打开肿瘤早期演进“黑匣子”：科学家构建转基因小鼠癌症模型，在肿瘤早期干预上具有巨大潜力

“当时我们课题组刚刚成立，需要从零开始搭建平台。最早从美国带回来的一批工具鼠，是过年的时候我自己开车从成都双流机场接到川大动物中心的。华西校区动物笼位紧张，一开始需要在离实验室十几公里的江安校区饲养小鼠，虽然会给大家补贴交通费也可以打车往返，但是同学们还是非常辛苦。不过，当看到荧光信号和活体成像信号的时候，大家都非常激动。那是一种终于做出世界上其他人没想过、也没做到过的东西的感觉。”四川大学华西生物治疗国家重点实验室教授表示。

图 | 汪源（来源：）

春节期间依然在忙科研、往返十几公里养小鼠...... 和团队的所有努力都没有白费。前不久，他们的论文发在 Nature Cancer 上。

研究中，等人利用基因编辑的手段，构建了两种转基因小鼠，它们可以指示活细胞内的突变 p53 蛋白水平，可以通过化学发光或荧光激发的方法，捕获深层组织中突变 p53 高积累的微量细胞。

在此基础之上，该团队建立了多种由突变 p53 驱动的转基因小鼠肿瘤模型，涵盖脑瘤、肉瘤、淋巴瘤等多种恶性实体瘤。

从而能在小鼠肿瘤形成的前两个月内（相当于人类年龄 4-8 年），在组织病理无明显异常、癌前细胞比例小于千分之一的情况下，以特异性的方式来标记和区分突变 p53 高积累的癌前细胞，并能追踪肿瘤发生发展的全过程。

进一步地，课题组重点探索了基于突变 p53 经典模型的恶性淋巴瘤，通过单细胞转录组测序技术，鉴定了淋巴瘤癌前细胞的关键信号通路异常，并证明通过对早期癌前细胞进行靶向治疗，可以有效预防肿瘤的发生。

研究中，通过对突变 p53 分子功能进行可视化，他们在多器官的病理正常组织中，针对低丰度癌前细胞实现了标记、示踪和靶向干预，为理解肿瘤发生早期阶段的演进和调控机制带来重要工具，展示了在肿瘤早期干预治疗上的巨大潜力。

由于 p53 突变在人类肿瘤中广泛存在，也在很多小鼠肿瘤模型中充当驱动突变的作用，因此本次研究建立的研究范式，能被推广用于研究更多肿瘤类型的早期演进机制和防治策略。同时，希望把本次研究数据与临床样本分析结合，开发可用于体检的肿瘤早筛早治技术。

日前，相关论文以《利用蛋白水平突变 p53 报告系统在正常组织中识别和靶向微量癌前细胞克隆》（）为题发在 Nature Cancer（IF 22.7），四川大学华西医院助理研究员/博士后姚朋乐博士、生物治疗国家重点实验室肖鹏博士和黄宗瑶博士为论文共同一作，担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Cancer）

p53 领域的先驱、美国科学院院士圭利米纳·罗扎诺（）教授是论文审稿人之一。其评价称：“这些 p53 新模型是无价的，对癌前细胞的追踪结果是可信的。”

两千多年前，中国最早的医学典籍《黄帝内经》就提出“上医治未病，中医治欲病，下医治已病”，即医术最高明的医生并不是擅长治病的人，而是能够预防疾病的人。

恶性肿瘤严重危害着人类健康，终末期肿瘤的治疗面临诸多挑战，因此，肿瘤早诊早治是改善患者预后、延长患者生存期的关键。

这就得深入了解癌症发生的早期事件，以便挖掘特异的诊断标志物与有效的早期干预靶点。但是，由于临床上大部分肿瘤的癌前病变样本较为缺乏，再加上现有小鼠肿瘤模型的局限，导致如下问题长期处于“黑匣子”状态：即人们依然不知道肿瘤早期演进中，那些发生恶性转变的癌前细胞，到底是如何动态演化为终末期肿瘤的。

