TGF-β/Smad信號通路在胰腺癌上皮間質轉化過程中的作用

姚瑤 林堃 黃浩杰 李兆申

·綜述與講座·

TGF-β/Smad信號通路在胰腺癌上皮間質轉化過程中的作用

姚瑤 林堃 黃浩杰 李兆申

胰腺導管腺癌( pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC)發病率逐年升高，早期診斷困難，5年生存率低，死亡率高，目前的治療效果仍不理想[1-3]。PDAC具有間質比重大，乏血供的特征，癌周間質與癌細胞相互作用促進胰腺癌進展[4]，上皮-間質轉化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)在其中起著關鍵的作用。因此，眾多研究將腫瘤的治療針對誘導細胞發生EMT的關鍵因子轉化生長因子-β(transforming growth factor beta，TGF-β)。本文就TGF-β/Smad信號通路在胰腺癌EMT過程中的作用進行綜述。

一、EMT過程

EMT的概念最早于1982年由Greenburg和Hay[5]提出，EMT是指在某些特殊的生理或病理條件下，上皮細胞失去了與基底膜的連接等上皮表型，極性消失，獲得較高的遷移與侵襲、抗凋亡和降解細胞外基質(extracellular matrix，ECM)的能力等間質表型，即轉變為具有活動能力、能在ECM中移動的間質細胞的過程。它分為3種類型[6]：第一種是原腸胚胎時期，原始的上皮細胞發生EMT,參與多細胞生物胚胎發育和器官形成；第二種是內皮或上皮轉化為組織成纖維細胞，參與組織的傷口愈合和器官纖維化等過程；第三種是上皮來源的細胞失去極性轉化為具有侵襲和遷移運動能力的腫瘤細胞。有研究認為發生EMT的細胞能夠在類似于人體內基底膜的基質膠上生長并穿透基質膠，提示EMT可能是腫瘤細胞突破基底膜浸潤性生長的一個重要機制[7-8]。

二、TGF-β/Smad信號通路的組成及其在EMT中的作用

目前發現EMT涉及的一些通路主要有TGF-β/Smad通路、Wnt/β-catenin通路、PI3K/AKT通路、Notch通路等。其中TGF-β在誘導EMT過程中的作用已經比較明確，是誘導EMT的主要因子之一，主要通過Smad和非Smad信號通路誘導腫瘤細胞發生EMT，與腫瘤侵襲轉移密切相關[9-11]。

TGF-β是廣泛存在于細胞間且具有多種生物學效應的細胞因子，對細胞及機體的發育、增殖、分化、凋亡、血管生成、間質形成、代謝等功能起到關鍵作用[12]。機體多種細胞均可分泌非活性狀態的TGF-β。在體外，非活性狀態的TGF-β可通過酸處理活化；在體內，酸性環境可存在于骨折附近和正在愈合的傷口，蛋白本身的裂解作用也可活化TGF-β。一般在細胞分化活躍的組織常含有較高水平的TGF-β，如成骨細胞、腎臟、骨髓和胎肝的造血細胞。TGF-β通過與3個高親和性受體Ⅰ型受體(TβRⅠ)、Ⅱ型受體(TβRⅡ)、Ⅲ型受體(TβRⅢ)相結合，才能啟動跨膜信號，發揮生物學效應。Smad蛋白是TGF-β信號轉導通路的始動因子。目前已發現至少9種Smad蛋白,從結構和功能上分為3個亞型：受體調節性Smad，包括Smad1、2、3、5、8；共同介導性Smad，如Smad4；抑制性Smad，如Smad6、7等。

