传统的癌症研究通常利用小鼠等模式动物进行探究，这些动物寿命短，繁殖快，而且易患肿瘤，对模拟人类中某些肿瘤类型以及试验治疗等提供了价值，但对于肿瘤抗性机制的研究没能提供太多的价值。近些年来，科学家们将目光转向裸鼢鼠，盲目鼢鼠以及大象等动物，为理解癌症抗性机制提供了新的视角，而对这些分子机制的了解也将有助于我们开发新的癌症治疗手段。

Basic

癌症是当前发达国家第二大致死原因。虽然现在有许多可采用的癌症疗法，但大多具有副作用，会对机体正常组织产生伤害，因此癌症研究的一大目标就是开发出高效且无毒副作用的治疗或者预防手段。事实上，在自然演化过程中，这些手段已经存在，这体现在不同物种癌症发病率以及患病年龄的差异上。例如，50%-90%的成年小鼠死于癌症，而在人类中这一数值约为23%，另外有些物种则表现出极强的癌症抗性，如裸鼢鼠，盲目鼢鼠，大象以及北极露脊鲸等；在发病年龄上，小鼠仅需2年即会患上癌症，而对于长寿的物种，一般需要几十年。
对此的一个解释是不同物种产生恶性转移所需的突变 hits 数量不同，对于小鼠来说，两个 hits 即可，包括 Trp53 或 Rb1 的失活以及 Hras 的活化；而对于人类纤维母细胞，则需要5个，TP53，RB1，PP2A 的失活和端粒酶以及 HRAS 的持续性活化，这表明人类演化出更强的抗癌防御机制。
进化压力对有效抗癌机制的演化的作用很强，因为如果动物在繁殖之前就患上癌症，那么它将无法产生后代，所以动物肯定会形成推迟患癌年龄的有效机制，所以癌症多发于成年动物，因此那些长寿的动物预期会具备更多的有效机制来抵御癌症。
另外一个影响癌症风险的因素是身体大小。大型动物具有更多的体细胞，更有可能积累突变，因此理论上来说它们患癌的风险更大。为了抵消这些风险，大型物种需要进化出更有效的抗肿瘤机制，所以我们能从长寿大型哺乳动物中找到新的更加复杂的抗癌策略。
一直以来饮食被认为对不同物种间患癌率和寿命的差异存在影响，但是，虽然在给定某个物种的情况下，饮食对癌症流行病学的作用很重要，当比较不同物种时，其作用可以忽略不计，毕竟，再健康的素食也不会让小鼠活到30（裸鼢鼠）或者200岁（鲸鱼）那么长。
在癌症研究中，天生的的癌症抗性分子机制一直令人颇感兴趣，因为它们经过数百万年的演化后被挑选出来的有效且安全的策略。理解这些机制，并将它们用于人类对癌症的抵御对改善现有的癌症预防和治疗策略来说是必不可少的。
大鼠和小鼠是癌症研究中最主要的动物，它们易养且容易患癌，对我们理解肿瘤形成过程提供了很大的帮助。但是，在癌症抗性机制层面，它们能提供的就少得多了。所以，科学家们开始从一些非传统的动物入手，希望能够为癌症预防和治疗带来新的突破。

体重，寿命和癌症

如之前所说，人类细胞相较小鼠细胞发生癌变所需的突变 hits 更多。端粒酶，一种能够复制端粒的核糖核蛋白，必须在人类细胞中去抑制才能使细胞癌变，但在小鼠中，它一直处于活化状态。在大部分人类体细胞中，端粒酶蛋白组分——端粒酶反转录酶（telomerase reverse transcriptase, TERT）的表达被抑制，因此细胞增殖过程中，端粒不断变短，最终进入永久的细胞周期停滞，导致复制性衰老（replicative senescence）。小鼠中端粒酶始终呈活化状态，因此其癌变相较人类细胞已“领先一步”。
对15种啮齿类动物的分析发现，TERT 表达水平各异。端粒酶活性与最大寿命无关，但与体重呈显著负相关。当体重超过5000-10000g时，端粒酶在绝大部分体细胞中的表达受到抑制，这正是由于大体重带来的高患癌风险导致演化朝着端粒酶活性被抑制的方向进行。对啮齿动物纤维母细胞以及其他哺乳动物的分析，确认大体重物种演化出复制性衰老机制。
更长的寿命意味这患癌风险的增加，但是小体重物种，即便寿命较长，也没有出现复制性衰老机制，取而代之的是极低的细胞增殖速率。在培养基中，长寿的小型啮齿动物如裸鼢鼠等，纤维母细胞加倍需要大约7天，而人类平均只要2天。纤维母细胞形成克隆所需要的 Trp53 或 Rb1 失活，以及 HRAS-G12V 的外源表达，被发现与寿命显著负相关。
通过小鼠皮下异种移植评估18种啮齿动物细胞发生癌变的条件，发现更大以及更长寿的物种需要更多的 hits。寿命短的小型啮齿动物，只需要失活 Trp53 或者 Rb1，外加一个 Hras 活化突变就足够形成肿瘤，但对长寿的小型啮齿动物而言，需要 Trp53 和 Rb1 都失活，而对更大型的物种，除了 Trp53，Rb1 以及 Hras^G12V 失活外，还需要端粒酶的活化。有趣的是，对于寿命较短或者体重不那么大的动物，端粒酶的活化是恶性肿瘤所必需的，但对良性肿瘤则不是。
综上，体重和寿命在进化过程中对肿瘤抑制机制起到了塑造的作用。体重决定了细胞是否需要限制端粒酶，而寿命决定是否需要其他的机制。对于小型物种为什么没有进化出复制性衰老，一种假说是认为对于小型动物而言，复制性衰老并不会带来好处，因为即便是良性肿瘤，也会成为其负担，所以它们演化出的是在早期增生阶段之前就限制细胞的增殖。

