细胞的癌变的癌变过程
癌变（carcinogenesis或tumorigenesis）是正常细胞转化为癌细胞的全过程。在这一漫长的过程中，细胞经历有序连续的多阶段过程，在内外环境因素作用下，通过遗传改变的不断积累，紊乱细胞分裂、凋亡和组织自稳性的正常调控，获得生存优势，克隆扩增和演进，最终演变为高度恶性的肿瘤。 目前对遗传与环境在肿瘤发生中作用，仍有不同的观点。尽管肿瘤发生的最初病因难以确定，但通过肿瘤流行病学、移民和大样本双生子流行病学等观察表明，大部分癌症是由环境因素为主引起的，少数起因于遗传因素，据估计由癌相关基因种系突变为主引起的家族性或遗传性癌综合征约占全部癌症的1-2%；发病与中低癌易感基因密切相关的癌家族，所患的相关癌症具有明显的家族集聚性，可占全部肿瘤的10%以上；更多的是由低癌易感基因参与的、无明显家族聚集的癌症的发生，与环境因素相互作用引起癌症，但所占比例无明确数据。因此通常流行病学家认为，在引发癌症中环境比遗传更重要。
从事肿瘤研究的大多数专家认为，癌症是突变积累的结果，广义的基因突变包括了发生在核苷酸和染色体水平的遗传学改变，表现为DNA序列和染色体水平的结构和数目的改变，其中包括各类基因突变、缺失和扩增等，以及染色体缺失、重复、易位和非整倍体等改变等；近10多年来由于肿瘤表遗传学取得一系列突破性进展，已进入主流生物学和医学，许多作者把表遗传学改变作为癌变机制的一部分，表遗传学改变和遗传学一样，可使原癌基因活化成癌基因，肿瘤抑制基因功能被灭活（表11-1），这些是癌变的中心生物学过程，结果细胞增殖、凋亡和分化失控，导致肿瘤的发生。
引发癌症的环境因素十分多样，物理因素如电离辐射的X射线和紫外线等；化学因素最为繁多，多数以复合物的形式存在，生物因素包括多种DNA、RNA病毒，某些细菌、真菌和寄生虫等。通过生活方式、职业环境和医疗行为影响暴露人群；国际癌症研究署（International Agency for Research on Cancer，IARC）根据对人类致癌性 （流行病学调查和病例报告）和对实验动物致癌性的资料，对上述各类理化、生物等待评因子分为四组五等。在2009年1月IARC正式公布了所评价的935种因子中，对人类具有致癌和可能致癌作用的有416种，较2002年分布的同类报告增加了32种。
关于环境对肿瘤发生贡献大小各家看法不一，一般认为80-90%的肿瘤与环境密切相关，主要因素有不良的生活方式和有害环境的暴露，其中包括吸烟、过量饮酒和食用红肉、煎烤霉变食品、慢性感染、不良情绪和紧张生活（应激）、过少体力活动，以及环境污染等。现有的大量证据表明，约25-30%肿瘤可归因于烟草，30-35%与饮食相关，15-20%可归因于感染，余下的可归因于环境污染、辐射、应激和活动少等。可见，针对上述各种肿瘤诱发因素，只要注意戒烟、少红肉、适度饮酒，避免阳光直晒，增加水果蔬菜和全谷物的消费和体力活动，并定期接种疫苗和体检，大部分人类癌症是可以预防的；然而现实还存在不少障碍，克服重医轻防的思想，深入癌变机制的研究，人类还有很长的抗癌之路。
表型1-1 常见癌相关基因在肿瘤中的遗传学和表遗传学改变举例 癌相关基因 遗传学改变 DNA 甲基化 主要肿瘤类型 肿瘤抑制基因 p53 突变、等位基因丢失和
