科技改變生活 · 科技引領未來
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出品：科普中國制作：張昊（大阪大學）監制：中國科學院計算機網絡信息中心又是一年諾獎季，這幾天收到最多的問題就是，“你認為今年誰有可能拿諾獎？”其實這問題我和朋友們也經常討論，雖然各有見解，但有一件事情大家的意見非常一致，那就是對于生理學獎來
出品：科普中國
制作：張昊（大阪大學）
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
又是一年諾獎季，這幾天收到最多的問題就是，“你認為今年誰有可能拿諾獎？”
其實這問題我和朋友們也經常討論，雖然各有見解，但有一件事情大家的意見非常一致，那就是對于生理學獎來說，有大把的成果在等著拿諾獎。
今天，我們就重點整理下與癌癥基因直接相關的諾獎級研究，看看都有哪些重磅成果，正拿著諾獎號碼牌在排隊。
為什么重點關注癌癥基因相關的成果？
進入二十世紀以來，人類憑借醫學科技先后戰勝了絕大多數的傳染病和外傷，但在平均壽命不斷延長的同時，癌癥也逐漸成為了困擾人類的終極夢魘。科學家們一直在思考癌癥的發病機理，即到底是什么因素造成了腫瘤的生長和發育。經過近百年的艱苦探索，人類終于明確癌細胞的產生是基因變異的結果。同時，對癌癥的預防和治療也全面進入了以癌癥基因作為依據和核心的時代。
這一成就的取得當然不是幾個人的功勞，但在人類抗癌的征途之上，仍然誕生了數個里程碑式的科學成果。它們中的一部分已經斬獲了諾貝爾獎，還有一部分則隨時有獲獎的可能。
△（圖片來源：Freepik.com）
黎明前的曙光——致癌病毒的發現
19世紀末，當時的癌癥學家們已經發現不少腫瘤具有傳染性，當將實驗動物身上的腫瘤組織移植到其它健康同類時，癌癥也會被隨之誘發。1909年起，洛克菲勒醫學研究所的裴頓·勞斯開始深入地探索這一現象。他的做法并非是直接移植組織，而是移植破碎并過濾后的腫瘤萃取物。他驚奇地發現即便經過重重過濾，萃取物仍然能夠讓健康的雞發生癌變。1911年，勞斯分離出了萃取物中可能引發癌癥的病毒——勞斯肉瘤病毒（RSV），癌癥研究史早期的第一個重大成果就此誕生。
起初，由于人類對病毒的研究仍然處在早期階段，他的成果在學術界并未引發重視，直到1966年，勞斯才以87歲高齡獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。在勞斯的成就逐步得到公認的同時，人類陸續發現了一系列可能引發腫瘤的病毒，很多人開始相信癌癥的病毒致病說。這種說法認為所有的癌癥皆由病毒引起，任何腫瘤都能找到其對應的病毒。
現在來看，這種說法是錯誤的，病毒確實可以導致癌癥，但并非所有的病毒都有致癌性，也并非所有的腫瘤都由病毒引發。可能引起腫瘤的病毒到底有什么特殊之處？對這一問題的深入鉆研又直接導致了接下來的第二個重大成果。
震驚世人的大發現——原癌基因
1974年，加州大學舊金山分校的約翰·畢曉普和哈羅德·瓦慕斯在對RSV病毒的致癌機理繼續進行深入研究時，遭遇了預料之外的發現。彼時人們已經知道RSV病毒的結構非常簡單，基因組只有約9000個堿基，而且其中一段名為src基因的序列與病毒感染細胞并誘發癌變關系密切。失去了src基因的RSV病毒同樣能夠正常感染宿主細胞并進行擴增繁殖，但它們無法將正常細胞轉化為癌細胞，致癌能力大大下降。
瓦慕斯和畢曉普采用了當時最先進的分析技術，這是一種能夠特異性識別src基因的DNA探針，而且它還能測出各種細胞中src基因的含量。根據設想，他們二人本以為只能從受到RSV病毒感染的細胞中測出src基因，結果卻發現正常細胞中也有src基因的存在。此后的實驗證明，src基因廣泛地存在于幾乎所有高等動物的基因組中，它們并非是RSV病毒所特有。
