明，那些具备CSCs特征的细胞对于各种普遍使用的化疗有着更强的抵制性（Singh and Settleman, 2010; Creighton et al., 2009; Buck et al., 2007 ）。肿瘤的持续性也许有助于解释这种现象，即经过放疗和化疗，在明显去除了人类实体肿瘤的主体之后，疾病的复发几乎是无法避免的。实际上，CSCs也许能够很好地说明某些形式的肿瘤休眠的形成基础，即为何在经手术切除或者放疗/化疗后潜伏的癌细胞能够持续数年甚至是数十年，突然间爆发并产生致命的疾病。因此，CSCs也许代表着两种威胁，它们对于治疗的杀伤作用有着更强的抵制，同时，一旦治疗停止，它们还具备再次产生肿瘤的能力。

如上文所述的那样。

内皮细胞

周皮细胞

早期的时候指出，周皮细胞是一生种特化的间质细胞类型（与平滑肌肉细胞有关），它们有着像手指一样的东西，绕在内皮血管外围。在正常的组织中，周皮细胞能够为正常静止的内皮组织提供旁分泌支持信号。例如由周皮细胞转运的血管紧张素I能够发出抗增殖的稳定信号，内皮细胞表面表达的Tie2受体能够接收这种信号；一些其它的周皮细胞还能够提供低水平的VEGF，在内皮稳定环境中发挥一种营养功能（Gaengel et al., 2009; Bergers and Song, 2005）。周皮细胞还能够和内皮细胞合作，共同合成血管基底膜，进而固定这两种细胞和使血管壁经受血流的流体静力压。

基因和药理的募集干扰，以及周皮的联合已经证明，在支持肿瘤内皮组织方面，周皮细胞有着功能上的重要作用（Pietras and Ostman, 2010; Gaengel et al., 2009; Bergers and Song, 2005 ）。例如，在肿瘤周皮细胞和源于骨髓的周皮细胞祖上的PDGF受体受到药理上的抑制信号，能够导致肿瘤血管上周皮细胞覆盖面积的减少，反过来，这能够影响到血管的完整和功能（Pietras and Ostman, 2010;Raza et al., 2010; Gaengel et al., 2009）；有意思的是，相比之下，正常组织的周皮细胞并不容易导致这种药理上裂解，这为处于正常静止状态的周皮细胞和肿瘤脉管系统中周皮细胞在调控功能上的不同提供了一个例子。还有一个惊人的假定需要证实，即缺乏周皮细胞覆盖的脉管系统的肿瘤也许能够更容易地导致癌细胞的对循环系统的内渗，从而导致后来的血管原性散布（Raza et al., 2010; Gerhardt and Semb, 2008）。

免疫炎症细胞

如上所述，免疫系统的浸润细胞越来越多地被认为是肿瘤的一个组成部分。这些炎症细胞以相互对抗的形式活动着：在大多数的肿瘤病变区中，能够发现各种比例的抗肿瘤和促肿瘤的白血球。发现抗肿瘤的CTLs和NK细胞并不奇怪，不过免疫系统在功能上普遍能够强化标志性功能，这一点在很大程度上却是始料未及的。这些证据是从20世纪90年代末期开始积累的，即受免疫系统细胞浸润的肿瘤组织能够促进肿瘤的演化，这看起来有违常理。这要追溯到它的概念源头，即肿瘤形成和长期的炎症出现在共同的区域，基于这种观察，肿瘤被描述成一种不可治疗的创伤（Scha¨ fer and Werner, 2008: Dvorak, 1986）。

在正常创伤的治疗和感染的对抗过程中，免疫细胞会暂时出现并随后就消失，相比之下，它们长期存在的炎症部位与各种组织病理有关，包括纤维变性，异常的血管生成和肿瘤形成（Griven-nikov et al., 2010; Karin et al., 2006）。

在过去的十年时，基因的操作包括在测定或各种免疫细胞类型的效应子功能方面，连同这些细胞或它们功能的药理抑制剂，显示出这些细胞在促进肿瘤形成的过程中发挥着各种且关键的作用。现在促肿瘤炎症细胞包括巨噬细胞亚型，肥大细胞和中

性粒细胞，还有T淋巴细胞和B淋巴细胞（Coffelt et al., 2010; DeNardo et al., 2010; Egeblad et al., 2010; Johans-son et al., 2008; Murdoch et al., 2008; DePalma et al., 2007）。这些研究正在扩大着由炎症细胞释放的信号分子数目，它们起着促肿瘤活动效应子的作用。这些信号分子包括肿瘤生长因子EGF，抗血管原性生长因子VEGF，还有其它的促血管生成因子，例如FGF2，趋化因子和能够促进炎症的细胞因子；此外，这些细胞也许还能够产生促血管生成或促当初的基质降解酶，包括MMP-9和其它的金属降解酶，半胱氨酸组织蛋白酶和类肝素酶（Qian and Pollard, 2010;Murdoch et al., 2008）。与这些多样的效应子的表达相符，肿瘤浸润的炎症细胞显示出能够诱导和有助于维护肿瘤的血管生成，促进癌细胞的增殖，通过出现在肿瘤边缘易化它们的浸润，支持转移散布和播种癌细胞（Coffelt et al., 2010;Egeblad et al., 2010; Qian and Pollard, 2010; Mantovani, 2010;Joyce and Pollard, 2009; Mantovani et al., 2008; Murdoch et al., 2008 ; DePalma et al., 2007）。

