1953年，James Watson和Francis Crick发现DNA双螺旋结构，揭示了生物界遗传信息结构与流动的奥秘，构筑了中心法则，并由此开启了激动人心的分子生物学时代。人们有理由相信，癌症就是由于基因突变引起的。实际上，癌细胞里的确存在着不同程度的基因突变。由此，在这个谈癌色变的年代，我们时时刻刻都被灌输着基因突变导致癌症这个假说。但这是一个让人生无所望的假说。它的灌输，首先营造出一种强大的恐惧气氛，使得人人自危、惶恐不安。其次它告诉人们，癌症是一个不可逆的过程。一旦患上就被判处死刑，踏上不归之路。那么，基因突变是否就是引起癌症的主因呢？今天就从另一个角度追踪求源，探微癌症的发生机制。

     1969年，Mckinnell在顶级学术刊物《科学》上发表文章，简单明快地否定了基因突变致癌这个假说。根据基因突变致癌理论，如果把已经突变完备的癌细胞的细胞核移植到正常细胞中，用以替换正常的细胞核，这种癌核嵌合的杂合细胞应该发育成肿瘤或癌团。事实上，当他们除去青蛙受精卵的细胞核，将青蛙肾癌细胞核移植其中构成癌核嵌合的受精卵后，他们观察到的是正常的蝌蚪。实验结果与理论预测大相庭径！

     如果以为这是孤例，那就错了。科研人员随后使用不同种类癌细胞的细胞核做实验，在另一个物种小鼠上也陆续地重复了Mckinnell在青蛙上得到的结果 (Li L et al 2003; Hochedlinger K et al 2004)。即使使用完整的畸胎瘤的癌细胞，将它们注入正常发育的囊胚中，Mintz等人也得到了正常发育的小鼠胚胎 (Mintz et al 1975)。这些研究结果，首先明确且毫无例外地否定了基因突变致癌的思想。其次，即使基因突变了，能否发展成癌症，基因(细胞核)外围环境起决定性作用。最后也是最让人遐想的，就是癌变的细胞是可以逆转的。

     细胞由储存遗传信息的细胞核和其外围的细胞质组成。那么，在细胞质众多的细胞器中，是什么细胞器决定细胞癌变的走向呢？这当中最令人注目的无疑就是线粒体了。线粒体是细胞的能量工厂，是细胞的发动机。于是，Kaipparettu等人(2013)使用正常细胞的线粒体替换恶性骨癌细胞的线粒体，发现骨癌细胞的癌性–––不死性、抗凋亡性、侵移性等都消失了，体内、体外莫不如此。分子生物学研究进一步发现，正常的线粒体不仅下调了癌细胞核的几条致癌途径 (oncogenic pathways)，如RAS , HER2， SRC等，而且还显著地上调了几个抑癌基因，如RB1， PTEN, VHL等。这个研究结果证明了线粒体与癌症的发生直接相关，而且癌变还可以通过线粒体进行逆转。 

     其实，早在约100年前的1920年代，德国科学家Otto Warburg就发现癌症是一种能量代谢异常的疾病，是线粒体病变 (Warburg et al 1927，Warburg 1956) 。原来线粒体利用葡萄糖产生能量时，有两条代谢途径 ，一是糖酵解途径，不需要氧，也叫厌氧呼吸。另一种是氧化磷酸化途径，需要氧，也称有氧呼吸。在糖酵解途径中，葡萄糖不完全分解，产生大量的乳酸和少量的能量。实际上它是一个发酵的过程。氧化磷酸化则完全分解葡萄糖，产生大量的能量和二氧化碳。二者的区别在于是否进入三羧酸循环。德国科学家、诺奖获得者Hans Kreb首先发现了三羧酸循环，故也称之为Kreb循环。Warburg发现，即使在有氧的情况下，癌细胞也采用糖酵解途径，即不通过三羧酸循环。它们大量摄取葡萄糖，通过代谢产生大量的乳酸 。每个癌细胞就相当于一个微型发酵罐。这个现象后来称之为Warburg效应。他本人也因此荣获1931年诺贝尔奖。