长寿啮齿动物裸鼢鼠

裸鼢鼠体型与小鼠近似，栖息在东非的地下管道中，由于地下恒温，因此没有隔离的必要，它们就褪去了皮毛。裸鼢鼠很长寿，最多能活到32岁，且对癌症具有极强的抵抗力。其对癌症的抵御机制有很多种，作为小型长寿哺乳动物的一种，它们并未呈现出复制性抑制，而是依赖在早期就发挥作用的抗增生机制。
裸鼢鼠纤维母细胞由于早期接触抑制（early contact inhibition, ECI）在培养基中增殖非常缓慢。相较于其他物种的正常细胞，裸鼢鼠对接触抑制表现得更加敏感，在形成密集的单层之前就会早早停滞增殖。ECI 是由 p16^INK4A 活化启动的，而非其他物种如人类和小鼠中那样由 p27 导致；只有当 Cdkn2a^INK4a （编码 p16^INK4A）沉默或突变后，才会由 p27 活化常规的接触抑制。所以，如果想要彻底废除裸鼢鼠细胞的接触抑制，必须使 Cdkn2a^INK4a 和 Cdkn1b（编码 p27）都失活。
有趣的是，裸鼢鼠中 Cdkn2a–Cdkn2b 基因座具有独特的结构，且服从正向选择。Cdkn2a–Cdkn2b 是一个快速进化的基因座，包含很多重要的肿瘤抑制基因。在人类和小鼠中，它编码细胞周期依赖激酶（CDK）抑制剂，p15^INK4B，p16^INK4A；但在裸鼢鼠中，选择性剪切会产生一个新的转录本，将 p15^INK4B 第一个外显子与 p16^INK4A 的第二和第三个外显子融合，生成名为 pALT 的强力 CDK 抑制剂，给细胞周期调控又加了一层控制。
裸鼢鼠细胞分泌的独特的大分子量透明质酸（high molecular mass hyaluronan, HMM-HA）是导致ECI 活化的细胞外信号。该信号通路依赖 CD44 受体，并活化 Cdkn2a–Cdkn2b 基因座，但中间的信号传导过程目前仍不清楚。透明质酸是构成细胞外基质的主要非蛋白成分，大分子的透明质酸具有抗增殖，抗炎症和抗转移的特性；反之，小分子的透明质酸则与炎症，更快的增殖和转移有关。在其他动物中，透明质酸分子要比裸鼢鼠中的短6-10倍。两大因素导致裸鼢鼠中 HMM-HA 大量存在，一是裸鼢鼠中的透明质酸合酶2（Has2）基因存在一段独特的序列，可能导致了透明质酸的高产出，二是透明质酸酶在裸鼢鼠组织中的活性较低。废除裸鼢鼠中的 HMM-HA 基因，之后失活 Trp53 和 Rb1，活化 Hras^G12V 能使纤维母细胞更倾向于形成肿瘤。所以，裸鼢鼠纤维母细胞需要4个 hits 实现癌变，其中3个与其他啮齿类共享，另外的 HMM-HA 则是其独有的。
在 Trp53 和 Rb1 失活这一方面，裸鼢鼠也有其独特性。仅失活其中一个会导致细胞凋亡而非常规的快速增值；另外，失活 Cdkn2a^ARF，会降低 p53 的活性，导致衰老。这意味着裸鼢鼠具有感知 Trp53 和 Rb1 丢失的能力，并启动凋亡或衰老来避免肿瘤的形成，所以需要同时失活这两个基因才能使细胞发生癌变。
iPSC 重编程与恶性转化有很多共同之处，而裸鼢鼠细胞对 iPSC 重编程具有抗性，即便发生了重编程，也很难形成畸胎瘤。低效的重编程是由极稳定的表观组导致的——细胞内重编程基因（Oct4, Sox2, Klf4 和 Myc）的启动子处于深度抑制状态。
裸鼢鼠细胞能够进行果糖驱动的糖酵解，这是对其所生活的缺氧环境的适应，而这种糖酵解作用在肿瘤中也存在。这一特性的演化使得裸鼢鼠细胞更倾向于形成癌症，因此必然是被之前提到的多种抑癌机制抵消了。此外，裸鼢鼠中高保真度的蛋白合成，更活跃的抗氧化应答通路，以及通过自噬和蛋白酶体实现的更活跃的蛋白质水解可能也对其抗癌有所作用。

盲目鼢鼠

盲目鼢鼠，Spalax ehrenbergi 超种，是一组栖息在中东森林和山谷的地下啮齿类，相较非洲裸鼢鼠，其余大鼠和小鼠更接近。但不同于大鼠和小鼠，盲目鼢鼠及其长寿，最长寿命可达21年，且对癌症具有抗性。如预料一样，由于体型较小，它们并没有用复制性衰老作为抗癌机制。极其严格的地下生活方式使得盲目鼢鼠对缺氧产生了独特的耐受性，可能是为了避免缺氧诱导的凋亡，盲目鼢鼠 Tp53 序列上演化出了一些改变，例如在 DNA 结合区域存在精氨酸-赖氨酸替换，而这种替换在耐缺氧的人类肿瘤中也存在。但是，除了变弱的 p53，并未在盲目鼢鼠中发现有自发形成的肿瘤；即便通过致癌物诱导，除了最初由强烈的坏死反应外，并没有肿瘤的形成。
在细胞层面，盲目鼢鼠纤维母细胞在传代培养时表现出一种独特的现象，称为协同细胞死亡（concerted cell death, CCD）。当经过12-15代加倍后，整个培养基中的盲目鼢鼠细胞会在3-4天内全部坏死和凋亡，这是由于向介质内大量释放 IFNβ 导致的。这一现象令人联想起生物活体在致癌物刺激下发生的坏死反应。目前认为，盲目鼢鼠细胞对增生极度敏感，细胞快速扩增启动了干扰素应答，通过坏死和凋亡通路共同作用清除增生位点的细胞。基因组分析显示盲目鼢鼠干扰素通路基因存在重复。综上，盲目鼢鼠中演化出来的干扰素调控的 CCD 策略可能抵消了 p53 蛋白促凋亡作用的弱化带来的影响。
除了 CCD 外，盲目鼢鼠细胞也能够生成 HMM-HA，但与裸鼢鼠不同的是，其不表现出 ECI，所以两者中透明质酸介导的肿瘤抑制机制是存在差异的。有报道说盲目鼢鼠能够分泌一种化合物稍微减缓肿瘤细胞的增殖，但其身份还未知，可能是 HMM-HA。盲目鼢鼠中另一种被修饰的 ECM 成分是乙酰肝素酶，这是一种糖类内切酶，能够消化细胞表面的硫酸乙酰肝素。盲目鼢鼠中表达它的一种剪接变体，具有显性负性作用，能够抑制基质降解，从而与充分表达的 HMM-HA 一道，形成更加结构化的 ECM，抑制肿瘤的生长和转移。

长寿的蝙蝠

在蝙蝠中只报道过少量的肿瘤病例，且所有的蝙蝠的寿命在其体重层次都算长的，最长寿的蝙蝠体型也属于较小的一类。最近的研究显示蝙蝠中演化形成的线粒体作用能够抵消高代谢活动如飞行带来的氧化应激，这一机制可能对肿瘤抗性和病原体控制等都有作用。一项最近的整合性基因表达研究显示，相较其他哺乳动物，蝙蝠中特有且差异表达的 miRNAs 以及 mRNAs 作用于长寿通路。长寿的蝙蝠可能具有独特的调控机制来抵御癌症形成，修复细胞损伤以及避免氧化应激。其中，在大鼠耳蝠中上调表达的4个 miRNA 中有3个（miR-101-3p, miR-16-5p and miR-143-3p）在人类癌症中为肿瘤抑制基因，1个下调表达的 miRNA （miR-221-5p）可能作为肿瘤促进者在人类乳腺癌和胰腺癌中发挥作用。
生长激素（growth hormone, GH）不敏感包括 GH-胰岛素样生长因子1（IGF1）轴上发生的遗传异常。编码单跨膜 GH 受体（GHR）的基因上的突变（外显子8，编码跨膜结构域）会导致人类 Laron 型侏儒症。GHR 突变或 GH 信号缺失，与人和小鼠中癌症抗性增加有关。GHR 跨膜域中的 Lue284 在四足动物中高度保守，但在大鼠耳蝠及部分其他蝙蝠中则缺失。所以，GH-IGF1 信号的降低可能是长寿蝙蝠癌症抗性的一个影响因素。其他导致该现象的候选者包括参与 DNA 损伤检查点的蛋白如 ATM，RAD50，KU50，DNA-PK 以及参与 NF- κB 通路的蛋白。

最大的哺乳动物：大象和鲸鱼

不同的物种可能需要不同数量的突变 hits 才会导致肿瘤，即那些大型以及长寿的动物进化出了其他的抗癌机制来弥补细胞数量增长带来的患癌风险。对于5-10 kg 的动物，如之前所说，它们发展出了复制性衰老来抑制癌症，那么对于更大型的物种，如大象和鲸鱼呢？
最近有两个研究组同时发现大象基因组中 TP53 有19个额外的拷贝，这些多出来的拷贝看起来都是假基因，包含各种不同的缺失，其中一些是通过邻近转座元件的启动子实现转录的。所有这些额外的拷贝均丢失了 DNA 结合区域和核定位信号，因此不能作为转录因子发挥作用。值得注意的是，大象细胞中，p53 依赖的 DNA 损伤应答加强，导致细胞凋亡诱导的增加。虽然 TP53 新形式作用的具体机制尚未可知，但推测是通过结合野生型 p53 或者内源抑制剂 E3 泛素化连接酶 MDM2 蛋白来稳定野生型 p53 蛋白，也有可能还有其他新的作用。另外，大象 TP53 拷贝看起来经过了正向选择，表明它们确实在发挥作用。
大象细胞对遗传毒性压力的敏感性的增强，使其在细胞癌变前就将它们清除，可能也是一种抗癌机制。但是，如果细胞凋亡导致的细胞死亡过于频繁，会使得组织中的干细胞和前体细胞数量变少，增加细胞替代的必要性。所以，加强的细胞凋亡应答需要有其他的机制来平衡，以防止干细胞提前耗尽。如果在小鼠中转入额外的野生型 Trp53 拷贝，能够阻止癌症形成，并防止早衰；而当同时转入 Cdkn2 基因时，小鼠不仅表现出癌症抗性，其寿命中位数也增加了。
对一些鲸鱼的基因组进行测序后发现它们中并没有像大象那样存在 TP53 重复，意味着鲸鱼当中存在不同于大象的新抗癌机制。比较基因组学和转录组学研究发现弓头鲸经过正向选择的基因于癌症和衰老有关，另外弓头鲸中特异存在的差异表达的基因参与胰岛素信号通路。正向选择基因包括 ERCC1，编码 DNA 修复蛋白，以及 UCP1，编码棕色脂肪组织中的线粒体蛋白。另外研究还发现有基因存在拷贝数增加和减少，如 PCNA 的重复。ERCC1 和 PCNA 均参与 DNA 修复，可能通过降低突变率来避免癌症，所以鲸鱼不需要额外的 TP53 拷贝，因为它们的细胞不会积累造成癌症的突变。
另外，大型哺乳动物较慢的代谢也可能使得细胞损失和突变较少，所以导致癌症发生率较低。但目前还没有数据表明代谢是否以及如何影响这些物种的癌症发生率。

各物种突变率

各物种在 DNA 突变率上的差异被认为是癌症风险的重要决定因素。不同物种间生殖系突变频率差异较大，当比较系统进化树上 DNA 序列的差异时，能看到像灵长类等长寿物种的变化要慢于寿命较短的啮齿类。不过，早期受限于较少可用的基因组，一些结果看起来会相互矛盾，因为它们没有考虑世代时间和代谢速率。当直接比较人和小鼠生殖系基因组中后代新出现的碱基替换时，发现人的生殖系突变率更低；类似的，体细胞突变率也是如此。考虑到突变是导致癌症发展的最主要因素，物种间自发突变率的差异可能解释了为什么长寿和短命物种患癌风险存在差异。
决定突变率的主要因素是 DNA 修复的保真度，而越来越多的证据表明抗癌且长寿的物种具有更高效的 DNA 修复机制。有研究报道给定一定数量的 DNA 损伤，长寿物种能更高效地产生 p53结合蛋白1，意味着更强的 DNA 损伤检测效果。另外，基因组和转录组结果表明长寿动物中参与 DNA 修复的基因高表达或呈现出正向选择特征。

Concluding

抗癌机制有些是不同物种间共享的，有些则是某个物种特有的，这种多样性是由于不同系统发育组依据其生存环境和习性等需要更高效的抗癌机制导致的独立演化。通过向自然界中已存在的抗癌机制学习，可能能为我们带来新的癌症预防和治疗的方法。

REF

Seluanov A, et al. Mechanisms of cancer resistance in long-lived mammals. Nat Rev Cancer. 2018, 18:433-441. doi: 10.1038/s41568-018-0004-9.