那么，區區RSV病毒，憑什么能跟高等動物們共有src基因呢？科學家們認為，RSV病毒在進化初期并不攜帶src基因。在感染動物細胞的同時，偶然間將宿主細胞中的src基因納入了自己的基因組。由于癌變后的細胞內部及腫瘤微環境對病毒來說簡直是天堂，加入src基因的病毒更容易誘發腫瘤，具有進化優勢，因此src基因就被固定在了RSV病毒的基因組中。
隨后，對一系列致癌病毒的研究發現，它們的致癌機理大致分成兩種。第一，自帶已經變異的關鍵致癌基因（如RSV攜帶的src基因），感染人體后將自身基因組整合到人體基因組的過程中同時導入該基因。第二，雖然沒有攜帶關鍵的致癌基因，但當它們恰好整合到人體基因組的某些特殊位置時，細胞就會發生癌變。這些位置附近的基因本來完好無損，但病毒基因的突然插入，將會誘發它們的變異。無論屬于哪種情況，細胞最后都可能走上癌變道路。
這種早就存在于人體，平時執行正常生理功能，但變異后卻能產生致癌作用的人體基因，就叫原癌基因，變異后具備致癌能力的原癌基因又被稱為致癌基因。1989年，發現人類第一個原癌基因的畢曉普和瓦慕斯獲得了諾貝爾獎。原癌基因的發現標志著人類真正開始認識到基因與癌癥間的關聯，人類也自此將癌癥發病機理研究的重點轉移到了癌癥相關基因上。
△致癌物作用下原癌基因轉變為癌基因導致細胞癌變的示意圖（圖片來源：維基百科“原癌基因”）
解密關鍵的致癌基因和抑癌基因
經過數十年的研究，人類已經確認細胞的某些基因變異是造成細胞癌變，最終形成腫瘤的罪魁禍首，一系列與癌癥相關的基因，也先后得到了定位。這些基因大致分為兩種類別，一種是致癌基因，一種叫抑癌基因。
前者在變異前一般參與細胞的再生、分化等過程，一旦發生變異，細胞就會發生失控生長。在變異基因的指導下，大量異常蛋白質被合成，最終導致癌變。
后者在變異前一般與細胞的凋亡、自噬等過程有關，一旦發生變異，細胞生長同樣會發生失控。基因變異導致細胞正常的死亡機制紊亂，出現大量的異常蛋白質，最終導致癌變。
打個比方，前者好比是油門卡死、后者好比是剎車失控，無論哪個都可能造成車毀人亡的悲劇。
無論是致癌基因還是抑癌基因，在發生變異之前，都能行使正常功能。當細胞受到各種物理（比如摩擦）、化學（比如致癌物質）乃至生物刺激（比如致癌病毒），這些基因就可能發生突變，從而誘發癌細胞的生成。
原癌基因于1989年獲得諾貝爾獎時，人類已經定位了數十個致癌基因，但第一個抑癌基因Rb-1其實在1984年才被分離出來。在諾獎委員會官方對原癌基因提供的成果解說中，已經提到了人體中存在一系列可以調控（regulate）細胞生長的基因，調控自然可能包含促進和抑制兩個部分。
△畢曉普和瓦慕斯以及1989年諾獎官方科普，注意其中的“regulated”（圖片來源：諾貝爾獎官網）
無論這一說法是有心為之還是純屬巧合，抑癌基因再次單獨獲得諾貝爾獎的可能性已經大大減小了。但是，癌癥基因的相關深入研究，特別是對某些特定的致癌和抑癌基因的發現和解析，卻為不少癌癥藥物的開發提供了理論依據，也實實在在地拯救了無數的生命。
例如，經典的抑癌基因BRCA1和BRCA2，分別位于人類第17號染色體和13號染色體，兩者同時發生變異后，乳腺癌的終生發病率可以提高到80%以上。從1974年開始，加州大學伯克利分校的瑪莉-克萊爾·金一直在嘗試尋找乳腺癌患者身上的家族遺傳標記。當時，癌基因相關研究仍然處在萌芽階段，病毒致癌說仍然占據主流，大部分科學家都認為即便基因和癌癥有關系，癌癥也不可能僅僅由一個基因變異引發，而應該至少是多個基因和環境作用下的共同結果。這樣的學術氛圍也讓一直在苦苦追尋真相的金感到茫然，她時常懷疑自己是否選擇了錯誤的研究方向。