杂合性缺失 高甲基化 脑、乳腺和骨肉瘤等 RB 突变、等位基因丢失和缺失 高甲基化 视网膜母细胞瘤 APC 突变 高甲基化 结肠、小肠、胃和甲状腺癌 MSH2 、MLH1 突变 高甲基化 结肠和子宫癌 PTEN 突变和杂合性缺失 高甲基化 神经胶质瘤和子宫肿瘤 P21 (CDKN1A) 突变 高甲基化 鳞状上皮细胞癌和黑色素瘤 INK4A,ARF 缺失 高甲基化 黑色素瘤和骨肉瘤 ATM 突变 高甲基化 白血病、淋巴瘤和脑瘤 BRCA1、BRCA2 突变、杂合性缺失、缺失
和等位基因丢失 高甲基化 乳腺和卵巢 癌基因 MYC 扩增 低甲基化 肺、乳腺、大肠、头颈癌
和骨肉瘤 RAS-家族 突变 低甲基化 肺、结肠和胰腺癌
急性髓细胞样白血病 FOS 扩增 低甲基化 骨肉瘤 EGFR (ERBB2） 扩增 高甲基化 成胶质细胞瘤、头颈癌
和骨肉瘤 MET 突变等位基因重复 ？ 乳头状肾癌 FGFR1 扩增 低甲基化 横纹肌肉瘤 事物的产生、发展与消亡都有其内在规律，外因是变化的条件，内因是变化的依据，外因通过内因起作用，癌变过程概莫能外。癌变之起因虽多为环境因素，但它们必需通过引起原癌基因的活化、肿瘤抑制基因的灭活，使细胞增殖与凋亡的失衡，经过多阶段过程，最终才能形成转移性癌。在这一漫长的致癌过程中，环境是癌变的外因，癌相关基因的遗传学和表遗传学改变则是癌变的内在依据或机制，环境致癌因子通过遗传机制的改变才能使细胞癌变；两者间对癌变的相对贡献随具体情况可有变化，如在家族性癌综合征遗传因素相对起主要作用，但环境因素对发病年龄和病情可有一定的影响；在一些明确由环境污染引发的肿瘤中，环境因素虽起重要作用，但它们一方面必需通过遗传机制才能引起细胞的癌变，另一方面由代谢、DNA修复和免疫功能等相关基因的遗传多态性，对致癌因子引发肿瘤的易感性亦有重要影响，否则就不能解释，为什么生活在同一污染环境中的人群，一些人患癌而另一些人不患癌，而且病情、疗效各异。因此，癌症是环境因素和遗传因素相互作用的结果，并可能在特定时空环节上相对重要性是可以转化的。 多阶段致癌是肿瘤生物学的重要概念，也是肿瘤的本质特征之一。在这一有序、连续的多阶段过程中，每一个新阶段启动必需有附加的遗传学或表遗传学改变，从而获得生存优势，克隆扩增；这一癌变过程的多阶段性还反映了在正常组织与高度恶性组织之间，存在处于不同恶性状态、具有特定表型的各个中间过渡阶段。
1．动物模型研究1915年首先用煤焦油反复涂擦兔耳，成功诱发了皮肤癌，证实了化学品可以致癌；1947年建立的小鼠皮肤致癌模型，直至目前仍被用来研究上皮细胞癌发生的机制，并评价修饰因子的作用。在传统的两阶段致癌模式中，一次用亚致癌剂量的起动剂如二甲基苯并蒽（dimethylben(a)anthracene DMBA）处理小鼠皮肤局部，随后反复在该处涂抹肿瘤促进剂如十四烷酰佛波醋酸酯（tetradecanoylphorbol-13-acetate TPA），3个月后通常形成乳头状瘤；如中断用TPA处理，乳头状瘤消退；如形成乳头状瘤后，继续用TPA处理一段时间，即使不再用TPA处理，其中一部分乳头状瘤仍可演进；如用启动剂进一步处理，可诱发肉瘤。可见，癌变存在连续、又相对可区别的多阶段过程；肿瘤的发生是致癌剂或起动剂与促进剂相互作用的结果，因为在这一模型中单独用致癌剂或促进剂处理，均不能诱发肿瘤；促进剂的反复处理十分重要，在乳头状瘤形成后，如中断促进剂的处理，乳头状瘤可自行消失，同时还提示促进剂的作用在一定范围内是可逆的。过去半多世纪的研究人们认识到，癌变过程除了传统的肿瘤启动和促进阶段外，癌变还需要增生细胞从良性向恶性状态转变和进一步的演进，侵袭与转移是新增遗传学和表遗传学改变的表现。如此在理论上癌变可分为四个阶段：肿瘤的启动或起始、促进、恶性转变和演进。
