「不死的癌細胞」奧秘何在？
典型動物細胞結構圖。來源：Wiki
撰文 | 木東
責編|王承志
一、「不死」的癌細胞
美國科普作家麗貝卡·思科魯特（Rebecca Skloot）寫過一本著名的科普暢銷書，《永生的海拉》（The Immortal Life of Henrietta Lacks），講述了上世紀50年代，一位名叫海瑞塔·拉克斯（Henrietta Lacks）的黑人女性——美國南部的一位貧窮煙農，和生命科學和醫學史上最早經人工體外培養而「永生不死」的癌細胞的故事。
1951年，作為5個孩子的母親，年僅30歲的海瑞塔死於惡性子宮癌。醫生從海瑞塔身上取走一部分腫瘤組織，開始在實驗室中進行人工體外培養，最後得到了一株現在全世界幾乎所有的生物醫學實驗室都會用到的細胞系——Hela（取海瑞塔·拉克斯名字和姓氏的前兩個字母），這也第一次讓我們認識到：人類細胞的確能夠在體外——實驗室里——獲得永生，而Hela也成了海瑞塔·拉克斯永恆不朽的名字。
海瑞塔·拉克斯（Henrietta Lacks）。來源：Harvard University
這並非科學家第一次試圖在體外培養人類細胞。19世紀初期，大多數科學家堅信人類或其他動物的細胞都具有內在的永生能力——因血管和器官移植研究而獲得1912年諾貝爾生理學或醫學獎的法國外科醫生亞歷克西·卡雷爾（Alexis Carrel），就是其中一位。
1912年1月17日，卡雷爾把胚胎期的雞心組織取下，培養在他自製的培養皿里，定期更換從雞胚提取液中得到的營養成分——一晃就是二十多年，遠遠超過了雞的壽命[1]。由於人類對「永生」的熱衷和好奇，卡雷爾的實驗在當時得到了科學界以及整個社會的極大關注，卡雷爾也堅定地認為，人體所有的細胞都具有永生的能力，只要給予適合的生長環境和營養成分，它們都能夠無限的分裂增殖。
歷克西·卡雷爾（Alexis Carrel），1912年獲諾貝爾生理學或醫學獎。來源：Richard Arthur Norton
二、「海佛烈克極限」
不過，不是所有人都同意卡雷爾關於細胞永生的觀點，美國賓州費城威斯達研究所（Wistar Institute）的解剖學家列奧那多·海佛烈克（Leonard Hayflick）就是堅定的反對者之一。
1961年，海佛烈克在研究中發現，正常的人類胎兒細胞，在體外培養條件下只能分裂大約60次，而此後細胞群體停止分裂，進入衰老期，最終死去[2]。海佛烈克的實驗結果有力地駁斥了亞歷克西·卡雷爾「一般正常的細胞具有永生性」的論點。後來，人們把海佛烈克所觀察到的細胞分裂停止前所能分裂的次數限制稱為「海佛烈克極限」（Hayflick limit）。
海佛烈克的研究發現第一次讓人們清醒地認識到，只有癌變的細胞才會永生，任何正常的人類細胞，最終都會走向衰老——卡雷爾體外培養了二十多年的雞心細胞，不過是在更換雞胚提取液營養成分的時候，不小心混入了新鮮雞心細胞的「烏龍事件」罷了[3]。
而「海佛烈克極限」，最終也要與19世紀30年代就早已發現的染色體端粒聯繫到一起，殊途同歸，為我們揭開「細胞永生」的神秘面紗。
列奧那多·海佛烈克（Leonard Hayflick）。來源：RAMIN RAHIMIAN
三、「細胞永生」背後的秘密
端粒是細胞染色體末端的DNA重複序列，它最初的發現和研究，要歸功於兩位大名鼎鼎的遺傳學家：一位是美國細胞遺傳學家、1983年諾貝爾生理學或醫學獎得主芭芭拉·麥克林托克（Barbara McClintock），另一位是美國果蠅遺傳學家、1946年諾貝爾生理學或醫學獎得主赫爾曼·約瑟夫·馬勒（Hermann Joseph Muller）。
19世紀30年代，麥克林托克和馬勒通過不同的實驗模型，分別觀察到細胞染色體的末端存在一種特殊的結構（圖1和圖3C），馬勒將它命名為「端粒」，英文為Telomere，源自希臘文裡面的Telos（意思是末端）和meros（意思是組成部分）[4]。麥克林托克的研究進一步表明，如果細胞染色體丟失其末端的端粒部分，不同的染色體末端之間會發生不正常的連接，染色體的結構也會發生異常變化，因此，端粒與細胞染色體保持其結構完整性和穩定性有關[5]。