在體內具有生物活性的TGF-β蛋白同轉化生長因子結合蛋白(laetnt TGF-β binding portein，LTBP)結合后轉變為無活性狀態，并分泌到ECM[13]。在ECM中通過蛋白酶分解等作用，TGF-β同LTBP解離恢復活性。活化的TGF-β首先與TβRⅡ在細胞外結合，TβRⅡ通過調節TβRI胞質區的GS結構域的絲氨酸/蘇氨酸磷酸化激活TβRI,活化后的TβRI使下游的信號分子Smad2/3發生磷酸化，再進一步與Smad4形成復合物進入胞核，調節相應靶基因轉錄，引起緊密連接蛋白、上皮生物標志物E-cadherin等表達下調，間質生物標志物蛋白表達上調，使上皮來源的腫瘤細胞失去極性呈現纖維樣表型，黏附能力下降，細胞遷移和侵襲能力增強[14]。國內外均有大量文獻報道，在肝臟、肺、腎臟、乳腺和胰腺等器官中，TGF-β/Smad信號通路可通過誘導EMT過程促進腫瘤的發生和轉移[15-18]。

三、胰腺癌EMT與TGF-β/Smad信號通路的關系

1．TGF-β信號通路在胰腺癌發展過程中的作用：近年來遺傳學及表觀遺傳學研究發現，從正常胰腺導管上皮到上皮內瘤變，以及最終進展為胰腺癌的過程中存在一些表達顯著改變的基因如K-ras、p53、Smad4、p16等[19-21]。Smad4是TGF-β信號通路的關鍵分子，且TGF-β信號通路在胰腺癌的間質形成、ECM沉積中起關鍵作用[22]。TGF-β1在腫瘤發生發展過程中具有兩面性，在胰腺癌早期TGF-β1可以使細胞停留在G1期抑制細胞增殖，發揮抑癌作用；當胰腺癌進展后，Smad4發生突變失活，TGF-β1依賴Smad4的抑癌作用被阻擋，此時腫瘤細胞自身分泌大量的TGF-β1使上皮細胞出現間質化改變，進而促進胰腺癌生長、侵襲及轉移[23-24]。

2．胰腺癌間質的成分與特點：間質是腫瘤細胞間及其周圍的組織，包含成纖維細胞、星狀細胞、血管神經、炎癥細胞、免疫細胞等多種成分[25]，在胰腺癌發展過程中參與形成腫瘤細胞的微環境，間質內部各種成分之間及間質與腫瘤細胞間均存在信號通路之間的相互作用，共同參與腫瘤發生、發展及藥物抵抗等過程[26-28]。多項研究證實上皮細胞是胰腺癌腫瘤間質中纖維成分的重要來源之一，而TGF-β信號通路在EMT過程中起到了核心作用[29]。

3．TGF-β/Smad信號通路參與胰腺癌EMT并促進腫瘤發展：在胰腺癌間質形成過程中，間質與胰腺癌細胞的相互作用稱為促結締組織增生反應(desmoplastic reaction，DR)。腫瘤細胞通過旁分泌方式分泌的配體可以激活間質中TGF-β信號通路，促進ECM沉淀。國內外均有文獻報道TGF-β信號通路參與間質的起源[30-32]。目前認為胰腺癌間質有多種來源，主要包括已存在的間質細胞、間充質干細胞轉分化、EMT、腫瘤干細胞分化而來。體外實驗發現TGF-β可以誘導纖維母細胞表達成纖維細胞標志物并且使其具有成纖維細胞的形態特征，還可以通過活化癌周的間質細胞，促進腫瘤細胞募集間質細胞形成腫瘤血管[33]。有學者報道在胰腺癌細胞株及手術切除的胰腺癌組織中發現EMT現象的存在[34]。大量的信號通路包括TGF-β、Wnt、Hh、PDGF等都參與胰腺癌間質形成過程并促進腫瘤的進展。Sannino等[35]發現胰腺癌細胞中上皮細胞標記物β-catenin的協同因子BCL9L表達水平升高，并通過TGF-β信號通路誘導EMT，從而導致胰腺癌的進展，而敲除該基因可抑制腫瘤細胞的生長和肝轉移。Thakur等[36]發現p53的一種同源蛋白Tap73在胰腺癌中過表達，并促進胰腺癌的發展，在小鼠胰腺癌模型中發現Tap73缺失增加了EMT程度，進一步證明了Tap73的缺失可通過上調Bgn、Sma及Smad等TGF-β信號通路的關鍵蛋白的表達水平和活性從而促進EMT的發生，導致腫瘤發展。Zhao等[37]研究發現一種抑制腫瘤生長的因子miRNA-34a及其下游靶基因Sirt1和Notch1通過調節EMT相關基因表達參與EMT過程，從而促進慢性胰腺炎向胰腺癌的發展。Lin等[38]認為鈣調蛋白家族成員之一Tagln2在胰腺癌的增殖和侵襲過程中起重要的調節作用，TGF-β/Smad信號通路可通過Smad受體磷酸化誘導Tagln2在胰腺細胞的高表達，從而促進胰腺癌的轉移。