80年代中期開始，金的研究逐漸取得了進展，通過對大量乳癌患者和她們家族病史的篩查，金建立了乳癌的遺傳疫學模型，并預言了存在一個可能引發乳腺癌的關鍵基因。隨后，金的團隊篩選了超過170種可疑基因，終于在1990年發表研究結論稱，人類17號染色體上的某個關鍵基因，是造成乳腺癌和卵巢癌風險增加的元兇。1991年，金將這一基因正式命名為BRCA1。1994年，乘勝追擊的金研究團隊利用類似的研究方法，發現了BRCA2基因。
進一步的研究表明，BRCA1和BRCA2基因主要負責清理異常細胞和衰老細胞，一旦發生變異，這種清理功能就將受到影響，細胞癌變可能性就會增加。而在很多人群，如紐約的阿什肯納茲猶太人女性后裔中，BRCA基因的突變率相當高，這直接導致她們發生家族遺傳性乳腺癌的風險達到普通人群的7倍。70歲的正常女性人群中，乳腺癌發病風險約為12%，而阿什肯納茲猶太人女性后裔則高達80%。
乳腺癌基因的發現，令乳腺癌的預防成為可能，攜帶突變BRCA基因的女性，可以在患癌風險開始增加的中老年階段通過切除乳腺來預防致命癌癥的發生。知名影星安吉麗娜·朱莉就是BRCA基因突變的攜帶者，經過基因測試，她的乳腺癌和卵巢癌患病風險分別高達87%和50%。為了避免罹患癌癥，朱莉于2013年4月27日接受了乳腺預防切除術。
△瑪莉-克萊爾·金（左）與安吉麗娜·朱莉（右），來源：維基百科
原癌基因獲得諾貝爾獎確實屬于實至名歸，其后對致癌基因和抑癌基因的解析以及由此促成的靶向藥物研發，從原創性角度而言自然不能與原癌基因相比。但癌癥是人類有史以來面臨的最為復雜、最多樣化的疾病，原創性成果之后的重量級次生成果，同樣有理由引起諾貝爾獎委員會的關注。對第一個抑癌基因Rb-1的發現起到關鍵作用的阿爾弗雷德·克努森本應有資格榮獲諾獎，但他已于2016年去世，遺憾地失去了獲獎機會。
除此之外，發現乳腺癌基因BRCA的瑪莉-克萊爾·金，在致癌基因和抑癌基因領域做出了重大貢獻的羅伯特·溫伯格，都已經榮獲了拉斯克獎、邵逸夫獎和沃爾夫獎一類重磅獎項，他們在未來同樣有獲得諾獎的機會。
破解癌細胞的“傳令蛋白質”
癌基因相關研究取得的進展，徹底改變了癌癥研究和治療的面貌。這是因為只有定位了癌基因，才能追查出其所編碼的蛋白質（當然有的時候是先發現蛋白質然后再反向解構其對應的癌基因），人們才能通過進一步了解該蛋白質在人體細胞中的生化作用，了解癌細胞是如何興風作浪的。
研究發現，相當一部分致癌基因與生長信號的傳遞過程有關。那么，什么是生長信號呢？細胞身處于人體組織內部，其周遭的體液中存在著諸多能夠刺激細胞生長的物質，比如激素就是其中的典型例子。這里所謂的細胞生長，并非是單純的體積變大，而是指細胞在這些物質的作用之下，會制造更多蛋白質，并加速增殖分裂。
由于制造蛋白質需要基因的參與和指導，生長信號需要從細胞膜外一直傳遞到基因所在的細胞核中，中間經歷若干過程。而每一個過程都會有特定的分子進行參與，這些參與生長信號傳遞的分子大部分也是蛋白質，我們姑且把它們叫做傳令蛋白質。正常情況下，細胞不會無限制地接受來自外界的生長信號，傳令蛋白質們各司其職，保證傳令過程安定平穩。
需要注意的是，其實每一個傳令蛋白質都會對應一個用來合成自己的相應基因。一旦這些基因發生問題，例如過表達或者變異等，對應的傳令蛋白質就會暴走，擅自假傳圣旨，要求細胞核合成不必要的蛋白質或者進一步分裂增殖等。
我們舉一個“暴走傳令兵”的例子。HER-2是一種很早就被發現和研究的原癌基因，位于人類第17號染色體的長臂。由它控制合成的蛋白質（HER-2，人類表皮生長因子受體2）在細胞膜表面充當“天線”，接納來自外界的生長信號（人類表皮生長因子）。生長信號一來，HER-2蛋白就將其傳入細胞內部。
