結直腸癌中腫瘤微環境對上皮細胞間質轉化的調控機制研究

嚴雪冰(綜述)，金志明，朱慶超(審校)

(上海交通大學附屬第六人民醫院普外科，上海 200233)

結直腸癌是人類常見的惡性腫瘤，該疾病在世界范圍內每年造成約61萬例患者死亡[1]。其中大部分患者的死亡原因與結直腸癌的遠處轉移有關。目前，越來越多的研究表明，結直腸癌的發展和轉移與上皮細胞間質轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)有關。EMT是指上皮細胞在一定條件下獲得間質細胞表型的過程。在這個轉化過程中，細胞表面上皮標志物上皮鈣黏素和細胞角蛋白表達下調，間質標志物(波形蛋白、纖連蛋白等)表達上調,導致上皮細胞失去頂-底極性,細胞遷移和侵襲能力增強。因此,EMT在結直腸癌的侵襲和轉移中起著重要作用。

腫瘤微環境是指腫瘤產生和生存的環境，由多種細胞、胞外基質和胞外多種腫瘤分泌的細胞信號分子及酸性、低氧等理化環境組成。Brabletz等[2]通過研究β聯蛋白在細胞內定位發現，腫瘤微環境可以誘導腫瘤細胞發生EMT。在腫瘤微環境中，細胞因子、低氧狀態、腫瘤干細胞及相關信號通路對結直腸癌的EMT均有調控作用。

1 細胞因子通過誘導EMT促進結直腸癌發生、發展

近年來研究表明，結直腸癌的發病與炎性細胞因子和免疫細胞因子關系密切[3]。潰瘍性結腸炎、克羅恩病等炎癥性腸病通過刺激轉化生長因子β(transforming growth factor β,TGF-β)、白細胞介素(interleukin，IL)6、核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)、信號轉導與轉錄激活子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)等細胞因子，誘導腸上皮發生EMT,促進結直腸癌發生和發展。

TNF-α是由巨噬細胞分泌的一種炎性因子，參與調節癌基因的激活、DNA損傷、腫瘤轉移等過程。相關研究表明，TNF-α與結直腸癌的進展和轉移有密切關系[4]。蝸牛蛋白(Snail)是EMT中重要的轉錄調節因子，TNF-α可以通過激活Atk信號或者抑制Snail與糖原合成酶3β的結合來上調Snail的表達，從而誘導EMT[5]。TNF-α與另TGF-β共刺激也可以加速結腸上皮的EMT進程，這主要是由于TNF-α的刺激可以使腸上皮細胞對TGF-β的修飾作用更敏感[6]。TGF-β作為一個已知的EMT誘導因子，在結腸腫瘤中與整聯蛋白αvβ6形成的反饋循環可以維持EMT整個過程，從而創造一個更適合腫瘤進展的微環境。

NF-κB通過結合Snail基因啟動子區域從而上調其轉錄，誘導EMT的發生。相關研究表明，在炎癥相關腫瘤中 NF-κB還可以阻止具有惡化趨勢的上皮細胞凋亡[7]。此外，NF-κB和STAT3的協同作用也促進了炎癥相關腫瘤的產生和轉移。STAT3不僅具有活化NF-κB的作用，還可以通過調節鋅指增強子結合蛋白1抑制上皮鈣黏素啟動子活性，誘導EMT[8]。

近來研究發現，IL-6與其受體結合后停留在細胞表面并能借助胞內TGF-β信號通路促進上皮細胞向間質細胞轉化[9]。IL-8被證實與EMT有關且可以與Snail共同激活結腸癌干細胞[10]；IL-11、IL-23通過激活STAT3誘導結腸上皮細胞發生癌變，其他炎性因子，如IL-12、IL-13等在炎癥性腸病發展中也參與腫瘤形成過程。然而，細胞因子對EMT的調控網絡及分子機制十分復雜，該調控網絡中的關鍵節點需要未來更深入的研究。

2 組織缺氧通過誘導EMT促進結直腸癌細胞侵襲和轉移

組織缺氧不僅影響腫瘤代謝、血管生成、固有免疫、干性誘導，而且被認為是促進腫瘤轉移的重要微環境因素之一。在缺氧的條件下，結直腸癌細胞獲得EMT的特征，并從基膜游離出來。然后通過上調整聯蛋白α2和α5、膠原蛋白及纖維連接蛋白的表達，癌細胞離開原來的缺氧環境進入周圍組織的脈管系統，最后上調趨化因子受體4的表達，遷移至富有基質細胞衍生因子1α的器官(如肝)，形成結直腸癌的遠處轉移[11]。同時，缺氧狀態下過度表達的缺氧誘導因子1α不僅可以調節結直腸癌細胞的存活、增殖和代謝，還可以誘導EMT。有報道證實，缺氧誘導因子1α既可以直接誘導上皮鈣黏素的下調，并且上調間質細胞標志物[12]；也可以通過激活靶基因Snail下調維生素D受體,進而抑制上皮鈣黏素和1，25(OH)2-D3-24羥化酶表達，從而阻斷上皮細胞的分化并誘導EMT過程[13-14]。此外，組織缺氧還可以使Na+/H+交換子調節因子1(Na+/H+exchanger regulating factor 1,NHERF1)表達上調，過度表達的NHERF1與缺氧誘導因子1α作用可以活化相應的信號通路，促進上皮細胞向間質轉變，最終使結直腸癌細胞更富有侵襲性和轉移性[15]。

3 腫瘤干細胞與EMT的關系

研究表明，腫瘤干細胞與EMT存在著緊密聯系[16]。在結腸癌中，癌細胞可以通過Ⅰ型膠原誘導發生EMT，造成細胞間黏附減少、上皮鈣黏素表達下調，同時還發現這部分癌細胞中干細胞標志物CD133和Bmil表達增加[17]；而EMT相關蛋白β聯蛋白通過調節細胞內轉錄因子Brachyury來影響干性標志物Nanog的表達，有助于細胞獲得腫瘤干細胞的特性[18]。由此可見，EMT不僅賦予細胞遷移和侵襲的特征，還可以促使腫瘤獲得干細胞的特性，從而促使腫瘤干細胞的產生[19]。

腫瘤干細胞同時也具有誘導EMT的能力，Belton等[20]在結腸癌中發現腫瘤干細胞所富含的轉錄因子高遷移率族蛋白1可以通過調節EMT相關基因Twist1和波形蛋白促進結腸癌的發生、發展。而干性標志物CD44v6也可以通過上調間質標志物促進結腸癌細胞轉移和侵襲[21]。由此可見，EMT和腫瘤干細胞在結直腸癌的進展和轉移中存在著相互作用，兩者之間的聯系將是未來腫瘤靶向治療的研究重點之一。

4 腫瘤微環境中參與EMT過程的信號通路

目前認為，結直腸癌細胞發生EMT是腫瘤微環境中作用因子和腸癌細胞相互作用的結果，作用因子通過與細胞表面特異受體結合將細胞外信號轉入細胞內，通過細胞內的TGF-β、Wnt、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B,PI3K/Akt)等信號轉導途徑，活化Snail、Twist等核內轉錄因子，調節下游基因的表達，上皮細胞向間質轉化，最終介導正常上皮細胞轉化為結直腸癌細胞。

4.1TGF-β信號通路 TGF-β信號通路需要依賴Smad途徑或非依賴Smad途徑誘導EMT。在依賴Smad途徑中，Ⅰ型TGF-β受體和Ⅱ型TGF-β受體形成復合物，從而導致Smad2和Smad3的磷酸化，磷酸化的Smad2/3和Smad4形成轉錄復合物并激活EMT相關的靶基因；而非依賴Smad途徑則通過p38、Akt、PI3K等信號級聯發揮作用。TGF-β信號通路不僅可以調節細胞生長、分化、增殖，還可以通過改變腫瘤微環境幫助結直腸癌細胞侵襲和轉移[22]。在結直腸癌微環境中，腫瘤細胞和癌相關成纖維細胞作用并激活TGF-β信號，上調TGF-β1和金屬基質蛋白酶的表達，最終促進腫瘤細胞遷移和侵襲；而上述過程導致TGF-β1的過表達也可以反過來激活TGF-β信號，進而在微環境中形成一個反饋循環促進結直腸癌發生、發展[23]。此外，在結直腸癌肝轉移時，TGF-β信號通路在誘導EMT同時還能賦予細胞腫瘤干細胞表型[24]。