圖1:染色體（chromosome）末端的端粒（telomere）結構（http://www.telomerance.net/science/）
然而，麥克林托克和馬勒，以及當時其他細胞遺傳學家雖然都注意到端粒結構的存在，但沒人能夠知道端粒的物質基礎——它就像一個謎一樣的「黑匣子」，雖然裡面裝著很重要的東西，但它卻如此陌生，彷彿遙不可及。那個時候，人們正因為卡雷爾所謂「正常細胞的永生性」論點而激動不已，科學家也還在為染色體上的遺傳物質到底是蛋白質還是DNA各抒己見，莫衷一是。基因，在當時的生物學家頭腦里還只是一個概念性的符號。因此，端粒結構組成的最終揭示，註定要等到19世紀70、80年代——那時候，DNA雙螺旋早在1953年被發現，基因在人們頭腦里已經不再是虛無縹緲的概念，DNA重組技術也得到廣泛應用，遺傳學研究推進到了分子水平。
1971年，前蘇聯理論生物學家Alexey Olovnikov，以及詹姆斯·沃森（James Waston）——不錯，就是DNA雙螺旋的解構者之一、時不時滿嘴跑火車的那個沃森——分別意識到，由於複製只能順著親代模版DNA 3』端向5』端進行，而且需要一段短的RNA作為引物才能夠起始複製，那麼經過每一輪DNA複製過程，親代染色體DNA的3』末端、與RNA引物結合的一段DNA必然因無法得到複製而在子代DNA中丟失。沃森把它稱為「末端複製難題」（end replication problem）（圖2和圖3A），推測細胞中肯定有一種保護機制，防止染色體末端變短愈演愈烈[6]，而Alexey Olovnikov則進一步提出細胞衰老的端粒假說，用以解釋細胞分裂的「海佛烈克極限」問題，認為由「末端複製問題」導致的染色體端粒不斷變短，最終會造成染色體的不穩定，某些重要基因丟失，而最終導致細胞的衰老或死亡[7,8]。
圖2:末端複製難題，RNA引物(primer)的降解留下不能複製的3』末端
看來，認識端粒，似乎成了揭示「海佛烈克極限」和「細胞永生」背後秘密的關鍵！
1975年到1977年間，美國耶魯大學博士後伊麗莎白·布萊克本（Elizabeth Blackburn）， 運用DNA重組技術，成功鑒定出了單細胞真核生物四膜蟲的染色體端粒DNA序列——一段由極其簡短的DNA序列TTGGGG組成的重複序列[9]。後來，科學家又陸續鑒定出了其他生物的染色體端粒DNA序列，與四膜蟲一樣，它們都由簡單的DNA高度重複序列組成。例如，人和小鼠的端粒DNA重複序列為TTAGGG，與四膜蟲染色體端粒重複序列只有一個鹼基的差別[10]。
然而，端粒序列的發現並不能解決「海佛烈克極限」和「細胞永生」的問題。大量的端粒DNA重複序列雖然能夠維持染色體的穩定性，防止染色體相互融合，但是，對於只能通過細胞分裂進行繁殖的單細胞生物，以及需要一直保持分裂增殖能力的高等生物生殖細胞來講，它們最終必須跨越「海佛烈克極限」，以實現「細胞永生」，它們也一定需要沃森所推測的保護機制，解決分裂繁殖過程中染色體的「末端複製難題」，保證染色體的完全複製。而且，科學家也注意到，同一種生物的細胞，每個細胞內的端粒DNA序列有長有短，比如四膜蟲端粒平均包含70個TTGGGG重複序列，而人類細胞的端粒則平均含有達2000個TTAGGG重複序列。這種重複序列數量的波動，表明DNA複製過程的確會造成子代中端粒DNA序列丟失，但同時也表明細胞在試圖通過某一種機制，以維持染色體DNA複製過程中端粒的長度——它們在變短DNA末端重新合成丟失的端粒DNA重複序列。這樣的合成DNA的過程，通常是由某一種酶來完成的。1985年，布萊克本與她指導的博士生卡羅爾·格雷德（Carol Greider）終於找到了參與端粒DNA複製的反轉錄酶——端粒酶（Telomerase）——謎團最終被解開[11]。而圍繞端粒和端粒酶的這一系列科學研究，最終成就了布萊克、卡羅爾以及他們的合作者、哈佛大學醫學院的傑克·紹斯塔克（Jack Szostak），讓他們得以共同分享了2009年的諾貝爾生理學或醫學獎[12]。