當HER-2基因發生變異（一般是過量表達）時，細胞膜表面接受生長信號的天線就會比平時多，大量生長信號涌入細胞內部，最終造成細胞惡性生長。對HER-2基因和其對應蛋白質的解析，直接促成了赫賽汀的開發。赫賽汀是一種單克隆抗體，也是人類第一款根據新發現的癌基因研制的靶向抗腫瘤藥物。赫賽汀在細胞膜表面起到關閉天線的作用，可以阻斷細胞生長信號向腫瘤細胞進一步傳遞的過程，進而延緩腫瘤的生長。
△細胞外信號跨越細胞膜傳遞進細胞內部的示意圖（上），人體細胞中常見的信號傳導路徑（下）（圖片來源：維基百科“信號傳導”）
與之類似，形形色色的暴走傳令兵都有其自身的特殊結構，人類可以根據它們的結構，制造相應的靶向藥物，這些藥物都有掐斷信號傳遞的功能。在細胞膜外，我們可以使用大分子靶向藥物，直接中和生長物質，或者關閉細胞膜上的天線。而在大分子不容易進入的細胞膜內部，我們又可以用小分子靶向藥物去阻斷信號向下游的傳播。
HER-2基因的研究先驅阿克塞爾·烏爾里希同時也是赫賽汀的主要發明人之一，他的另一個主要功績是小分子抗腫瘤藥物舒尼替尼的開發。目前，烏爾里希已經坐擁拉斯克獎和沃爾夫獎，如果能夠再獲諾獎，將成為少數獨攬三大科學大獎的科學家。此外，在生長信號傳遞機理方面多有建樹的安東尼·亨特和安東尼·鮑森也曾得到沃爾夫獎的加持，他們的研究可以理解為是揭開每個傳令兵的身份。
△赫賽汀（左）和舒尼替尼（右）的結構示意圖，注意分子大小的差異（圖片來源：維基百科“赫賽汀”“舒尼替尼”）
染色體重組與“神藥”的誕生
我們已經講過基因變異是細胞癌變的主因，基因具體的變異方式有很多，比較常見的是單個堿基的置換和堿基的缺失。個別基因的加倍，即染色體組中該基因的數目增加也是常見的基因變異形式。很多癌基因就是通過加倍的方式，制造自己的分身，從而達到多表達相關蛋白質的目的。
另外，基因位于染色體上，當染色體出現問題，位于其上的基因當然也會產生變異，很多染色體異常同樣會造成癌癥。我們現在所熟知的這一現象，在上世紀中葉之前對人類而言仍然是未知領域。人類最早認識到這一點，還要從費城染色體的發現說起。1956年到1960年間，彼得·諾維爾和大衛·亨格福德在對人類白血病進行研究時，發現絕大多數（多達95%）慢性粒細胞性白血病患者的癌細胞中，第22號染色體與常人相比明顯更短。
進一步的分析表明，不光是癌細胞，這些患者基因組中的22號染色體確實存在異常，這是人類第一次證明染色體異常和癌癥間的強烈關聯性。由于諾維爾與亨格福德在美國費城完成這項研究，因此人們將這種發生異常的22號染色體稱為費城染色體。至此，費城染色體的故事才剛剛開始。
科學家們知道了費城染色體存在異常，但是這種異常如何發生，尚且不得而知。1973年，芝加哥大學的珍妮特·羅利發現，費城染色體出現的真正原因在于攜帶者的9號染色體和22號染色體發生了一部分交換（稱為染色體易位），交換的結果就是9號染色體變長了一點，而22號染色體則變短了。接下來的問題，就是回答為什么這種易位會造成白血病的發生。
在眾多科學家的努力下，真相被逐步揭開。1983年，科學家們又進一步解析了9號和22號染色體易位的后果。易位后，9號染色體上的Abl基因和22號染色體上的BCR基因恰好連接在了一起，拼成了一個原本不存在于人類基因組的BCR-Abl融合基因。這個基因可以編碼一種結構特殊的酪氨酸激酶，這正是我們前面提到的一種“暴走傳令兵”。接下來的任務就是設法發明阻斷藥物，讓暴走的酪氨酸激酶停止作妖。
△9號/22號染色體易位和4號/20號染色體易位示意圖（圖片來源：維基百科“染色體易位”）
九十年代初，一直致力于研究酪氨酸激酶抑制劑的以色列科學家亞歷山大·萊維斯基，證實某種抑制劑有促使慢性粒細胞性白血病的癌細胞死亡的效果。布萊恩·德魯克爾和尼古拉斯·萊登在此基礎上制備了代號STI571的化合物伊馬替尼，它還有個更響亮的名字——“格列衛”。
