变异与选择之间反复的相互作用——达尔文演化论的第一原理——是导致肿瘤发生的克隆选择基础。更深入地理解这些过程后，我们可以通过消除或减轻环境或内源性促肿瘤因子的影响，来提高未来的癌症预防能力。
人类癌症是一种具有多层次复杂性的疾病，其发生源于组织特异性生物学、生殖系与体细胞遗传变异、个体环境暴露史等因素的共同作用，其中每一个因素都影响着从单细胞发展为完全恶性肿瘤的演化轨迹。癌症生物学领域的核心争论之一围绕肿瘤的起始、促发和进展机制展开，同时也探讨体细胞突变（自发的或外源诱变剂诱导的）、肿瘤起始细胞的身份与表型可塑性、组织结构的破坏这三类因素在驱动肿瘤发生中的相对作用。学界为了梳理这一复杂过程，提出了多种概括性描述模型，不过，大多数癌症生物学家应该都会认同这些模型与人类癌症的发展密切相关。相关争论并非纯粹的学术探讨，而是具有现实意义，因为未来的癌症预防将取决于能否成功识别可避免的主要致病因素并阐明其作用机制。
早在100多年前，生物学家特奥多尔 · 博韦里（Theodor Boveri）就提出染色体异常与癌症发生之间存在关联，体细胞遗传改变在癌症发生中具有潜在作用的假说就此应运而生。约半个世纪后，研究人员通过对人类癌症年龄-发病率曲线的流行病学分析提出了一个基于4~6次“事件”的发生而形成的肿瘤发展模型，这些事件被广泛解读为源自突变。20世纪40年代，关于致癌物诱导的小鼠皮肤肿瘤研究揭示了单次暴露于诱变物质对肿瘤形成的重要性，同时也强调了长期慢性暴露于引发炎症和组织损伤的因素在肿瘤促发中的关键作用。此后30~40年间的动物模型研究都致力于理解这一肿瘤促发过程，即携带特定致癌驱动突变的休眠或静止细胞，在被反复施加炎症性刺激和促肿瘤因子的刺激下，会发育为肉眼可见的肿瘤。首个致癌驱动突变的发现、人类基因组草图的完成以及DNA测序技术的革命，将癌症研究的一部分焦点转向了体细胞突变。大规模肿瘤测序项目改变了我们对人类癌症遗传复杂性的认识，证明了驱动突变在几乎所有成人肿瘤中都发挥着核心作用。
近年来，关于肿瘤促发机制和组织微环境的研究获得了越来越多的关注。这一趋势源于一项重要发现：正常组织中已携带许多与肿瘤组织相同的癌症驱动突变。所谓癌症驱动突变，即可赋予携带该突变的细胞选择性优势，从而推动癌症发展的突变。其中一些突变可以在不干扰正常组织结构和稳态的前提下驱动克隆扩增，以“隐身模式”运行，进而为组织后续在内源性或外源性因素的作用下发展为肿瘤做好准备。
在本综述中，我们提出一种整合了癌症流行病学、癌症基因组学和肿瘤发生动物模型观点的模型。该模型基于达尔文演化论的核心原则，阐述了肿瘤如何从正常组织发展而来：突变过程中产生的自然变异与组织内部选择性约束之间的相互作用，驱动了克隆选择与肿瘤演化。
肿瘤起始与促发的演化模型
费奥多西 · 多布然斯基（Theodosius Dobzhansky）曾指出“如果不从演化的视角看，生物学中的一切都将变得毫无意义”，癌症也不例外。与物种的演化类似，细胞生长过程中产生的可遗传变异以及随后的选择——达尔文演化论的两个组成部分——不仅主导着人体组织中的细胞演化过程，亦是癌症发生和发展的核心。这一理论模型在很大程度上借鉴了他人的观点，如彼得 · 诺埃尔（Peter C. Nowell）、梅尔 · 格里夫斯（Mel Greaves）和卡洛 · 马利（Carlo C. Maley）。其主要组成部分是由内源性和/或外源性突变过程引起的体细胞遗传变异，以及施加在这些组织上的选择压力。如果某种突变能带来选择性优势，携带该突变的细胞就可以进行克隆扩增，从而比邻近细胞更有效地增殖（图1a）。