除了这些在肿瘤间质中完全分化的免疫细胞外，在肿瘤中还发现有各种局部分化的髓样祖细胞（Murdoch t al., 2008）。这种细胞代表了源于骨髓的的细胞和正常和发炎的组织中的典型的免疫细胞之间存在的媒介。重要的是，与它们更多的分化后代类似，这些祖细胞有着明确的促肿瘤活性。这其中特别有意思的是，一种肿瘤浸润的骨髓细胞（其被定义为共表达的巨噬细胞标记CD11b和中性粒细胞标记Gr1）显示出能够抑制CTL和NK细胞活性，已经被确认为一种独立的细胞，称之为MDSCs（Qian and Pollard,2010; Ostrand-Rosenberg and Sinha, 2009）。这种特性增加了以下的这种可能性，即通过直接促进血管生成和肿瘤演化，同时还能够避免被免疫系统破坏，骨髓细胞也许会对形成肿瘤造成双重的促进作用。

免疫细胞可以调用免疫系统的各种作用，这可以合理解释其即有促肿瘤也有抗肿瘤这种有违常理的现象：一方面，免疫系统能够通过适应性免疫应答来特异地识别和定位感染因子，这是由先天性免疫系统的细胞支持的。另一方面，先天性免疫系统还参与创作的修复，清理死亡的细胞以及细胞碎片。这些专门工作是由特定亚型的炎症细胞实现的，换句话说，就一类传统的巨噬细胞，中性粒细胞（专门支持适应性免疫），还有参与创伤治疗和组织清除的“选择性激活”的巨噬细胞，中性粒细胞和髓样祖细胞（Egeblad et al., 2010; Mantovani, 2010; Qian and Pollard, 2010; Johansson et al., 2008）。后者的免疫细胞亚型是血管原性因子，内皮因子，间质生长因子和基质重构酶的主要来源，它们用地创作的治疗，这些细胞被吸收过来，并被破坏进而支持肿瘤的演化。与之类似，B淋巴细胞和T淋巴细胞的亚型也许能够易化这种创作治疗和促的巨噬细胞和中性粒细胞的募集，激活和持久（DeNa rdo et al., 2010; Egeblad et al., 2010; Biswas and Mantovani, 2010。当然了，其它的B淋巴细胞和T淋巴细胞亚型能够产生明确的肿瘤杀伤应答。肿瘤中相互对抗的炎症应答之间的平衡有可能在预测病情发挥作用，并极有可能重新定向这些细胞对肿瘤消除作用。

癌症相关的成纤维细胞

成纤维细胞以各种不同比例存在于所有的癌症中，在许多情况下构成了形成了肿瘤间质中压倒性优势细胞。“癌症相关的成纤维细胞”至少包括两种不同的细胞类型：（1）与成纤维细胞类似的细胞，它们构建基础支持大多部的正常上皮组织；（2）成肌纤维细胞，它的生物学功能和特性与那结源于组织的成纤维细胞显著明显不同。通过表达的α-平滑肌肌动蛋白（SMA）可以识别成肌纤维细胞。虽然它们在一些细胞例如肝和胰腺中含有明显数目能表达SMA的细胞，不过在大多数健康的上皮组织中含量还很少。成肌纤维细胞在创伤处能够临时大量增高，也能够在长期炎症中发现。虽然它对组织的修复有益，但它在长期炎症中的作用还有疑问，在对肺、肾和肝的观察中发现成肌纤维细胞能够导致病理上的纤维化。

吸引来的成肌纤维细胞和源于正常组织的成纤维细胞的变种能够增强肿瘤的表现型，显著提高癌细胞的增殖，血管生成，浸润和转移；通过将混合有癌细胞的癌症相关的成纤维细胞移植到小鼠身上，以及最近在易生成肿瘤的小鼠身上通过基因和药理干扰它们的功能，可以确认它们的促肿瘤活动（Dirat et al., 2010;Pietras and Ostman, 2010; Ra¨ sa¨ nen and Vaheri, 2010; Shimoda t al., 2010; Kalluri and Zeisberg, 2006; Bhowmick et al., 2004 ）。因此它们能分泌各种细胞外基质组分，肿瘤相关的成纤维细胞还与晚期癌征的特征，即促结缔织增生的间质有关。由这两种与肿瘤相关的成纤维细胞亚型形成的与肿瘤病理有关的全部功能还有待阐明。

干细胞和肿瘤间质祖细胞

各种间质细胞类型构成了肿瘤的微环境，这些细胞也许是从邻近的正常组织（间质细胞最明显的储库）中吸引而来的。不过最近几年，骨髓日益