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CERNET第24届学术年会
选择字体:    《中国科学报》    发布时间:2015-01-06

科学家用数学方法解释癌症成因

  “为什么?”这是许多癌症患者被确诊后问的第一个问题。耗尽毕生精力试图回答这个问题的美国巴尔的摩市约翰斯·霍普金斯大学癌症遗传学家Bert Vogelstein说:“这是一个完全合理的问题。”凭借与一位应用数学博士的友谊,二人如今提出了一个框架,认为大多数癌症都是生物学上的坏运气导致的结果。这一研究成果将有助于科学家为不同类型癌症设计更有效的预防策略。

  Vogelstein与2013年进入该校生物统计学系的Cristian Tomasetti日前提出一个数学公式用于解释癌症的成因。

  它是这样运行的:采集一定数量的组织细胞,确定其中长命的干细胞的百分比,同时识别干细胞分裂了多少次。随着每一次分裂,每一个子细胞都有发生能够导致癌症的突变的风险。因此,Tomasetti和Vogelstein推断,一个组织发生的干细胞分裂次数越多,其受到癌症攻击的可能性就越高。当Tomasetti将数据汇总并将其与实际的癌症统计资料相比较后,他发现这一理论能够解释2/3的癌症。

  研究人员在1月2日出版的《科学》杂志上报告了这一研究成果。

  曾与Tomasetti和Vogelstein共事的哈佛大学研究数学与生物学的Martin Nowak表示:“利用数学的进化,你真的可以开发出一种理解疾病的模式。”他说:“这是作为一种需要进行细胞分裂的动物所面临的基线风险。”

  这一想法源自在Vogelstein的办公室进行的一次集体讨论。研究人员回到了一个古老的问题:有多少癌症源自于环境因素,又有多少癌症源自于遗传因素。Tomasetti说,为了解决这个问题,“我首先需要知道有多少出自于偶然”。

  研究人员报告说,癌症发生是由于组织干细胞在分裂中复制其DNA(脱氧核糖核酸)时出现随机错误,或者说突变,突变累积越多,细胞发生癌变的风险越大。为了解干细胞分裂时的突变、环境因素和遗传基因对癌症影响的大小,他们分析了31种人类组织中有关干细胞分裂的已发表数据,并与这些组织的癌症发生率进行比较。

  研究表明,人类组织内正常干细胞的分裂数与该组织癌症发生率之间的相关性达0.804,即高度相关。根据研究人员新开发的一个统计模型,组织的癌症发生率是这一相关性的平方,以百分比的形式表达就是65%。

  研究人员举例说,人类结肠组织的干细胞分裂次数比小肠组织多4倍。同样,人类结肠癌也比小肠癌要常见得多。而小鼠则相反,结肠干细胞分裂次数比小肠组织低。类似地,小鼠结肠癌症发生率低于小肠癌症发生率。

  进一步分析表明,上述31种组织中有22种癌症大体上可用干细胞分裂时的“坏运气”解释,包括胰腺癌、骨癌、卵巢癌和脑癌等,另外9种癌症发生率则高于按“运气不好”所作的预测。研究人员说,这9种癌症可能还要计入环境或遗传因素,比如肺癌还要考虑吸烟因素,皮肤癌还要考虑日晒因素。

  马里兰州贝塞斯达市国家癌症研究所副所长Douglas Lowy对这项研究表示赞同,但他同时指出,大量的“癌症是可以预防的,因此必须继续努力预防这种疾病”。

  尽管癌症的随机性可能令人恐惧,但这一领域也让人看到了积极的一面。荷兰乌特勒支市Hubrecht研究所干细胞与癌症生物学家Hans Clevers表示,新的框架强调“一般说来癌症患者是不幸的”。但“它帮助癌症患者知道”,这种疾病并不是他们的错。

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