     Warburg观察到，当氧气比正常水平减少35%时，正常细胞48小时后就发生不可逆转的癌变。现代分子生物学研究表明，细胞在低氧或缺氧情况下，其低氧诱导因子基因(HIF1a)就会被激活。HIF1a是决定细胞走向癌变的调控中枢，它的激活是细胞癌变的开始 (Balamurugan  2016)。首先，HIF1切换了葡萄糖的代谢途径，使之从正常的氧化磷酸化转变为糖酵解，并分泌大量的乳酸。其次，HIF1a通过不同的信号通道激活细胞癌化的六大标志 事件 (Hanahan & Weinberg 2011)， 如上皮细胞-间质干细胞转化，癌干细胞形成，血管形成，转移侵润等。

     值得注意的是，乳酸与HIF1a形成一个信息闭路循环。也就是说，HIF1a启动糖酵解途径，产生乳酸。乳酸则反过来刺激HIF1a的表达，从而建立一个持续的且有助于细胞癌化的内外双稳环境。一般而言，正常组织液中乳酸的浓度为1.8-2.0 毫摩尔，而肿瘤中的浓度平均达到10毫摩尔。实测宫颈癌的浓度为4-40毫摩尔 (Walenta et al 2000)。肿瘤组织液的pH值一般为5.5-7.0 (Justus et al 2013)。在小鼠种植的肺癌肿瘤中，实测的pH值为6.0-6.5 (Xie et al 2014)。注意，这是组织液的pH值，不是血液的pH (7.35–7.45)。它们是两个不同的概念，不可混淆或被人误导。

     除了激活HIF1a、维稳癌化环境外，乳酸还是一个很重要的信号分子，而不仅仅是通常所认为的代谢废物 (Hirschhaeuser et al 2011)。在L6肌细胞系中它可以刺激673个基因提高表达量。这些基因主要与细胞生长，代谢，转录激活，信号传导，细胞凋亡，氧化应激等有关 (Hashimoto et al 2007)。在人乳癌MCF7细胞系中， 10毫摩尔的乳酸也可以刺激～4131个基因提高表达量 (Martinez-Outschoorn et al 2011)。表达量提高的基因属于组成细胞“干性” (stemness)的基因。其表达图谱最接近神经干细胞，但也带有胚胎干细胞的特征。也就是说，乳酸赋予了癌细胞的不死性！这是癌细胞最重要的标志性事件之一 (Hanahan & Weinberg 2011)。另外，乳酸影响组蛋白的乙酰化/去乙酰化，通过影响基因组的表观遗传学而导致染色体的不稳定性，从而增加基因突变几率(Dai et al 2013; Renolds et al 1996)。所以，癌细胞中的基因突变是细胞微环境影响的结果，而不是导致细胞癌变的最初起因。  

     在肿瘤微环境中，充斥着各种各样的免疫细胞。癌细胞能否顺利逃逸免疫防御系统，是癌变的六大标志事件之一(Hanahan & Weinberg 2011)。乳酸的一个重要作用，就是通过调节、抑制周围的免疫细胞，从而抑制免疫功能，逃逸免疫监管 (Yu et al 2013)。比如它吸引调节T细胞、抑制效应T细胞的免疫功能，从而侵蚀免疫系统。乳酸不仅抑制单核细胞向树状细胞分化，使之不能递呈癌细胞的抗原，从而抑制针对癌细胞的抗体的产生。而且它还抑制树状细胞和细胞毒T细胞分泌细胞因子，削弱它们的免疫功能。通常，激活的细胞毒T细胞也使用糖酵解途径进行能量代谢。但是，当癌细胞向周围排出大量的乳酸后，T细胞自己产生的乳酸就不能排出细胞外，导致其能量代谢受到抑制，从而抑制了T细胞的效应功能(Ficher et al 2007)。相反，调节T细胞 (Treg)的能量代谢不会受到乳酸和酸性环境影响，因为它们使用脂肪酸氧化产生能量。调节T细胞的作用实际上是帮助癌细胞逃避免疫系统的攻击。值得注意的是，T细胞的功能完全可以通过调节pH而得以恢复 (Calcinotto A et al 2012)！

     此外，乳酸还会引起T细胞和巨噬细胞产生IL-17，在肿瘤微环境中引起慢性炎症(Yabu et al 2011)，而慢性炎症也是癌症的起因之一。

     上皮细胞癌变后，需要失去正常细胞的接触抑制功能，形变为纤维状细胞，细胞间粘连性降低且具备溶解和清除其周围基质和细胞的能力，从而具备移动性。这个过程叫上皮细胞–间质干细胞转化(Kalluri & Weinberg 2009)。乳酸一个最重要的作用就是刺激金属蛋白酶的表达，溶解基质蛋白，从而使癌细胞具备移动性。而且，乳酸刺激细胞凋亡基因p53的表达，引起周围细胞进行细胞凋亡，从另一个方面增加癌细胞的移动性。有众多的致癌途径如PI3K/ART, integrins, Src, Ras, Wnt/beta-catenin, Notch等参与上皮细胞–间质干细胞的转变过程(Larue & Bellacosa 2005)。而这些致癌途径的启动直接或间接地受到HIF1a的激活。所以乳酸通过HIF1a也间接地加强或启动了这些致癌途径。 

     具备移动性的癌细胞下一步就是向远端扩散。它们首先从上皮层解离，穿过基质膜到达临近组织。然后进入血管，存活的癌细胞随血液流到远端并钻出血管，生长扩增，并促进血管形成。在这个过程中，乳酸通过刺激癌细胞产生蛋白酶溶解基质而方便癌细胞的每一步转移。在新的地方，癌细胞产生的乳酸则可刺激周围的内皮细胞，分泌IL-8/CXCL8, 促进血管生成与成熟 ，为癌细胞提供营养 (Polet F et al 2013；Dhup et al 2012)。

      2011年，Hanahan & Weinberg在顶级杂志《细胞》上总结了细胞癌变的六大标志。它们分别是: 1). 提供生长信号( Signalling for proliferation); 2). 侵蚀生长抑制 (Evading growth suppressors ); 3). 抵抗细胞死亡 ( Resisting cell death); 4). 赋予无限复制能力( Enabling replicative immortality); 5). 诱导血管形成( Inducing angiogenesis); 6). 激活侵润和转移( Activating invasion & metastasis)。正是由于乳酸直接或间接地参与了细胞癌化的各个方面，难怪San-Millan & Brooks (2017)把癌症的形成全怪罪于乳酸， 是乳酸导致了肿瘤的形成。

值得注意的是，当体内葡萄糖缺化时，癌细胞可以高效地利用谷氨酰胺产生能量。重要的是谷氨酰胺还可以通过苹果酸–丙酮酸产生乳酸，从而维持肿瘤微环境 (San-Millan & Brooks 2017)。谷氨酰胺含量最为丰富的食品就是肉类。

     近些年来，对Warburg效应的研究可谓进展空前。搜索美国卫生部的国家生物技术信息中心网站(NCBI, National Center of Biotechnology Bioinformation)，PubMed Central收录有关Warburg 效应的研究文献超过2万多篇，而关于乳酸和癌症的研究文献更是超过6万篇。有鉴于此，诺奖获得者、DNA结构发现人之一的James Watson在2016年5月12日接受《纽约时代》杂志采访时表示(Apple 2016)，定位引起癌症的基因历来“无济于事” ( remarkably unhelpful)，并表示如果今天他要进入癌症研究领域，他会学习生物化学而不是分子生物学。“直到两个月前，我从不觉得有必要学习Kreb循环。现在意识到不得不学了”。作为分子生物学的奠基人，他的这番表态无疑表明癌症治疗目前存在着重大的缺陷。

后记:

     拙文在征询有关专家们的修改意见过程中，有专家建议增补一节关于改善肿瘤微环境、特别是提升肿瘤微环境的pH值对癌症治疗裨益非凡的作用。但为了避免不必要的争论与麻烦，简文特此从略。有关这方面的研究进展，作为起点，有兴趣的读者可以参阅下列文献: Silva et al 2009; Robey 2009; Ibrahim-Hashim et al 2012 ; Chao M et al 2016 等。

致谢: 

     在成文过程中，小文曾邀请中美加六位专家审阅与点评，在此一并致谢。

参考文献

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Balamurugan K 2016 Int J Cancer 138: 1058-66

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Dai C et al 2013 PLoS One 8 e63054

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