4.2Wnt信號通路 目前研究較為透徹的Wnt信號通路在結直腸癌的侵襲和轉移中發揮著重要作用。首先，當Wnt/β聯蛋白信號激活時，β聯蛋白移位至細胞核，并與T細胞因子/淋巴增強子結合因子家族的DNA連接蛋白形成復合物，激活下游EMT相關基因(如Snail、Slug、Twist等)，促進結直腸癌細胞侵襲和轉移；其次，研究發現Wnt信號通路參與調節緊密連接蛋白1，進而破壞細胞間緊密連接，使腸上皮細胞富有遷移性[25]；再次，Wnt信號通過上調EMT相關基因抑制miR-101的表達，而miR-101是結腸癌中一個重要的腫瘤抑制分子[26]；最后，Wnt信號通路在結直腸癌EMT過程中與NF-κB、PI3K/Akt等通路還存在協同作用。

4.3PI3K/Akt信號通路 研究證實，PI3K/Akt信號通路與結直腸癌EMT有密切關系。通路中Akt信號通過糖原合成酶3β的磷酸化，促進Snail在細胞核積聚，抑制上皮鈣黏素的表達，進而誘導EMT。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是其下游另一個重要的效應分子，Gulhati等[27]通過實驗發現沉默mTOR復合物(mTORC1、mTORC2)可以增加細胞間連接、下調間質標志物的表達，認為mTORC1和mTORC2是EMT的一個重要調節分子；而在TGF-β介導的EMT中，PI3K/Akt/mTOR通路與TGF-β通路還存在協同作用。此外，PI3K/Akt信號可以促進胞核中NF-κB抑制蛋白的降解，導致NF-κB p65蛋白核移位和環加氧酶2的表達上調，最終促進結直腸癌EMT的進展。

4.4絲裂原激活蛋白激酶信號通路 絲裂原激活蛋白激酶信號通路通過上游的癌基因鼠類肉瘤濾過性毒菌致癌性同源體B1或Ras的突變,以不同的方式誘導結腸癌發生EMT。在鼠類肉瘤濾過性毒菌致癌性同源體B1突變時，絲裂原激活蛋白激酶激酶通過特異鳥苷酸交換因子和鳥苷三磷酸酶激活蛋白激活Ras同族蛋白A,同時抑制上皮鈣黏素，促進細胞遷移和侵襲；而在Ras突變時，絲裂原激活蛋白激酶/細胞外調節蛋白激酶激酶激活下游的Jun/Fos/激活蛋白1,上調波形蛋白和整聯蛋白α6，最終誘導腸上皮細胞發生EMT[28]。研究還發現，在Ras突變的結腸癌細胞Caco-2中，組蛋白的修飾作用可以激活絲裂原激活蛋白激酶信號，進而下調細胞周期蛋白D和上皮鈣黏素[29]，提示表觀遺傳改變在絲裂原激活蛋白激酶信號介導的EMT中發揮著重要作用，這將為未來靶向治療研究提供的新切入點。

5 展 望

當今國內大多數研究將注意力集中在腫瘤本身，而忽視了腫瘤微環境的重要性。腫瘤微環境不僅在腫瘤起始、惡性進展和轉移擴散中發揮極其重要的作用，而且是腫瘤抵抗化療和放療的主要因素之一。雖然腫瘤微環境是一個復雜的系統，但是正因為其復雜性及對EMT的調控作用，為結直腸癌的靶向治療提供了許多可能的靶點和途徑。在對結直腸癌微環境的最新研究中，發現了許多具有前景的治療靶點，這都為針對EMT的分子靶向藥物的研究提供了依據。然而仍面臨問題很多，靶點的精確定位、藥物的選擇、患者的個體差異等，這都是結直腸癌靶向治療可能存在的問題。但是，隨著人們對腫瘤微環境研究的不斷深入，通過靶向腫瘤微環境抑制EMT的新一代抗腫瘤藥物將憑借其特有的優勢，成為未來結直腸癌治療的新方法。

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