四、展望

胰腺癌具有間質比例高、成分多等特征，在腫瘤發展過程中由于基因累積突變，間質與腫瘤細胞相互作用，不斷改變腫瘤微環境以利于腫瘤生長。TGF-β1信號通路參與了由正常胰腺導管上皮轉變為胰腺癌的過程。近年來學者們熱衷研究的TGF-β/Smad信號通路為探索胰腺癌侵襲轉移機制、尋找新的診斷分子標記物和治療靶點提供了很有前景的研究方向。但由于TGF-β/Smad信號通路調控機制復雜，涉及相關基因數量眾多，眾多研究報道的結果仍眾說紛紜。因此，還需要更多、更加深入的關于TGF-β/Smad信號通路介導胰腺癌EMT作用機制的研究，從而進一步闡明胰腺癌發生發展的機制，為胰腺癌侵襲轉移的分子干預提供潛在的作用靶點，以期在基因水平實現治療目的。

[1] Siegel RL, Miller KD, Jemal A. Cancer statistics, 2016.[J].CA Cancer J Clin, 2016, 66(2): 7-30.DOI: 10.3322/caac.21332.

[2] Li D, Xie K, Wolff R, et al. Pancreatic cancer[J].Lancet, 2004, 363(9414): 1049-1057.

[3] Chen W, Zheng R, Baade PD, et al. Cancer statistics in China, 2015[J].CA Cancer J Clin, 2016, 66(2): 115-132.DOI: 10.3322/caac.21338.

[4] Mahadevan D, Von Hoff DD. Tumor-stroma interactions in pancreatic ductal adenocarcinoma[J].Mol Cancer Ther, 2007, 6(4): 1186-1197.

[5] Greenburg G, Hay ED. Epithelia suspended in collagen gels can lose polarity and express characteristics of migrating mesenchymal cells[J].J Cell Biol, 1982,95(1):333-339.

[6] Singh P, Wig JD, Srinivasan R, et al. A comprehensive examination of Smad4, Smad6 and Smad7 mRNA expression in pancreatic ductal adenocarcinoma[J].Indian J Cancer, 2011, 48(2): 170-174.DOI: 10.4103/0019-509X.82876.

[7] Singh P, Srinivasan R, Wig JD. Major molecular markers in pancreatic ductal adenocarcinoma and their roles in screening, diagnosis, prognosis, and treatment[J].Pancreas, 2011, 40(5): 644-652.DOI: 10.1097/MPA.0b013e31821ff741.

[8] Brunetti O, Russo A, Scarpa A, et al. MicroRNA in pancreatic adenocarcinoma: predictive/prognostic biomarkers or therapeutic targets?[J].Oncotarget, 2015, 6(27): 23323-23341.

[9] Padua D, Massague J. Roles of TGF-beta in metastasis[J].Cell Res, 2009, 19(1): 89-102.DOI: 10.1038/cr.2008.316.

[10] Garamszegi N, Garamszegi SP, Samavarchi-Tehrani P, et al. Extracellular matrix-induced transforming growth factor-beta receptor signaling dynamics[J].Oncogene, 2010, 29(16): 2368-2380.DOI: 10.1038/onc.2009.514.

[11] Piersma B, Bank RA, Boersema M. Signaling in fibrosis: TGF-beta, WNT, and YAP/TAZ converge[J].Front Med (Lausanne), 2015, 2: 59.DOI: 10.3389/fmed.2015.00059. eCollection 2015.

[12] Haddad A, Kowdley GC, Pawlik TM, et al. Hereditary pancreatic and hepatobiliary cancers[J].Int J Surg Oncol, 2011, 2011: 154673.DOI: 10.1155/2011/154673.

[13] Cowan RW, Maitra A. Genetic progression of pancreatic cancer[J].Cancer J, 2014, 20(1): 80-84.DOI: 10.1097/PPO.0000000000000011.

[14] Rustgi AK. Familial pancreatic cancer: genetic advances[J].Genes Dev, 2014, 28(1): 1-7.DOI: 10.1101/gad.228452.113.

[15] Singh P, Srinivasan R, Wig JD, et al. A study of Smad4, Smad6 and Smad7 in surgically resected samples of pancreatic ductal adenocarcinoma and their correlation with clinicopathological parameters and patient survival[J].BMC Res Notes, 2011, 4: 560.DOI: 10.1186/1756-0500-4-560.

[16] Birnbaum DJ, Mamessier E, Birnbaum D. The emerging role of the TGFbeta tumor suppressor pathway in pancreatic cancer[J].Cell Cycle, 2012, 11(4): 683-686.DOI: 10.4161/cc.11.4.19130.

[17] Leung L, Radulovich N, Zhu CQ, et al. Loss of canonical Smad4 signaling promotes KRAS driven malignant transformation of human pancreatic duct epithelial cells and metastasis[J].PLoS One, 2013, 8(12): e84366.DOI: 10.1371/journal.pone.0084366.

[18] Javle M, Li Y, Tan D, et al. Biomarkers of TGF-beta signaling pathway and prognosis of pancreatic cancer[J].PLoS One, 2014, 9(1): e85942. DOI: 10.1371/journal.pone.0085942.

[19] Lui PY, Jin DY, Stevenson NJ. MicroRNA: master controllers of intracellular signaling pathways[J].Cell Mol Life Sci, 2015, 72(18): 3531-3542.DOI: 10.1007/s00018-015-1940-0.

[20] Yang P, Zhang Y, Markowitz GJ, et al. TGF-beta-regulated MicroRNAs and their function in cancer biology[J].Methods Mol Biol, 2016, 1344: 325-339.DOI: 10.1007/978-1-4939-2966-5_21.

[21] Frampton AE, Giovannetti E, Jamieson NB, et al. A microRNA meta-signature for pancreatic ductal adenocarcinoma[J].Expert Rev Mol Diagn, 2014, 14(3): 267-271.DOI: 10.1586/14737159.2014.893192.

[22] Bloomston M, Frankel WL, Petrocca F, et al. MicroRNA expression patterns to differentiate pancreatic adenocarcinoma from normal pancreas and chronic pancreatitis[J].JAMA, 2007, 297(17): 1901-1908.

[23] Ali S, Saleh H, Sethi S, et al. MicroRNA profiling of diagnostic needle aspirates from patients with pancreatic cancer[J].Br J Cancer, 2012, 107(8): 1354-1360.DOI: 10.1038/bjc.2012.383.

[24] Erkan M, Michalski CW, Rieder S, et al. The activated stroma index is a novel and independent prognostic marker in pancreatic ductal adenocarcinoma[J].Clin Gastroenterol Hepatol, 2008, 6(10): 1155-1161.DOI: 10.1016/j.cgh.2008.05.006.

[25] Gore J, Korc M. Pancreatic cancer stroma: friend or foe?[J].Cancer Cell, 2014, 25(6): 711-712.DOI: 10.1016/j.ccr.2014.05.026.

[26] Neesse A, Algul H, Tuveson DA, et al. Stromal biology and therapy in pancreatic cancer: a changing paradigm[J].Gut, 2015, 64(9): 1476-1484.DOI: 10.1136/gutjnl-2015-309304.

[27] Provenzano PP, Hingorani SR. Hyaluronan, fluid pressure, and stromal resistance in pancreas cancer[J].Br J Cancer, 2013, 108(1): 1-8. DOI: 10.1038/bjc.2012.569.

[28] Hwang RF, Moore T, Arumugam T, et al. