互动科普

阳光与皮肤癌

David J. Leffell,  Douglas E. Brash 

虽然皮肤癌大多出现在年纪较大的人中，但是当太阳光线使一个细胞中的关键基因突变时，危害常常早几十年就开始了。

  在1775年，英国医生Percivall Pott报道了伦敦许多扫烟囱的人的阴囊上有一种不规则的溃疡在难以理解地流行。其它医生可能会得出结论：这些男人得了性病。这种病当时就在整个城市蔓延，但是Pott更敏锐一些。他认识到他们实际上是得了一种皮肤癌。Pott的发现是一个医学上的里程碑。通过观察发现不断暴露于煤焦油的男人们特别容易得这种类型的癌以后，他首次确证这种癌可能由外部因子而不是内部因子引起。最近，研究人员识别了环境与皮肤癌问的另一个环节，但是这一次，这个因子更是无处不存在的。它只不过是来自太阳的光线：数十个研究人员辛辛苦苦的工作揭示了关于太阳的光线怎样造成每年发生数量高得惊人的皮肤癌的许多情况。

单是在美国，每年大约有一百万个新的病例发生，相当于所有其它类型的癌症的发病率的总和。对应于皮肤细胞的三种类型：基底细胞，鳞状细胞与黑色素细胞。皮肤癌一般也表现为三种形式中的一种。黑素瘤是最致命的种类——并且也许对企图了解这些肿瘤是怎样触发的研究人员来说是最为神秘的。幸好，这种癌也是最不常见的。在美国，今年将有大约3.8万例黑素瘤发生，并且将近7千人死于该病。其它两种类型统称为非黑素瘤皮肤癌，它们构成了皮肤癌中的其它部份，但是罹病人数中的死亡率要小得多。预计1996年在美国只有几千人会死于非黑素瘤（几乎都是鳞状细胞）皮肤癌。

如果发现得早，许多例非黑素瘤皮肤癌是容易在医院内局部麻醉下治愈的。这样的癌可以用一些简单的方法治愈，其中包括刮除、灼烧冰凉或者以外科手术切除恶性肿瘤组织。即使是黑素瘤，如果在肿瘤还不到1毫米厚时就被诊断出来，通常就可以简单的切除治愈。但是由于皮肤癌会发生在所有年龄组成员的身上，又因为如果任其不加治疗，皮肤癌就会损害形象并导致死亡，所以医学研究人员几年来作了巨大的努力来摆索引起该病发生的机制。奇妙的是，历史中的一个偶然事件十分有助于那种探索。

一次偶然实验

在Pott研究阴囊癌时，乔治王朝的英国有一个对微不足道的罪行都给予严惩的法律制度：伪造或偷窃时常导致判处死刑。但是对因为这样的轻罪就处以严厉的死刑引起了强烈的反感。它很快导致较轻的判决——从而也导致监狱的人满为患。为了减轻国家的监狱的负担，下议院投票决定从18世纪80年代开始将罪犯放逐到遥远的地点。选择的目的地是一个靠近南太平洋的鲜为人知的海岸。在几十年内，澳洲的东海岸聚居着英国与爱尔兰的男男女女，那些早期的殖民地居民都有白晰的皮肤与浅色的头发，今天他们的后代在那片南部大陆上占优势。

开始作为18世纪在刑法改革上的努力的探索最后在一个事实上关于肤色、太阳辐射与皮肤癌之间的联系的大规模的试验中达到了顶点。由于他们的白皮肤不断地暴露在强烈的太阳下面，澳大利亚的白种人的各种皮肤癌的发病率现在是世界上所有的人中最高的。他们的英国亲属，因为生活在多云的天空下，就比他们幸运得多。他们患黑素瘤的风险相当小——就像澳大利亚的土著居民一样。这些土著居民肤色深得多，所以很少感染太阳诱发的皮肤癌。研究人员早在50年前就认识到，澳大利亚人的经历说明，强烈的与白晰的皮肤是皮肤癌的重要风险因子。但是几十年来，科学家们都不能够解释太阳对皮肤细胞实际做了些什么，以致使它们成为癌性的。要弄清楚那个秘密，需要的不只是在充满阳光的大陆上的一次偶然的试验。在那一过程的细节开始被搞清楚以前，需要分子生物学家在研究实验室中进行好几年的研究。