四、突破「海佛烈克極限」
在生命科學發現的長河裡，當科學家把一個個謎一樣的「黑匣子」打開，終於能夠對它的內部一窺究竟的時候，我們都不禁會一次又一次地發出讚歎，讚歎大自然的設計總是那麼優美、巧妙而簡單，非人類所設計出的任何精妙機器可與之相提並論——解決「末端複製難題」的端粒酶同樣也不例外。
端粒酶是一種由RNA和蛋白質組成的核糖核蛋白複合體，屬於反轉錄酶。以人類端粒酶為例，它由3部分組成，分別是端粒酶RNA、端粒酶結合蛋白、端粒酶活性催化單位（TERT）。端粒酶活性催化單位TERT能夠以端粒RNA（序列為3 -CAAUCCCAAUC-5 ）作為複製模板，合成出端粒DNA序列5 -TTAGGG-3 ，一段一段添加到染色體的末端，維持染色體端粒DNA的長度（圖3）。
圖3: （A）DNA複製留下不能完全複製的3』末端端粒DNA；（B）端粒酶已自身RNA為模版延長端粒DNA已完成複製；（C）藍色標記的細胞染色體和黃色標記的端粒。(http://www.nature.com/scitable/content/34864/sadava_11_21_LARGE_2.jpg)
在正常人體細胞中，端粒酶的活性受到相當嚴密的調控，只有在某些需要不斷分裂增殖的細胞當中，比如造血細胞、幹細胞和生殖細胞，才能夠檢測到端粒酶催化活性單位TERT的表達[13]。在細胞分化過程中，幹細胞通過一定數量的分裂，子代細胞與周圍環境發生作用，通過選擇性基因表達，最終轉變成行使不同生物學功能的成熟細胞，而分化成熟的細胞一般不需要再進行分裂增殖，端粒酶活性也已喪失。因此，如果將這些細胞取出進行體外培養，最終必然達到「海佛烈克極限」 停止分裂而進入衰老期，最終死去，概莫能外。
因此，癌細胞作為在某種意義上來講獲得「永生性」的細胞，必然需要突破「海佛烈克極限」，解決「DNA末端複製問題」。在細胞的癌變過程中，各種抑癌基因的缺失和癌基因的激活，雖然能夠給癌細胞這輛賽車鬆開剎車，加足油門，讓它得以飛速前進，但如果每行走一公里，汽車輪胎（細胞DNA）都要磨損的話，它總會有輪胎報廢、不能前行的一天。若果真如此，Hela細胞也不可能在全世界各個實驗室里繼續分裂增殖。於是，「邪惡的」癌細胞選擇重新激活端粒酶活性，提高端粒酶催化活性單位TERT的表達。在所有類型的癌細胞當中，大約有90%的癌細胞選擇了這種策略，而餘下的少數癌細胞則採取另外一種叫做「端粒替代延伸」（ Alternative Lengthening of Telomeres ，ALT）的替代機制，以維持端粒的長度，但我們對其具體作用機制還不完全清楚[13]。
雖然人們很早就觀察到TERT在癌細胞中的高表達，但直到2013年，發表在Science雜誌上的兩項研究才為我們找出部分原因：在超過70%的黑色素瘤細胞基因組中，TERT基因的表達調控區域發生了一個DNA鹼基的點突變，結果造成了TERT基因的表達升高[14,15]。隨後，科學家陸續在其他不同種類的癌細胞中也發現了這樣的單鹼基點突變。而針對ALT替代機制，Nature雜誌最近在線發表的一項研究發現，由5個亞基組成的複製因子C（Replication Factor C）複合體能夠識別損傷的端粒DNA，進而招募PCNA以及DNA聚合酶，啟動端粒DNA的複製和延伸[16]。而這一切，距離端粒的最初發現，已經過去了將近一個世紀！
五 、找到生命衰老的「開關」？