伊馬替尼是人類歷史上第一個成功研制的小分子靶向藥物，它的出現讓曾經的不治之癥變成了只需定期服藥就能得以控制的慢性疾病，絕大多數慢粒白血病患者都能享有和常人無異的生活與壽命。
現在，人們已經知道，染色體在人體內發生各種異常的概率比原先的想象要高。染色體不僅可能出現某些片段的缺失、重復、倒置，還能在兩條染色體間發生插入、易位重組、自成環甚至相互連接，還有可能發生被稱為“染色體粉碎”的現象。
△染色體易位以外的各種染色體異常（圖片來源：參考文獻 10）
染色體粉碎是最初在腫瘤細胞中發現的一種復雜的基因組重排現象。細胞的一條（或幾條）染色體在短時間內發生大量的DNA雙鏈斷裂，形成小的DNA碎片，之后這些碎片被細胞的DNA修復機制隨機地拼接起來，形成新的染色體。
染色體粉碎相當于DNA上基因片段的大洗牌，其對于基因組正常功能的影響可想而知。染色體粉碎會同時影響大量基因，引起基因的擴增、缺失、重排和融合等，從而導致正常細胞向腫瘤細胞的快速轉化。
△染色體粉碎示意圖（左）和粉碎后的異常舉例（右）（圖片來源：參考文獻 9）
從1960年發現費城染色體，到1992年伊馬替尼開始臨床實驗，再到2001年FDA批準格列衛上市，已經過去了40年。從這段歷史中，我們可以深切地體會到科學研究的傳承和發展，以及取得成功的艱難與不易。發現費城染色體的兩位科學家已經離開人世，上面提到名字的其余科學家均得到過沃爾夫獎或拉斯克獎的肯定，他們中的任何人在未來獲得諾獎都毫不意外。
問題不光出在基因序列上——DNA甲基化
DNA作為遺傳物質，實際上存在于我們體內的每一個體細胞中，而且各種體細胞雖然都有自身的功能，但其實它們攜帶的DNA序列都是同一套。為什么同一套DNA最后會表達出不一樣的細胞？或者說為什么皮膚細胞增殖以后還是皮膚細胞，而不會變成小腸上皮細胞？
同一套遺傳物質，在不同體細胞中出現不同表達的現象，說明了遺傳物質在進行表達的時候會有所取舍。細胞內的DNA，纏繞在組蛋白周圍，我們姑且把DNA稱為“細胞飯店”，把根據DNA所能表達的蛋白質稱為“菜譜”。
通過上面的敘述，我們可以看出雖然“細胞飯店”準備了一本厚厚的“菜譜”，但是根據“分店”位置和“顧客”類型的不同，“套餐”種類也不一樣。那么，不同“分店”決定自己獨有“套餐”的機制到底是怎樣的？這位“配餐師”，就是DNA甲基化。
DNA長鏈中，有一些特殊的位置，可以通過添加一個甲基來形成甲基化。也就是說堿基對的序列并沒有變化，只不過是在某些位置上添加了一點點小小的“印記”。這種“印記”的權力和作用相當大，哪些基因能夠表達，哪些基因需要掩蓋，正是由這些“印記”所決定。“印記”的存在與否，是基因能否表達的關鍵。
而且，細胞分裂的時候，不僅DNA序列，其上存在的甲基“印記”也會同時被復制，這就決定了細胞種類的穩定性，“分店”開的再多，“菜譜”也保持不變。
△DNA甲基化和DNA甲基化的復制，來源：參考文獻 15
九十年代后，科學家們注意到，DNA甲基化異常是抑癌基因失效的重要原因之一。癌細胞中，很多種抑癌基因被打上錯誤的“標記”，造成抑癌作用無法發揮，進而產生癌變可能。在胃癌等很多種癌癥中，DNA甲基化造成的抑癌基因失效，比基因的突然變異和染色體異常發生的幾率還要高。
類似DNA甲基化這樣，雖然沒有發生DNA遺傳序列的變化，但是仍然可以表現出不同性狀的遺傳形式，叫做表觀遺傳學。DNA甲基化只是表觀遺傳學中的一種作用方式，其它的形式還包括組蛋白修飾、RNA干擾等等。
在DNA甲基化以及由此致癌的相關研究早期起到關鍵作用的霍華德·錫達和阿哈龍·拉津，已經獲得了沃爾夫獎和蓋爾德納國際獎，但遺憾的是阿哈龍·拉津已于2019年去世。鑒于人類對表觀遺傳學重要性的認識在逐漸深入，霍華德·錫達在未來獲得諾獎的可能性相當大。