当我们两人在本世纪80年代的后期开始着手解决这一问题时，来自太阳的两种损伤似乎是同样可疑的。在一种类型中，它是皮肤细胞内的特定基因的突变。如果一次突变使一个正常的基因变成一个过份热心的生长启动基因，（致肿瘤基因）或者钝化一个通常限制细胞生长的基因（肿瘤抑制基因）时，一个细胞就可能过度地繁殖。我们在开始时认为的另一类原因包括更广泛的过程——会影响每一个暴露于太阳的细胞的过程：例如，太阳的辐射可以抑制皮肤的免疫反应（降低它除去肿瘤细胞的能力）或者直接促进细胞分裂。由于可能有这样各种各样的解释，我们知道要查出皮肤癌的病因是不会容易的。

但是，我们有这样一种经验可以作为根据：阳光的损害影响可能发生在肿瘤出现前许多年。那时在西澳大利亚大学工作的Anne Kricker维多利亚防癌委员的Robin Marks及同事所进行的研究最清楚不过地证实了这样的延发效应。他们指出，18岁以前从多云的英国迁到阳光充足的澳大利亚的人有较高的皮肤癌发病率，但是如果他们年纪较大时才迁来，这种天然的危险就比较小。

这些发现表明，澳大利亚的皮肤癌患者，必定在肿瘤（它在中年以前很少发生）出现前几年必定接受过临界的高剂量阳光。如像免疫抑制这样普遍的过程在伤害性的辐射停止后仅仅延续几天。但是遗传变化则继续存在（从细胞的一代传到另一代)。所以寻找遗传变化对于我们的研究来说似乎是更有希望的途径。于是我们就开始搜寻早在生命的早期就可以开始的并为很久以后的皮肤癌发生做好准备的由阳光诱发的突变。

标记突变

研究的结果是令人气馁的。在一个人体细胞中含有多达10万个基因，而每个基因一般包含了数千个核苷酸（建造DNA的材料）一一只是它们中的一些才可能带有太阳诱发的损害的痕迹。即使我们设法鉴定出在皮肤癌样本中的突变，我们怎么能够肯定它们是阳光引起的呢？幸运的是，其他研究人员发现（早就怀疑是致癌因子的）紫外线B辐射具有特征性的标记，给我们提供了一个有用的线索。

研究了从病毒到人体细胞的一切以后，来自瑞士、法国、加拿大与美国的一些研究人员证实紫外线在含有特定的核苷酸碱基的一股DNA的一些点上引起突变。碱基是核苷酸中可变的部份，称为腺嘌呤(A)，鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)与胸腺嘧啶(T)。紫外线在邻近另一个嘧啶的所谓嘧啶碱基——胞嘧啶或胸腺嘧啶处引起突变。大约这些突变的三分之二是（C-至T-取代反应；大约这些变化的10%发生在两个毗连的C处，这两个C碱基变为T）由紫外线引起的这些突变的特征构成了一些类别的指纹图谱，因为它们不是其它因子引起的。

从而我们对起因于暴露在阳光下的这些与众不同的突变有了一个明确的概念。但是我们需要确认大量的人体基因中哪一个突变到产生致癌效应。我们最好的估计是答案就在已经知道与癌有关的很少几个人类基因中。

在我们已经辩识的致肿瘤基因与肿瘤抑制基因中，我们选择检查一个称为ρ53的肿瘤抑制基因，现在已经知道它在一半以上的所有人类的癌中是突变的。当时，由于非黑素皮肤癌与引起皮肤上出现类似疣的瘤的一种罕见的病（表皮发育不良的肉赘）间有一种不寻常的联系，我们怀疑ρ53可能与许多皮肤癌有关。

从前的研究揭示，这样的瘤含有来自人类的乳头瘤病毒的DNA，并且当这些瘤位于暴露于太阳的皮肤上时，它们能够发展成基底细胞或鳞状细胞癌。在国家癌症研究工作的Peter M. Howley及其同事进一步证明，由乳头瘤病毒产生的一种蛋白质钝化了ρ53蛋白质。（基因导致蛋白质的产生，就像可以预期的那样，ρ53蛋白质是ρ53基因产物。）所以，所有的征兆是ρ53可在非黑素皮肤癌中起一个特殊的作用。但是我们需要有确凿的证据。

