Hallmarks of Cancer 癌症標記的流變：2000, 2011, 2022 與未來何去何從？

文 │ 吳懷珏（內科住院醫師）

去年2022年一月 Hallmarks of Cancer 第三篇出來後，便下定決心開始好好地把 2000 [1], 2011 [2], 與 2022 [3] 年癌症標記（Hallmarks of Cancer, HoC）這三篇讀完。網路上有數篇文章與影片在介紹 HoC，卻又讓人覺得流於字面上的翻譯而未能深入評析，便想要用這篇文章好好梳理自己讀下來的心得。

如果事先不知道或不熟悉癌症標記，可以先參考 The Investigator Taiwan 的文章 [4]。我也順手請 ChatGPT 幫忙評析癌症標記的流變，答案出來講得頭頭是道但連基本事實都不正確（千幸萬幸自己的人腦尚未完全被取代？），那這篇文章自然有存在的必要。

2000 年 Hallmarks of Cancer 只有 6 個，ChatGPT 卻列了 7 個。

癌症之輪不斷地滾動 O Oncona

（背景音樂：Carmina Burana by Carl Orff）

Hallmarks of cancer 最早在 2000 年被 Douglas Hanahan 與 Robert A. Weinberg （沒錯，就是 The Biology of Cancer 的那位作者）提出來。目的是盡可能地提出一個模型來呈現腫瘤相關的訊號傳遞與迴路。當時腫瘤和醫學生一樣都只被要求有六大核心能力（大誤），到了 2011 年時，除了肯定了前述六大標記的定位，再加上了四個標記：兩個 emerging hallmarks 與 enabling characteristics，組成十個 hallmarks，而且更提出這些 hallmarks 有可以逐一對應的治療：

取自 2011 年 Hallmarks of Cancer

到了 2022 年，更增加到了十四個 hallmarks，往更為複雜的路邁進。2022 年的作者也從兩位變成一位，Dr. Hanahan 寫道：Hallmarks of cancer 概念是個用來了解癌症複雜性的「啟發式」(heuristic) 認知架構 (conceptual scaffold)。

我自己讀起來的感覺是：2000 年太多未知、2022 年擠出來新的四個 hallmarks 證據不全乃至有些勉強感，而 2011 年的最為完整。

2011 年版前面幾段回顧了 2000 年的 hallmarks，並且將 2000–2010 年間各個 hallmark 的發展再複習了一次。high-throughput DNA sequencing 在 2000–2010 年間分析許多癌細胞來試著解碼 additional downstream pathways，讓我們感受到技術演進對 hallmarks 理解的貢獻。

這邊有個接龍的例子，在 Self-Sufficiency in Growth Signals 這個 2000 年的 hallmark 中提到 survival-promoting PI3K enables growth signals to concurrently evoke survival signals within the cell，在 Jiang and Liu, 2009 與 Yuan and Cantley, 2008 的研究後，2011 年把 PI3K 編列至 PI3K/AKT/mTOR pathway 中，又因表觀遺傳學 (epigenetics) 研究的進步，發現 PTEN lost of function 是由於 promotor methylation 造成的，因此導致 PI3K signaling 不受負迴饋管控，讓過往的 hallmark 可以在這類的研究接龍中更為立體。然而，2011 年也提到仍有許多控制 mitogenic signal 機轉上的未知，即使 2010–2020 single cell RNA sequencing, multiomic profiling 大盛其道，2022 年卻也（很讓人失望地）沒有像 2011 年做到如此全面的回顧。