而如何在病理正常组织中观察、追踪并分离这些最终会成瘤的早期恶变细胞，是癌症生物学领域的难点之一，也是实现早诊早治策略的前提。

p53 是一款明星抑癌基因，被称为“基因组的守护者”。在 50% 以上的肿瘤中 p53 均会发生突变。

此前，就发现：突变之后的 p53 蛋白，在包括癌前细胞在内的恶变细胞中的高积累，具有特异性地标记癌前细胞标志物的潜力。

然而，在传统的突变 p53 检测中，往往依赖于对组织切片进行免疫组化染色，无法对活细胞进行分离和分析，这让针对肿瘤早期演进的研究遭遇极大限制。

自 1979 年人类首次发现 p53 以来，尽管 p53 的相关论文已经超过 11 万篇，但是在体内反映活细胞内突变 p53 蛋白水平的报道，一直处于空白状态。

而本次课题最早发端于在美国密歇根大学读博期间。当时，他在 Cancer Cell 联合发表了一篇论文。在那项研究之中，他和合作者在恶性脑胶质瘤模型中，观察到突变 p53 蛋白不仅会在终末期肿瘤中高度积累，也会在病理正常脑组织癌前细胞中高度积累。

于是，开始思考能否利用突变 p53 蛋白的高积累，去分离和分析这些癌前细胞。但在当时并不存在这样的模型，与导师以及其他专家交流之后，他们也认为技术难度很大。

（来源：Nature Cancer）

2016 年归国之后，在四川大学建立了自己的实验室，并开展了多个课题，而本次课题是风险最大的一个。

原因在于，转基因小鼠构建和成瘤周期都很长，并没有把握一定能做出想要的模型。

一开始，团队设计的是突变 p53+ 荧光融合蛋白的模式，后与百奥赛图公司合作，历经多次失败的尝试之后，终于在 2017 年构建了 p53-mCherry 荧光融合报告基因鼠，观察到了其在肿瘤和癌前细胞中的高积累，并将其成功用于癌前细胞的流式分选。

至此，模型已经符合研究预期。不过，这个模型并不能准确告知癌前细胞何时开始出现，以至于课题组只能通过多时间点地大量收集早期样本来寻找这些细胞。

那么，能否利用活体成像技术去指示癌前细胞出现的时间？2018 年，日本理化学研究所的研究人员在 Science 发表一篇论文。

日本研究人员通过遗传工程优化的方式，打造出一种新型荧光素酶/荧光素系统（AkaLuc/AkaLumine-HCL），该系统的发光效率和穿透性是传统荧光素酶/荧光素系统（Luc/Luciferin）的 100-1000 倍，可以标记深层组织中的微量细胞。

看到这篇论文之后，团队非常兴奋，随后他们立即着手构建基于 p53R172H-Akaluc 的小鼠模型，后于 2019 年成功构建两款小鼠模型。

从癌前细胞出现、到形成肿瘤的全过程，上述模型都可以对其进行活体追踪，并且可以精确地模拟突变 p53 蛋白的行为和功能。

这时，试图探索新的研究方向：即癌前细胞有什么分子特征？有没有可靶向的信号通路预防？能否通过预防性治疗抑制肿瘤发生？

他表示：“我在回国之后和学生们一起建立了单细胞测序和生物信息学分析平台，利用这些技术和分析手段，我们在单细胞/单克隆水平回答了前面两个问题。”

在此基础之上，他们使用抑制剂来靶向癌前细胞的氨基酸转运通路，最终观察到了非常好的肿瘤预防效果，并将论文发在 Nature Cancer 上。

在论文发表之后，课题组目前正在推进新的方向：一是继续优化本次模型系统，通过基因编辑构建更复杂的新模型，从而提高信噪比和灵敏度；二是利用本次系统来解析更多恶性肿瘤的早期演进机制，尤其是解析癌前细胞与微环境细胞互作的机制；三是利用四川大学华西医院的临床样本资源，把本次模型和临床样本加以结合，最终找到能用于临床的肿瘤早期标志物和治疗靶点。

参考资料：

1.Yao, P., Xiao, P., Huang, Z. et al. Protein-level mutant p53 reporters identify druggable rare precancerous clones in noncancerous tissues. Nat Cancer 4, 1176–1192 (2023). https://doi.org/10.1038/s43018-023-00608-w