为了找到那个证据，我们研究了鳞状细胞癌。这些肿瘤无疑与阳光有关（它们发生在脸上与手上，特别是住在热带的白种人身上）。与瑞典普萨拉大学医院的Jan Pontén台作，我们发现从一套采自美国的样本中得到的90%以上的鳞状细胞癌在ρ53肿瘤抑制基因的某处发生了突变。这些突变发生在具有毗连的嘧啶碱基的位点上。并且它们具有和暴露于紫外线有关的与众不同的C-至T-模式。我们的研究小组和其它几个研究小组，后来也精确定位了在基底细胞癌中与阳光有关的ρ53突变的位置。(黑素瘤显然与ρ53不变化无关。)研究人员仍在研究癌性黑素细胞以寻找受阳光影响的基因。在我们的实验室中检查了样本以后，Annemarie Ziegler发现癌变前的皮肤也包含有ρ53的突变，表明遗传变化早就发生在肿瘤出现前。但是，这些突变真的是非黑索皮肤癌的病因，或者它们只是一生暴露于阳光的不相干的标记？

我们能够通过基因密码已被改变这样的特殊方式来排除后面这种可能性。基因中的核苷酸被排列在轮廓分明的密码子——确定不同氨基酸的3个碱基组中。在基因中的密码子序列确定排成串在一起构建蛋白质的氨基酸序列。但是不同的密码子有时能够确定同一个氨基酸一一仿佛氨基酸的名称可以几种方式中的任何一种表示似的。不过密码子的头两个碱基是互定的而只有三个发生变化时，氨基酸一般不会改变。因此，如果在皮肤癌中发现的ρ53突变只是暴露于阳光的随机影响，我们就预期会发现在第三位置上发生在第一或第二位置上那样多的变化，即是，将会有密码子突变（经历了一个核苷酸碱基替换过程）而没有改变它的相应氨基酸的许多实例。但是对全世界皮肤癌中这一基因的研究一致展示了在ρ53蛋白质中有一个或多个氨基酸被修改了的突变。那么ρ53的这些遗传变化不只是暴露于紫外线的一个副作用，它们实际上在引起皮肤癌。

为了更加了解ρ53基因怎样在非黑素皮肤癌受到影响，我们调查研究了ρ53的某些部分是否特别容易产生由阳光引起的邻近嘧啶碱基（即C或T）的突变。每当生物学家们将活的细胞暴露于致癌物时，他们就发现了所谓的突变热点（易于发生突变的DNA上的位置）。分析了许多肿瘤以后，我们确定出在非黑素皮肤瘤中的ρ53基因含有大约9个热点在与阳光无关的癌（如像结肠或膀胱癌）中，ρ53的5个密码子是最经常突变的，其中3个属于皮肤癌中的热点之列。只是在基它癌中发现的两个热点上，突变的C位于G或A的侧面，而绝不会在T或另一个C之侧。由于缺少一对嘧啶碱基，在皮肤细胞的DNA上的相当的位点受到保护而免受紫外线外线引起的突变的影响。

在具有相邻嘧啶的ρ53基因上的几百个位点中，为什么当细胞暴露于阳光时只有几个们位点起热点的作用？几个研究人员最近依靠三十多年前由Richard B. Seflow与William L. Carrier在橡树岭国家实验室所作出的发现回答了这个问题。Setlow与Carrrier确定了细胞能够通过一个叫作切除修复的酶的过程消除紫外线对其DNA的损害。细胞基本上剪去断裂的碱基并用完整的碱基代替它们。1992年在我们实验室工作的Subrahmanyam Kunala证明了一些细胞特别慢地修复了发生在一些嘧啶对上的损害。随后，在加州杜阿尔泰的该市Hope Beckman研究所工作的Gerd Pfeifer及其同事发现细胞修复在非黑素皮肤癌中突变的ρ53位点比它们修复该基因中的许多其它位点要缓慢得多。因此，似乎十分可能的是，我们为了研究皮肤癌所发现的热点之所以存在应归功于皮肤细胞没有能力有效地修补这些位点。

细胞的校读

即使我们已经辨识了相关的ρ53突变后，令人憾的是对癌发生的描述仍然是不完全的。毕竟基因不会癌变一一细胞却会。足够明显的是，ρ53蛋白质必定在正常的皮肤细胞中起作用以防止癌。但是怎样起作用呢？一个来自约翰·霍浦金斯医院的Michael B. Kastan的线索是有用的。他发现经受X射线的细胞会产生ρ53蛋白质，ρ53蛋白质反过来又阻止了细胞分裂。丹迪大学的Peter A. Hall David、David P. Lane与纽卡斯尔大学的Jonathan L. Rees证明了ρ53蛋白质对暴露于紫外线辐射的皮肤细胞有相同的效应。癌症研究人员推测ρ53蛋白质一般使DNA受到损害的细胞停止复制，直到它有时间进行修复为止。