△DNA甲基化示意圖以及甲基化異常造成的基因失效（圖片來源：參考文獻 15）
癌癥作為困擾人類的重大頑疾，每年可以造成將近2000萬新增病例和將近1000萬死亡病例，并且給患者本身、家人乃至全社會帶來巨大的痛苦。今天介紹的這幾項與癌基因直接相關的研究，均是人類抗癌斗爭史上的高光片段。它們的出現，讓人類對抗癌癥的手段和技術水平發生了根本性的飛躍。
期待這些向未知進軍，艱苦求索的科學家們，能夠最終獲得諾獎殊榮。
參考文獻：
1. 細胞ががん化する仕組み
https://ganjoho.jp/public/dia_tre/knowledge/cancerous_change.html
2. 漲知識丨一文總結100多年來與癌癥相關的諾貝爾獎！-MedSci.cn
https://www.medsci.cn/article/show_article.do?id=fea118089229
3. 從腫瘤病毒到原癌基因：原癌基因的發現簡史 - 知乎
https://zhuanlan.zhihu.com/p/98630571
4. 一只雞背后的驚天秘密 —— 原癌基因現形記
https://baike.baidu.com/tashuo/browse/content?id=f39dc6c736992f407976791f&lemmaId=5171076&fromLemmaModule=pcBottom
5. 現身說法：怎么才能得諾貝爾獎？｜科學春秋
http://zhishifenzi.blog.caixin.com/archives/169483
6. がん抑制遺伝子とがん遺伝子とは - 醫療総合QLife
https://www.qlife.jp/dictionary/item/i_301670000/
7. 遺傳悲劇：抑癌基因的發現
http://story.kedo.gov.cn/c/2019-09-18/984625.shtml
8. 腫瘍生物學とがん治療
http://archive.jsco.or.jp/data/jp/detail_images/53/ESM-1.pdf
9. 染色體粉碎--基因組災難性事件產物
http://www.pibb.ac.cn/html/2017/1/20160180.htm
10. 染色體變異
http://www.eurogentest.org/fileadmin/templates/eugt/leaflets/pdf/chinese/chromosome_changes.pdf
11. Massive Genomic Rearrangement Acquired in a Single Catastrophic Event during Cancer Development
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3065307/
12. 格列衛誕生記：難以復制的抗癌奇跡
https://m.huxiu.com/article/251365.html
13. 《我不是藥神》里的格列寧，究竟是不是“神藥”？| 果殼 科技有意思
https://www.guokr.com/article/443063
14. Antioncogenes and human cancer
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC47892/
15. エピジェネティクスとは？ | 國立がん研究センター 研究所
https://www.ncc.go.jp/jp/ri/division/epigenomics/project/010/010/20200520100311.html
何同林