癌症標記的細項 Details in Each Hallmarks

1. Self-Sufficiency in Growth Signals (2000) / Sustaining Proliferative Signaling (2011, 2022)：主要機轉為生長因子過剩 (growth factors, e.g. PDGF, TGF-alpha)、生長因子受器異常 (GF receptors, e.g. EGFR, HER2)，生長有關的負迴饋機轉被打壞 (e.g. Ras, B-raf, PI3K, PTEN)
2. Insensitivity to Antigrowth Signals (2000) / Evading Growth Suppressors (2011, 2022)：細胞內部讓細胞從靜止態G0到複製生長態的異常 (e.g. pRb, CDKN2B, TGFβ-SMAD pathway)、細胞外部的接觸抑制 (contact inhibition) (e.g., merline, E-cadherin)。2000年還有 avoiding differentiation 這個機轉，後來在 2022 年被獨立出來成為另一個 hallmark “Unlocking phenotypic plasticity”。
3. Evading Apoptosis (2000) / Resisting cell death (2011, 2022)：因為發現了 apoptosis 以外的機轉，如 autophagy, necrosis 等，便將過往只強調 apoptosis 的 hallmark 正名成 resisting cell death，而 Apoptosis 機轉的確也在 2000–2010 有著長足的進步，進而讓我們更了解 oncogenesis。Apoptosis 相關的突變有最為著名的 TP53，另外還有重要的蛋白質如 Ras, PTEN, Bcl-2。而 autophagy 則有 BECN1，Necrosis 則牽涉到 IL-1α 等 cytokine。
4. Limitless Replicative Potential (2000) / Enabling Replicative Immortality (2011, 2022)：2011 年把 Limitless 改成 enabling，不知道是不是 limitless 這個語彙太過誇大。機轉上牽涉到 telomere 與 telomerase 的功能，然後再度與 pRB 和 p53 的失能有關系。
5. Sustained Angiogenesis (2000) / Inducing Angiogenesis (2011) / Inducing or accessing vasculature (2022)：除了 angiogenic signals or receptors (e.g. VEGF, VEGFR, FGF1) 的角色外，其他的 oncogenes 也可能促進 angiogenic factors expression，如 Ras, MYC。
6. Tissue Invasion and Metastasis (2000) / Activating Invasion and Metastasis (2011, 2022)：講到這個 Hallmark 便一定會提到 Epithelial–mesenchymal transition (EMT)，前面講的 E-cadherin 再度跑出來，還有 N-cadherin, integrins。一些腫瘤相關扮演著協力者的角色更加被重視 (e.g. Macrophage, mesenchymal stem cells)
7. Genome instability and mutation (2011, enabling)：重點在於 TP53 是個 guardian gene。在此之後還有 microsatellite instability (MSI) 的發展但很可惜地 2022 年沒有特別再 review。我會推薦大家讀 Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes [5] 的一些研究成果來補 hallmarks of cancer 的不足。
8. Tumor-promoting inflammation (2011, enabling)：tumor infiltrating lymphocytes (TILs) 與 myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) 的重要性被提出來，雖然說發炎仍有許多未知，這也是一個開始強調免疫在腫瘤生成中角色的重要 hallmark。
9. Reprogramming energy metabolism (2011, emerging) / Deregulating cellular metabolism (2022)：不少腫瘤走的是 aerobic glycolysis (Warburg-effect)，而這種代謝的產物則可能進一步地促成癌化或腫瘤增長 (e.g. “oncometabolite” D2HG)，以及一些代謝產物則可能抑癌 (e.g. αKG)。牽涉到的蛋白質與基因有 HIF, IDH, GLUT1 等。
10. Evading Immune destruction (2011 emerging, 2022)：前面講到發炎可能會引發癌變，但過少的發炎也可能讓癌細胞無法被清除。這邊同樣也是把 TILs, MDSC, Treg 拿出來，再畫出發炎機轉與癌症的聯結。
11. Unlocking phenotypic plasticity (2022, enabling/emerging)：主要有 dedifferentiation (back to progenitor cell state), blocked differentiation (e.g. APL, AML with t(8;21)), 與 transdifferentiation (我們常講的 tissue metaplasia 如 Barrett’s esophagus)。相關機轉在前面的 hallmarks 2 與 6 都有提及。
12. Nonmutational epigenetic reprogramming (2022, enabling/emerging)：老實說這個 hallmark 在先前的每個 hallmark 裡面都可能有表觀遺傳的異動，把它拿出來有點像是直接拿 transcription/translation 這件事充當一個 hallmark，太過模糊。把它列出來的優點是它能對應到的治療有 hypomethylating agents 如 5-azacytidine 和 HDACi。
13. Polymorphic microbiomes (2022, enabling/emerging)：大部份在談 gut microbiota，沒有特別講 lung or oral or other tissues 的 microbiota。機轉上大多以 hallmark 8 “Tumor-promoting inflammation” 與 9 “Reprogramming energy metabolism” 為主。
14. Senescent cells (2022, enabling/emerging)：這個 hallmark 的存在看似與 hallmark 4 “Enabling Replicative Immortality” 衝突，它主要的機轉則是透過 Senescence-associated secretory phenotype (SASP) 分泌不少 chemokines, cytokines, proteases 讓細胞可以取得 hallmark capabilities，甚至還可以從 SASP 變回 fully viable oncogenic cells，稱為 “transitory senescence” 。