在以色的魏茨曼科学研究所的Moshe Oren及其同事还提出了ρ53蛋白质的另一种功能：在DND损害太强以致不能修复的情况下它能够阻止癌。他们发现在一个细胞中ρ53蛋白质水平的升高会导致apoptosis编程的细胞死亡。（这样的细胞死亡是许多生物学过程的正常部分其中包括胚眙的发育。）在这种情况下，一个受太阳损害的细胞的“自杀”会通过永久地消除它在遗传上的失误而阻止它成为癌性的。这样的apoptosis可以称为细胞的校读。因为皮肤定期地使细胞脱落，我们推测皮肤细胞时常以这种方式使用ρ53。但是即使在我们开始试验我们的想法之前，已有一些证据可以用来支持这一想法。

皮肤病学家们长时间以来就认识到了当皮肤被晒伤时，一些细胞就会达到类似于apoptotic细胞的地步。到了1994年我们也能够证实晒伤的细胞含在有类似于其它apototic细胞中的那些DNA断裂。晒伤的细胞从而似乎是处在进行细胞自杀的过程中，所以我们迫切想知道失去ρ53的细胞是否可能经历这样自虐式的死亡。

大约就在这个时候，我们到达了这一调查的关键时刻。麻省理工学院的Tyler Jack及其同事培育出了缺乏ρ53基因的小鼠。当Alan S. Jobnason与Jeffrey A. Simon在我们的实验室中辐照了这些所谓ρ53分离的小鼠时，他们发现晒伤的apoptotic细胞比暴露于同样的紫外线的正常小鼠中的那些细胞少得多。其ρ53基因仅仅部份失效的小鼠只中等程度地倾向于进行光诱发的细胞自杀。这些结果表明。编程的细胞死亡对于防止非黑素皮肤癌是重要的，而p53的损失则能中断这一过程。

来自阳光的加倍效力

现在有可能想象细胞校读的失效会怎样导致皮肤癌。暴露于阳光的正常的皮肤将积累由太阳光谱中的紫外线B部分引起的DNA损伤。不能够以一种及时的方式修复它们的DNA的细胞通过apoptosis而死亡。但是如果在细胞中的ρ53基因在以前暴露于阳光的某一时期已经突变，那个细胞就将承受住这样的自我毁灭——即使使它受到严重伤害。

情况实际上糟得多。一个即将成为癌性的细胞被受到损伤时进行apoptosis的正常细胞所包围从而垂死的细胞必定会留下一些空间让ρ53一突变的细胞可以在其中生长。通过诱发健康细胞杀掉它们自己，阳光有利于ρ53突变的细胞的增殖。实际上，阳光两次起作用来引起癌：一次使ρ53基因突变，后来接着为改变了的细胞系建立不受约束地生长的条件。突变与促进肿瘤的发生这两种活动是致癌作用的两次迅速出击。虽然其它肿瘤中的突变与促进作用是由独立因素进行的，在皮肤癌中紫外线辐射显然有两种效力。

无疑存在与皮肤癌发生有关的其它基因及研究人员还不完全了解的阳光的其它影响。例如，医学研究人员知道Gorlin综合征（一种病人有多基底细胞癌的疾病）是由在一个不同的肿瘤抑制基因中的遗传突变引起的。随着更进一步的研究，致癌作用的各种机制将更加清楚，并且科学家们可以找到更巧妙的办法来阻止正常皮肤细胞变成癌性皮肤的细胞。

有理由希望正在对非黑素皮肤癌获得详尽了解的研究人员将会提出一些新的治疗方法。也许恢复突变的ρ53蛋白质的正常功能的药物将可以使医生们对他们的病人提供有效而不涉及外科手术的治疗法。也许一种能被受到影响的细胞吸收的简单乳膏这样的良药最近一二十年即可问世。如果是这样的话它将对人口高峰那一代中热爱阳光的无数上年纪的成员——我们两人无可否认地都属于这一群人一一具有很大的好处。