對端粒和端粒酶的研究，不免在一定程度上燃起了人們延長壽命，甚至追求長生不老的熱情和希望，以為找到了人類壽命的「開關」。一方面，端粒酶缺陷的小鼠模型衰老特別迅速，大約6個月左右就死掉了，而正常小鼠的平均壽命大約為2年[17]；另一方面，有研究顯示，利用轉基因技術在成年或老年小鼠體內表達TERT能夠提高它們的壽命[18]，而且過表達TERT也能夠使得體外培養的細胞突破「海佛烈克極限」，變成像Hela一樣的永生細胞[19]。然而，像人類這樣的多細胞高等生物，其複雜程度遠非簡單的單細胞生物可比，其正常壽命的長短也不可能簡單的僅僅由端粒和端粒酶來決定。與早衰有關的遺傳疾病，如維爾納綜合症（Werner syndrome ，又稱為成人早衰症），可能與染色體端粒的長度有一定的關係，不過造成這些遺傳病的基因突變同時也會影響DNA的修復，這本身也會是造成過早衰老的一個因素。另外，對於佔大多數的分化成熟、停止分裂的體細胞來講，它們的端粒也不會無限的變短，因此，現在看來，端粒的長度可能並非這些細胞衰老的主要決定因素。
多細胞高等動物，包括人類的生命活動，無疑是高度複雜的新陳代謝系統。「沉舟側畔千帆過，病樹前頭萬木春」，當我們埋頭過度關注生命過程中的某種機制，某個蛋白，或者某條信號通路的時候，往往很容易忘記生命活動整體的複雜性，忽略自然界的一些基本法則。體內細胞的永生，恐怕並不能代表生命個體的健康長壽，它更有可能造成生命個體因患上癌症而更加痛苦地死去[20-22]。我更相信，經過漫長的生命進化過程，通過與周圍的生存環境相互作用，人類的壽命極限早已寫入我們的基因當中，形成一個不可分割、牽一髮而動全身的整體——要想改變人類的壽命極限，或者追求長生不老的話，我們恐怕只能從頭來過，重新設計一個全新的基因藍圖，而倘若果真如此，那樣的「人」，還屬於人類嗎？
也許，對永生的渴求，是我們人類永遠的心結，現代人也不例外。然而可惜的是，高高在上如秦始皇帝，一生求仙問葯，以期長生不老，然而他苛政如虎，又何曾料到偌大的帝國僅二世而亡。就像2000年前，古羅馬哲學家塞內卡所說的，「生命如同寓言，其價值不在長短，而在內容」。與其追求壽命的延長或者永生，不如讓我們在有限的生命里，活得更加健康，更加精彩，更加有意義——如此，當我們年華漸老，行將離去的時候，才可以坦然地對孩子說：我留給你的，是一個更加美好的世界！
參考資料
4.Muller HJ. The remaking of chromosomes. Collecting Net. 1938; 13:181-98.
5.McClintock B. The stability of broken ends of chromosomes in Zea mas. Genetics. 1941;26:234-82.
6.Watson JD. Origin of concatemeric T7 DNA. Nat New Biol. 1972;239:197-201.
7.Olovnikov, Alexei M. (1971). Принцип маргинотомии в матричном синтезе полинуклеотидов [Principle of marginotomy in template synthesis of polynucleotides]. Doklady Akademii Nauk SSSR (in Russian). 201 (6): 1496–9.PMID 5158754.
8.Jump up^ Olovnikov AM (September 1973). "A theory of marginotomy. The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon". J. Theor. Biol. 41 (1): 181–90. doi:10.1016/0022-5193(73)90198-7. PMID 4754905.
9. Blackburn AM; Gall, Joseph G. (March 1978). "A tandemly repeated sequence at the termini of the extrachromosomal ribosomal RNA genes in Tetrahymena". J. Mol. Biol. 120 (1): 33–53. doi:10.1016/0022-2836(78)90294-2. PMID 642006.
10.https://en.wikipedia.org/wiki/Telomere
11.Greider CW, Blackburn EH (December 1985). "Identification of a specific telomere terminal transferase activity in Tetrahymena extracts". Cell. 43 (2 Pt 1): 405–13.doi:10.1016/0092-8674(85)90170-9. PMID 3907856.
12.Jump up^ "The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2009". The Nobel Foundation. 2009-10-05. Retrieved 2010-10-23.
13.https://en.wikipedia.org/wiki/Telomerase
14.Horn S, et al. (2013) TERT promoter mutations in familial and sporadic melanoma. Science 339(6122):959-961.
15.Huang FW, et al. (2013) Highly recurrent TERT promoter mutations in human melanoma. Science 339(6122):957-959.
16.Dilley RL, et al. (2016) Break-induced telomere synthesis underlies alternative telomere maintenance. Nature (2016) doi:10.1038/nature20099
17.Jaskelioff, M; Muller, FL; Paik, JH; Thomas, E; Jiang, S; Adams, AC; Sahin, E; Kost-Alimova, M; Protopopov, A; Cadi?anos, J; Horner, JW; Maratos-Flier, E; Depinho, RA (November 2010). "Telomerase reactivation reverses tissue degeneration in aged telomerase deficient mice". Nature. 469 (7328): 102–6.
18. Bernardes de Jesus, B; Vera, E; Schneeberger, K; Tejera, AM; Ayuso, E; Bosch, F; Blasco, MA (August 2012). "Telomerase gene therapy in adult and old mice delays aging and increases longevity without increasing cancer". EMBO Molecular Medicine. 4 (8): 691-704.
19.Kwang M. Lee, Kyung H. Choi, and Michel M. Ouellette. Use of exogenous hTERT to immortalize primary human cells. Cytotechnology. 2004 Jun; 45(1-2): 33–38.
20.E. González-Su-rez, E. Samper, A. Ramirez, J.M. Flores, J. Martin-Caballero, J.L. Jorcano, M.A. Blasco. Increased epidermal tumors and increased skin wound healing in transgenic mice overexpressing the catalytic subunit of telomerase, mTERT, in basal keratinocytes. EMBO J., 20 (2001), pp. 2619sd in
21.E. González-Su-rez, J.M. Flores, M.A. Blasco. Cooperation between p53 mutation and high telomerase transgenic expression in spontaneous cancer development. Mol. Cell. Biol., 22 (2002), pp. 7291–7301
22.A. Canela, J. Martin-Caballero, J.M. Flores, M.A. Blasco. Constitutive expression of tert in thymocytes leads to increased incidence and dissemination of T-cell lymphoma in Lck-Tert mice. Mol. Cell. Biol., 24 (2004), pp. 4275semin
歡迎個人轉發到朋友圈，
公眾號、報刊等轉載請聯繫授權
※當孩子用《變形金剛》問倒了你，該怎樣做？
※我們需要怎樣的實證研究精神？
※調控睡眠和做夢的基因：日本科學家的最新發現
※流體江湖風雲錄——東邪柯爾莫哥洛夫（一）
※謝雨禮：中國藥物創新不能好高騖遠
TAG:知識分子 |
※癌細胞如何被「喚醒」的？
※癌細胞如何被「喚醒」的？
※誰能餓死癌細胞？
※癌細胞可以被「餓死」嗎？這些防癌真相哪些是對的！
※肺癌：癌細胞如何將你的肺淹沒？
※癌細胞是如何誕生的？
※餓死癌細胞？其實石墨烯也能殺死癌細胞
※癌症領域的謠言之二：癌細胞能被餓死嗎？
※免疫系統為啥不殺死癌細胞？
※身體中的癌細胞如何「餓死」
※眾說紛紜，哪些殺死癌細胞的方法才靠譜？
※癌細胞究竟是如何產生的？
※每個人都有癌細胞，教你如何健康的「餓死」你體內的癌細胞
※得了腫瘤，中醫為啥不把癌細胞斬盡殺絕？
※把受精卵和癌細胞融合，豈不就能長生不死了！
※如何對抗癌細胞 餓死癌細胞多吃鹼性食物
※海拉細胞與其它癌細胞相比有什麼特殊之處？為什麼？
※專殺「癌細胞」的五種食物，讓癌症無所遁形！不知道太虧了
※患癌必知！癌細胞是如何把你一步步帶向死亡的！