分久必合合久必分的標記？

我們可以看到一個 pathway 在 Oncogenesis 中會有不只一個機轉，2000 將 TGF-beta 放在 Insensitivity to Antigrowth Signals，2011 也提到該 pathway 也會影響 EMT 以及進行 tumor evasion。這同樣的基因，包括 KRAS, MYC, NOTCH, TP53 也橫跨數個 hallmarks。Hallmarks 與 hallmarks 之間彼此包藏、互相容納，兩個 hallmarks 可以看似衝突（發炎／抑炎都可促癌／抑癌、老化／抗老化也可以是癌症標記）地存在，同個物質在不同階段功能大異其趣（TFG-beta 早期抑癌、晚期促癌），都讓我們知道癌症機轉出奇地複雜。

2000年在 Limitless Replicative Potential 這個 hallmark 中講 senescence avoidance 作為一種可以不斷自我複製的機轉，2011 回顧 excessive growth signal 這個 hallmark 時，提到會有細胞操勞到衰老的狀況 (senescence)，而且這類衰老的細胞也可能進一步地參與癌化。2022 年更把這個 senescence 的現象拉出來，成為一個新的 hallmark/characteristic。

在講多種 Hallmarks 的 Interaction 時，2000 年整理出 Parallel Pathways of Tumorigenesis，而 2011 用 節點與分支 (nodes and branches) 的 intracellular circuitry 的方式來呈現。

2011 curcuits of hallmarks

這些機轉也可能會彼此對抗，形成反反負迴饋。分子機轉也可能功能重疊 (functional redundancy)，只有其中一個蛋白壞掉的話，不會立刻癌化，要兩個都壞才會出事。表示這兩個蛋白所負責的的功能極為重要。然而，腫瘤也保留了「餘裕」，這種 partially redundant signaling pathways 會讓一些 pathway 在用藥下被篩選出來。

下個十年的 Hallmarks of Cancer

從癌症之輪六個進展到十四個，腫瘤微環境 (tumor microenvironment, TME) 也從化約觀點變得複雜：

2011 HoC

從 2022 年加進來的新的四個 hallmarks 中看得出有幾項頗為勉強（裡面的機轉可以被先前的 hallmarks 取代），未來再增加 hallmarks 不知道會不會更有這種強弩之末感，還是 Hanahan 可能會想更大刀闊斧地重整過往這十四個 hallmarks 並精簡成更化約的版本？

三篇都強調的 TME，是否也暗示著我們應該用更高的維度來看待機轉？像 Hallmarks of cancer 這種帶有大敘事 (grand narratives) 野心的論述會不會也會面臨後現代科學家們的解（ㄆㄛˋ）構（ㄏㄨㄞˋ）而乾脆不再推陳出新？

我想，對 Dr. Weinberg 與 Dr. Hanahan 而言，他們在寫這個 Hallmarks of cancer 時也是時時謹記著科學家的謙虛，在文句中不時可看到他們誠惶誠恐地表達不清楚之處。他們寫道：

…these were largely unknown, lacking validation…

…the interaction is still far beyond our reach

We remain perplexed…

(this diagram) … are currently rudimentary.

即使如此，我還是對 2030s 的 hallmarks of cancer 滿懷期待。如果可以的話，我想許願：不求新的 hallmarks 推出，光是將原有的 hallmarks 加以更新、擴充、整理，乃至提出一個 hallmarks 互動的機轉圖，就足以讓我們這些小小的科學家用一生的時間來埋首其中了。

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[1] Hanahan, D., & Weinberg, R. A. (2000). The hallmarks of cancer. cell, 100(1), 57–70.

[2] Hanahan, D., & Weinberg, R. A. (2011). Hallmarks of cancer: the next generation. cell, 144(5), 646–674.

[3] Hanahan, D. (2022). Hallmarks of cancer: new dimensions. Cancer discovery, 12(1), 31–46.

[4] 癌症生物學 (Cancer Biology) 專題 (上) — The Investigator Taiwan. (2013). Retrieved 3 June 2023, from https://investigator.tw/856/%E7%99%8C%E7%97%87%E7%94%9F%E7%89%A9%E5%AD%B8-cancer-biology-%E5%B0%88%E9%A1%8C-%E4%B8%8A/

[5] 【重點整理】全球重磅計畫癌症全基因定序揭密 (Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes)：同名首篇. (2020). Retrieved 3 June 2023, from https://gemwu.medium.com/%E9%87%8D%E9%BB%9E%E6%95%B4%E7%90%86-%E5%85%A8%E7%90%83%E9%87%8D%E7%A3%85%E8%A8%88%E7%95%AB%E7%99%8C%E7%97%87%E5%85%A8%E5%9F%BA%E5%9B%A0%E5%AE%9A%E5%BA%8F%E6%8F%AD%E5%AF%86-pan-cancer-analysis-of-whole-genomes-%E5%90%8C%E5%90%8D%E9%A6%96%E7%AF%87-a4c61a6036e5