突变在细胞基因组中随机发生，由于组织特异性突变过程、染色质构象、基因表达和DNA复制等因素的影响，突变概率因位点而异。在任何组织中，都可能出现细胞获得潜在癌症驱动突变（即进入起始阶段，图1a）的现象，例如KRAS基因突变——其影响取决于受累细胞的类型与状态以及周围的组织环境（图1b）。在开创性小鼠实验模型中，获得这种潜在驱动突变被称为“肿瘤起始”，它是致癌过程中的第一个遗传事件。“肿瘤促发”（此概念同样借鉴自这些实验）则指的是特定的选择性约束促进某些突变克隆扩增的过程，这些突变克隆会增加肿瘤发生的风险。
基于这一肿瘤起始与促发模型，我们现在可以定义不同化合物、暴露因素或其他事件如何参与致癌过程（图1c）。如果某种因素增加了组织中细胞的突变率，那它就是诱变剂。如果某种因素能促进突变克隆的扩增进而增加肿瘤发展风险，那它就是促肿瘤因子，而所有促进突变克隆扩增的因素（包括那些不会增加肿瘤发生风险的因素）都可以统称为促克隆因子。因此，会增加肿瘤发展风险的致癌物可能会同时发挥诱变剂和促肿瘤因子的作用。诸如空气污染之类的因素主要被视为促肿瘤因子，而烟草烟雾、紫外线等其他因素则可能同时具有双重作用。某种致癌物是否作为诱变剂和/或促肿瘤因子起作用，可能取决于暴露剂量和/或频率。至少在某些情况下，此事与以下事实有关：在暴露剂量/频率超过特定阈值后，诱变剂会产生毒性导致组织坏死，随后组织会再生。这一过程模拟了伤口愈合和肿瘤促发反应机制。
最终，这些突变克隆的持续生长可能不再依赖于对促发因子的暴露，此时发生进一步变化的风险会增加，这些变化包括获得额外的点突变、表观遗传重塑或染色体不稳定，反过来会导致肿瘤良-恶性转化、肿瘤浸润以及癌细胞在宿主体内广泛扩散。需要注意的是，体细胞组织中的绝大多数早期克隆扩增实际上永远不会发展成肿瘤，而要发展成完全恶性的肿瘤，可能需要多次克隆扫荡（涉及连续多轮的突变与选择）。某些微环境特征可能有利于那些不会增加癌症风险的突变细胞的克隆扩增。根据上述定义可知，这些因素并非促肿瘤因子，但可以泛称为促克隆因子。
虽然肿瘤起始和促发最初被认为是在时间上明确界定和分离的两个阶段，但人类实际上是持续暴露于外源性诱变剂和促发因子之中的。这些暴露可能是短暂的、间歇性的或长期的。在人的一生中，这些暴露还经常重叠，进而导致诱变与选择呈现出持续存在又不断变化的景观（图1d）。然而，尽管人类肿瘤的发生机制非常复杂，但这两个底层过程始终是癌症出现和演化的基础。
图1 肿瘤起始与促发过程的示意图
克隆选择的动力学机制以及促肿瘤因子的作用深受组织结构的影响，特别是不同类型干细胞的存在、分布位置以及它们胜过邻近细胞的能力或对诱变因子及促发因素作出反应的能力。例如，在结肠中，干细胞位于隐窝基部，彼此之间存在物理隔离。这种结构限制了干细胞之间的竞争，导致相比正向选择，单个隐窝中的遗传漂变往往占据主导地位。然而，在食管鳞状上皮等其他组织中，干细胞位于基底层且没有物理屏障分隔，这在事实上创造了一个连续的达尔文式战场。在这种情况下，正向选择成了主导力量，导致突变克隆的扩增最终占据所有可用空间。基于小鼠模型的功能研究发现，在皮肤等组织中存在复杂的干细胞结构，不同的干细胞群体能够重新填充表皮和毛囊的不同区域。其中一些长寿干细胞群体，可通过外源性诱变剂启动基因突变过程，因为它们表达出了将致癌物代谢活化为能损伤DNA的代谢产物所需的酶。在因创伤或暴露于促肿瘤因子导致组织损伤后，突变细胞对增殖信号的不同反应能力也决定了它们对这些促发刺激的敏感程度。总之，肿瘤发生需要“正确”的驱动突变出现在“正确”的细胞中，且处于有利于其克隆扩增的微环境中（图1b）。