2．人类肿瘤研究 癌变多阶段过程在人类的研究必需是间接的。当人体暴露于致癌因子到临床检出肿瘤，需要经过长达20-50年的时间；大部分人类成年肿瘤的发病率与年龄呈指数函数增加，这提示肿瘤的演进需经过一系列连续的过程，有作者认为至少要经过4-6个阶段。这一多阶段过程在一些消化系统肿瘤已有较深入的研究。组织病理学观察表明，胃肠道内壁是由单一肠上皮细胞形成，锚定在下面的基底膜上。癌变最早期的改变表现为增生（hyperplasia），此时因细胞过度增殖，细胞数量异常增多，但所形成的肿块在组织学上与正常组织无明显差异；另一种与正常组织差异不大，但有进一步恶性演进倾向的改变是化生（metaplasia），其特征是组织中的一种正常细胞层，被异位的、但仍正常细胞层所取代。化生多发生在上皮组织的过渡带中，如食管与胃、子宫与子宫颈连接处；食管癌变前的一个重要早期指征就是具有化生改变的Barrett食管，此时食管中扁平上皮细胞被胃分泌型上皮细胞所取代，具有此种改变的患者，发展成食管癌的风险比正常人高30倍。随着遗传学和表遗传学改变的积累，出现整个组织形态、结构改变的不典型增生或发育异常（dysplasia），此时细胞形态异常，如核染色加深，核质比增大，细胞分裂能力增强，细胞数量显著增多。不典型增生为良性肿瘤与癌变前的过渡状态。上皮组织中细胞扩张性生长，同时细胞形态发生明显改变，形成肉眼可见的肿块，称之为腺瘤或息肉等，这些细胞尽管有时体积可很大，但决不会穿过基底膜，属良性肿瘤；如良性肿瘤获得进一步的遗传学改变，可发生恶性转变，形成原位癌（in situ cancer）；当肿瘤继续演进突破基底膜、侵袭邻近的基质层并远端转移时，则成为具有侵袭（invasion）和转移（metastasis）能力的高度恶性肿瘤或癌。3．癌变的多阶段过程癌变过程通常分为4个阶段：肿瘤启动（起始）、肿瘤促进、恶性转变和肿瘤演进。自发或诱发的遗传学和表遗传学改变，导致细胞基因组不稳定性增加，细胞生长、分裂和凋亡的失控，并在克隆选择中恶性程度渐增，最终完成癌变过程。肿瘤启动启动是癌变的第一阶段，是不可逆的遗传学损伤的结果。这些遗传学损伤可以是自发的，即由细胞内在因素引起，如低频率的DNA复制和染色体分裂错误，以及细胞代谢过程产生的活性氧离子等引发的DNA损伤；也可是环境中各类理化、生物致癌因子所引起的DNA结构和序列的改变，环境中化学致癌物多以复合物形式存在（表11-2），其中有效致癌成分修饰DNA结构形成加合物，在DNA复制时可引发突变；动物模型的研究表明，在
表11-2 人类化学致癌物例证 组织器官 化学致癌物 辅致癌物 肺 重金属：As,Cd,Cr,Ni等； 双氯甲醚 （小细胞和鳞状细胞） 吸烟和柴油废气 石棉 胸膜间皮 石棉 口腔 无烟烟草
酱草 熟石灰[Ca(OH)2] 食管 烟草烟雾 乙醇 肝 黄曲霉毒素B1 乙型肝炎病毒 （血管肉瘤） 氯乙烯 乙醇 膀胱 芳香胺如联苯胺等 急性淋巴细胞性白血病 苯 大多数情况下DNA加合物的量与诱发的肿瘤成正相关，而在没有加合物形成的组织中很少诱发肿瘤。一般认为，致癌剂加合物的形成对化学致癌是必需的，但对于肿瘤启动不是充分的和前提，因为这类遗传学损伤可被细胞内各类DNA修复系统恢复正常；只有未被的修复的DNA损伤，引起的原癌基因的活化、肿瘤抑制基因的灭活才是核心的肿瘤起始事件，这些改变使启动细胞具有了癌变倾向。
肿瘤促进在肿瘤促进阶段，启动细胞在促进剂的作用下更快地生长和分裂，并选择性地克隆扩增，形成细胞群体。由于突变的速率与细胞分裂的速率成正比例，因此随着起动细胞的扩增，这一细胞群就处于进一步遗传学改变和恶性变的风险之中。
肿瘤促进剂多为非诱变剂，单独使用并无致癌性，一般无需代谢激活即可发挥其生物学效应。这类因子能降低肿瘤起动因子的剂量和暴露组织的发瘤潜伏期，或增加形成肿瘤的数量。如一种化学品或因子兼有肿瘤起动和促进作用称之为完全致癌剂，如苯并芘和4-氨基联苯等。
巴豆油作为促进剂，广泛用于小鼠皮肤致癌模型，其中有效成分是十四烷酰法波（醇）醋酸酯，通过激活蛋白质激酶C ，磷酸化关键底物进而激发一连串的表遗传学改变，促进细胞生长、增殖。根据配体结合特性，鉴定了新型的肿瘤促进剂如二恶英、酚、糖精、香烟烟雾冷凝物和苯巴比妥等。在人癌激素、吸烟和胆酸等成分都参与肿瘤的促进作用；肿瘤促进通常是可逆的，例如停止吸烟后肺损伤可被逆转。
恶性转变 恶性转变是由癌前细胞转变为表达恶性表型的细胞，这些恶性特征主要有：① 细胞不受正常调控，自主生长、增殖；② 成功逃避细胞凋亡和衰老，细胞永生（immortal）；③失去了细胞的区域性限制、具有了侵袭和转移能力；④自主的血管生成能力等。
癌前细胞的恶变过程需要进一步的遗传学改变；对于细胞恶变的发生，肿瘤促进剂的总量不如屡次重复给药重要，一旦给药中断，良性或癌前病变就会退化；部分癌前细胞恶性转化的结果，将促进癌前损伤的细胞分裂的速度，增加分裂细胞的量，其结果由于DNA合成保真性的下降，产生新的遗传学改变。如恶性转变较低，用DNA损伤因子处理癌前细胞，则可显著增加恶性转变。
肿瘤演进肿瘤演进包括恶性表型的进一步表达，以及与时俱增的侵袭和转移能力。肿瘤转移与肿瘤细胞能分泌蛋白酶侵袭邻近组织，使原发癌超出原来的占位。肿瘤演进的许多细节仍在深入研究中。
恶性表型的显著特征是倾向于基因组不稳定性和细胞增殖、凋亡失控，其间发生许多突变，再次引发原癌基因的激活和肿瘤抑制基因的失能；原癌基因激活主要通过两种机制，一是在ras基因家族、特定的位置如第12、13、59或61外显子的点突变；二是在myc、Her-2和raf等多基因家族的过度表达，常是由于该基因片段的扩增，或是该基因通过邻近一个强效的启动子区。肿瘤抑制基因的失能常通过双重机制，如最多见的是第一个等位基因是点突变，而第二个等位基因的失能，是通过缺失、重组基因突变、染色体不分开和表遗传学改变，在一些肿瘤抑制基因两次都可能是突变或表遗传学改变，从而使演进中癌细胞获得生长优势和局部侵袭的能力，最终远距离转移扩散。
4．癌变是多途径过程
癌变过程的复杂性还表现在癌变过程中存在多种可替代的遗传学途径，最终形成高度恶性的肿瘤。
目前的多数研究表明，大多数肿瘤是单细胞起源，这就意味着在启动癌变、克隆扩增的细胞中，子代细胞多次发生了遗传学和表遗传学改变，导致一组原癌基因活化和肿瘤抑制基因灭活，这些对癌变过程有着原发和关键效应的基因改变，以一定的时间、顺序发生，就构成了癌变或癌的遗传学途径（cancer genetic pathway）。由于发生上述关键改变基因的种类、数量、时序的组合不同，就有了多种可替代的癌变遗传学途径（多途径），这就不仅使不同的类型的癌，还使不同个体所患相同类型的癌，具有不同的恶性生物学特性，并构成了可望预测肿瘤临床行为的分子谱（molecular profile）。
对大肠癌发生的遗传学途径进行了较为系统的研究，很能反映该问题逐渐深入认识的过程。根据早期研究曾提出了一条线性演进的模式，即熟知的大肠癌发生遗传学途径：
正常细胞→APC失能→K-ras获能→18q肿瘤抑制基因失能→p53失能→大肠癌
后来的研究表明，这一模式过于简单化，事实上按这一途径发生的大肠癌，仅占全部大肠癌中一小部分；认为大肠癌的发生至少存在三种不同的途径：CIN、MSI和CIN-MSI（表11-3）。
表11-3 大肠癌的的主要遗传学途径 基因组不稳定性类型 CIN MSI CIN-MSI 核型 非整倍体/多倍体 近二倍体 近二倍体 常见体细胞
突变/灭活 APC,KRAS,SMAD4,
TP53突变 TGFRII,IGFFIIR,BAX,BRAF,MSH3,MSH6,E2F4; APC,KRAS SMAD4,and TP53突变 APC,KRAS突变 与途径相关的家族
性大肠癌综合征 FAP (APC 缺陷） HNPCC （主要通过 MSH2 or MLH1缺陷； 很少
是 MSH6,PMS2,或 PMS1缺陷/MMR缺陷） MAP ( MUTYH缺陷/BER缺陷） 注：染色体不稳定性 chromosomal instability CIN， 微卫星不稳定性 microsatellite instability MSI
随着表遗传学发展，最近有作者综合遗传学和表遗传学研究进展，提出在散发性大肠癌至少存在3种不同的遗传学途径，它们有不同的癌前病变和治疗反应。癌前疾病分别为锯齿状腺瘤和管状腺瘤的途径，两者遗传学改变的区别明显：前者为BRAF基因突变和MSI，表遗传学改变CIMP（CpG island methylator phenotype CpG岛促甲基化表型）阳性；而后者为APC、P53基因突变、CIS和CIMP阴性；绒毛状腺瘤演进途径情况比较复杂，有时癌前病变亦可是锯齿状腺瘤，为主是RAS基因突变，还可有APC、偶可有BRAF基因突变，CIMP阳性。这三种途径形成的大肠癌对治疗反应有差异，因而预后有不同。据估计这三种途径在大肠癌中发生率分别为：锯齿状腺瘤途径为10-20%，绒毛状腺瘤途径为10-30%，管状腺瘤为50-70%。癌相关基因的遗传学和表遗传学改变参与人胃癌变的多阶段过程，构成了两种不同组织学发生类型：分化良好或肠型的与低分化或弥漫型胃癌有不同的癌变途径，进一步在肠型癌变中又可分成3各不同的遗传学途径。以DNA甲基化为指标，在口咽癌发生的早期，根据吸烟和病毒感染两种病因，亦存在两种不同的分子途径。
综上所述，癌症的病因十分复杂多样，有物理、化学和生物因素等，仅致癌化学品就有数百种之多；癌变牵涉到多重癌相关基因的改变，实际在癌组织中可检出基因的改变可达数十种甚至更多，目前尚无法对每一个基因改变，确定对癌变是原发或继发的；病因癌相关基因改变的不同组合，就构成了癌变的不同的遗传学途径，已有研究也揭示是多样的；肿瘤发生是微进化系统，在内外环境因素选择下，必然产生更多样和恶性程度更高的的癌细胞。可见癌变是一个十分复杂、多样的多阶段过程，这些就决定了晚期癌症的难治性，早期防治的重要性；以及癌变机制和肿瘤防治研究的长期性，人类面临着巨大的挑战。