历史上的肿瘤促发概念
有关肿瘤起始和促发的观点并非新提出的。20世纪40年代科学家对小鼠进行的开创性实验表明，通过先单次使用低剂量的“起始剂”（煤焦油，一种已知的诱变剂），随后反复使用“促肿瘤因子”（巴豆油，一种炎症和增殖诱导剂）处理，皮肤会产生良性肿瘤（乳头状瘤）。单独使用其中任何一种处理方式或是颠倒暴露顺序都不足以诱导肿瘤出现。该模型中肿瘤起始和促发所需的诸多遗传和生物学事件已通过数十年的研究得以阐明。这些研究得出的结论是，起始过程涉及在受处理皮肤中诱导癌症驱动基因发生特定突变，而促发因子则能引发细胞增殖、迁移、炎症反应、免疫抑制以及其他导致单个起始细胞克隆生长的标志性特征。在该模型中形成的乳头状瘤是克隆性的，起源于单个细胞，但最终乳头状瘤内会出现新的克隆（获得了不依赖促发因子的生长能力），进而导致癌症形成和转移。尽管这些概念最初是基于小鼠皮肤模型形成的，但同样的原理已被扩展应用于许多组织和肿瘤类型，特别是那些与慢性炎症过程相关的组织，包括肺、食管、肠道、肝脏和胰腺。内源性因素也可以成为促发因子，例如在乳腺中，给予雌激素治疗或去除雌激素都会影响癌症的发展。
克隆选择与肿瘤促发的机制
小鼠促肿瘤因子激活的生化和生物学通路已经得到了广泛研究。早期研究识别出了促肿瘤因子的多种特定分子和细胞靶点。原型促肿瘤因子TPA（佛波醇-12-十四烷酰-13-乙酸酯）最初从能引起皮肤炎症和促发肿瘤的植物提取物中获得，研究表明，它能模拟内源性细胞第二信使二酰基甘油，后者可结合并激活蛋白激酶C，从而激活包括Ras通路在内的下游信号通路。其他不相关的促发因子通过不同的通路起作用，包括抑制磷酸酶PP2A（冈田酸）、诱导内质网应激（毒胡萝卜素）以及改变钙离子转运等方式。
不同促发因子所选择的特定突变取决于多种不同因素，包括宿主遗传背景，组织类型与起源细胞，以及促发因子的性质。由致癌物氨基甲酸乙酯诱导出的小鼠肺癌携带Kras癌基因驱动突变——可以是KrasQ61R或KrasQ61L——具体取决于不同小鼠品系的种系变异。这些不同Kras突变的选择也受到Kras基因剂量的强烈影响：在Kras+/?杂合近交系FVB小鼠（实验中常用的小鼠品系）中，当Kras基因缺失一个拷贝时，会导致肿瘤数量增加，并引发从KrasQ61R到KrasQ61L的重大转变。因此，Ras通路信号的强度在决定细胞间竞争和克隆选择的结果中至关重要。目前，大多数关于突变选择的研究都基于干扰细胞间相互作用的遗传模型开展，但让小鼠暴露于不同的选择压力之下，显然会影响克隆选择，例如，通过暴露于苯巴比妥影响肝脏，或通过改变氧化应激水平影响皮肤。
一个亟待解答的关键问题是：克隆选择是由促肿瘤因子对正常组织微环境的影响驱动的，还是由其对起始细胞（携带特定突变）的影响驱动的，抑或两者结合所致？2021年，一项基于斑马鱼黑色素瘤遗传模型的研究表明，人类黑色素瘤中常见的BRAFV600E突变并非总能引发细胞转化，而是需要由ATAD2和SOX10基因驱动的特定表观遗传背景，才能有效地重连起始细胞。类似的机制可能是观察到同一组织中不同细胞类型对转化具有不同许可性的基础。尽管这些案例属于将突变基因靶向特定细胞的情况，但有证据表明，促肿瘤因子也可能通过改变起始细胞的转录景观来诱导出类似的致癌能力。这种重编程的一个实例就来自对小鼠肺部和肝脏自发性肿瘤与致癌物（促发因子）诱导型肿瘤的序列分析：在小鼠衰老过程中自发产生的肺部肿瘤和肝脏肿瘤常携带BrafV637E突变（人类中为BRAFV600E），但在外源性促发因子诱导的肿瘤中很少发现这种变异，这证明了不同暴露因素带来的选择压力。关于诱导出致癌能力的另一个例子可见于对人类黑色素瘤中相同BRAF突变的研究：接受BRAF抑制剂维莫非尼治疗的黑色素瘤患者，会出现携带HRASQ61L突变的皮肤鳞状细胞癌。这种突变与在特定小鼠皮肤模型中观察到的完全一致。这个例子表明，黑色素瘤中由BRAFV600E驱动的致癌能力在被维莫非尼改变后，转而在人类角质形成细胞中诱导出由HRAS突变驱动的致癌能力。
马克 · 泰勒（Mark A. Taylor）等人提供了促发因子驱动致癌网络重构的直接证据：他们发现，携带HRASQ61L突变的TPA驱动型乳头状瘤形成了一种新的细胞状态，在该状态下，这些肿瘤的克隆性干细胞驱动因子LGR6被重连到与SOX9相同的转录网络中。SOX9已被证实是皮肤组织转录活性的主要调控因子，因此可能在皮肤模型中作为癌基因能力因子发挥作用。
炎症的作用与伤口愈合反应
尽管慢性炎症是促发不同组织中癌症的常见共同特征，但不能简单地认为炎症本身就足以促发肿瘤，或假定它是背后的唯一机制。艾 · 海克（E. Hecker）和同事们已经识别出与TPA相关的分子，这些分子具有很强的炎症诱导活性，但并不具有强大的肿瘤促发作用，这表明还需要结合其他特性考虑肿瘤发生机制。促发因子对突变细胞克隆的正向选择表明，早期阶段必然存在某些被诱导出的机制，用以帮助突变新表位逃避免疫识别，并赋予其在受处理组织中胜过周围正常细胞的能力。可能影响这些功能（受促发因子TPA诱导）的生物学机制包括激活转化生长因子β通路信号以及破坏周围正常细胞的抑制作用。
所有这些因素都能引发炎症和细胞增殖——这一观察结果表明，它们最终汇聚到与内源性伤口愈合反应相关的机制上。小鼠模型研究和人类流行病学研究提供了伤口愈合与肿瘤促发之间存在密切关联的进一步证据。在小鼠中，由创伤、擦伤或手术引起的直接物理损伤可以促进肺部、皮肤和肝脏肿瘤的发展。在人类中，惰性矿物纤维（如石棉）会滞留在肺细胞中，引起慢性组织损伤，最终导致间皮瘤。此类肺部肿瘤中极低的点突变负荷暗示了这种肿瘤诱导过程的非诱变性质。空气污染或烟草烟雾中的颗粒物也可能会促发肺部肿瘤，因为它们会导致肺气道纤毛细胞受到物理刺激、引发炎症反应并促进克隆选择。流行病学证据以及针对小鼠的直接测试也已证实摄入热液体是食管癌发展的强风险因素。携带强力癌症驱动突变的起始细胞若反复暴露于TPA或慢性创伤，会导致伤口反应紊乱且无法完全修复，从而使得突变细胞不受限制地增殖并逐步被选择出来，最终在竞争中胜过正常细胞。
潜在的人类肿瘤促发因子
近期研究证实，所有受检人类组织中均存在常见的癌症驱动突变，这使得人们重新关注起可能作为人类肿瘤促发因子的潜在因素（图2）。流行病学研究表明，多种潜在的环境或生活方式因素都会导致某些癌症发病率上升，尤其是在年轻人群体中。国际癌症研究机构（IARC）专论计划工作组评估了200多种致癌风险因素（涵盖化学物质、药物、物理因素及感染因素），并根据相关数据确定了50多种似乎会增加癌症风险的因素，包括缺乏运动、吸电子烟、感染特定的微生物组细菌等。对于其中一些因素，已有直接证据表明它们可以刺激促癌相关通路，并在某些情况下提高动物模型的肿瘤发病率。
图2 人类中已知或疑似促肿瘤因子的示例。在人类中，疑似促肿瘤刺激可能涉及暴露于特定环境、采用某些生活方式或由内源性过程产生。图中所示的一些因素可能同时作为诱变剂和促肿瘤因子发挥作用，包括吸烟、酒精、紫外线辐射以及参与构成微生物组的某些细菌。微生物组的作用可能是促发性的，也可能是保护性的，具体取决于细菌菌株
肥胖是人类患癌的主要风险因素之一，仅次于吸烟，而不良饮食、缺乏运动等生活方式显然会增加肥胖风险。不过，动物模型研究证明，其中一些因素在癌症发展中并不具有诱变作用。另一种具有潜在重要性的新兴暴露源是微塑料或纳米塑料，它们可能对人类健康构成重大威胁，因为这些微小颗粒可以进入细胞，扰乱与癌症促发和发展相关的信号通路。电子烟的大量使用也引发了担忧，因为尽管电子烟大致消除了烟草烟雾的诱变特性，但基于人类口腔上皮样本和小鼠体内模型的基因表达研究都表明，吸电子烟仍可诱发肺部组织中与肿瘤促发有关的改变。细菌感染也为外源性因素如何直接影响癌症风险提供了重要例证。研究表明，具有基因毒性的pks+大肠杆菌能诱导基因组突变，也可能通过“引发突变”与“诱发炎症”的双重机制导致患癌风险增加。
最后，我们应密切监测全球范围内采用胰高血糖素样肽-1（GLP-1）受体激动剂治疗肥胖症的情况，因为其中某些药物已被证实与胰腺炎有关，而胰腺炎是胰腺癌发展的风险因素之一。近期研究表明，正常成人的胰腺中普遍存在被称为“胰腺上皮内瘤变”的胰腺癌前驱病变，而且几乎所有这些病变都表现出携带致癌KRAS热点突变的细胞克隆扩增现象。未来的主要目标之一将是阐明这些因素以及图2所示的其他候选促发因子在不同组织中引起克隆扩增的机制，从而解释它们如何影响人类癌症发病率。
肿瘤促发模型对癌症预防的启示
长期以来，人们观察到，某些癌症的发病率在不同人群和地理区域中存在巨大差异。在某个人群中高发的癌症类型在另一个人群中可能是罕见的，两者之间的差异往往能达到10倍甚至更多。基于不同人群间癌症发病率差异的研究——如理查德 · 多尔（Richard Doll）、理查德 · 皮托（Richard Peto）等人开展的研究——估计，高达80%的癌症病例可能是由外部暴露因素和生活方式因素引起的，因此原则上是可以预防的。
总的来说，我们一生中有关各种外部因素的暴露史，连同我们的种系背景，共同决定了我们一生的患癌风险。如果想通过降低这些风险来预防癌症，我们首先需要了解外部因素暴露是如何改变人体组织中的演化动态的。我们可以借助几种成熟的测试方法来确定IARC综合报告中的哪些潜在致癌物可能会成为诱变剂，从而为肿瘤发生中的突变过程研究提供直接途径。但是，相比之下，目前还没有成熟的方法用以确定哪些致癌物会作为促肿瘤因子发挥作用，尽管在美国国家毒理学计划（NTP）确定的致癌物中，有80%都可能是促肿瘤因子。本综述中概述的肿瘤促发概念可能有助于学界基于对肿瘤促发机制更详细的了解，设计和构建预防癌症的新举措。
具体而言，为了直接研究外部因素对细胞选择的影响，我们建议开发短期检测方法，测量突变细胞暴露于候选促发因子后的克隆选择情况。如果通过检测发现某些携带特定突变的克隆正在扩增，那么就可以判断出对应的物质便是肿瘤促发因子。这种测试周期较短，因为无需形成肉眼可见的病变。目前，此类检测方法已成为可能，主要得益于近期发展起来的纠错型超深度双链DNA测序技术。该技术将测序错误率降低至10?7至10?9水平，并已成功应用于检测小鼠和人类正常组织中的克隆扩增情况。
将上述实验方法应用于具有不同环境暴露史和/或来自世界不同癌症风险地区捐赠者的正常人体组织样本，有助于促进专门针对群体水平肿瘤促发机制的研究（图3）。虽然对肿瘤进行测序可以获取其起始细胞中存在的突变（克隆突变）信息以及某些情况下少数亚克隆中的突变信息，但将双链测序技术应用于正常组织（结合适当的组织取样策略），可以实现对数百个克隆突变情况的全面探索。这极大地提高了统计效力，能够有效检测捐赠者之间组织克隆结构的差异，并验证它们与潜在促肿瘤因子暴露之间的关联。然而，要想确定哪些致癌物是促肿瘤因子，仍需证明相关的扩增克隆导致了癌症风险增加。具体操作时，可以先观察源自所研究组织的各类肿瘤，锁定其中发生差异性扩增的克隆所携带的突变，再通过统计这些突变在肿瘤中的出现频率来确认相关性。例如，2025年10月发表在《自然》（Nature）上的一篇论文报道了吸烟对尿路上皮细胞扩增的影响。这些细胞含有端粒酶逆转录酶启动子突变，该突变会激活端粒酶基因的表达，并存在于70%以上的膀胱癌病例中。此外，扩增克隆的突变与致癌物暴露及肿瘤起始的明确关联，表明肿瘤促发与致癌因素之间存在直接联系。
图3 检测和探究促肿瘤因子作用机制的实验方法
对干预前后的人类样本进行研究，也可以阐明某些促发因子的作用机制。例如，对在减重手术或GLP-1受体激动剂治疗（旨在降低肥胖相关疾病风险）前后获得的样本进行体细胞突变图谱分析，有助于揭示这些干预措施如何改变组织微环境和不同器官的克隆结构。
要了解促发因子作用于正常组织的底层机制，还需要采用其他方法来探究细胞表型和组织微环境的变化，包括数字病理学和空间组织分析技术。能够同时映射特定驱动突变和细胞表型变化的分析方法将对实现此目标起到重要作用（图1b和图3c）。
例如，一些研究识别出由已知会增加癌症风险的因素引起的正常组织（如血液、颊上皮或膀胱尿路上皮）克隆景观的特定变化。IARC等全球性机构已在开展从不同地理区域系统收集组织样本并仔细标注捐赠者暴露史（包括内部暴露）的工作，这对于推广此类研究具有重要价值。建立无创或微创样本采集机制（如抽血、口腔拭子采样、尿液采集等）是在流行病学规模上开展这些研究的关键。此外，基于人工智能的系统——涵盖了智能体和多模态基础模型（如基因组数据和病理图像）——将在整合这些不同数据类型以形成机制性假说方面发挥重要作用。
我们预见到，此类检测方法的结合应用将有助于深入阐明非诱变性致癌物作为促肿瘤因子的作用机制，包括它们对组织微环境的影响、它们促进的特定克隆扩增类型、它们是否也具有诱变性以及对转化敏感细胞的识别。对已知或疑似致癌物作用机制的清晰认知，将为提出旨在预防有害暴露的群体层面干预措施提供依据。针对特定职业暴露驱动的肿瘤促发机制开展的研究，在这方面可能尤其有用。与此同时，上述研究也为设计基于机制的干预措施提供了可能性支持，此类措施可以抵消促发因子对正常组织的影响。2021年发表在《自然》上的一些研究已经识别出一部分介导“超级竞争者”克隆生长的通路，这些克隆能够抑制其更正常的对应物的生长。一个宏伟的目标是识别促发预防因素，也就是促发干预剂——它们可以直接抑制此类潜在的危险克隆，或者改变克隆竞争格局，使那些极少或永远不会发展为癌症的克隆占据优势。
资料来源 Nature
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本文作者包括：努里亚·洛佩兹-比加斯（Nuria Lopez-Bigas），西班牙巴塞罗那生物医学研究所教授；伊芙·坎迪巴（Eve Kandyba），美国加州大学旧金山分校研究人员；艾伦·巴尔曼（Allan Balmain），美国加州大学旧金山分校癌症遗传学杰出教授、英国皇家学会院士；等等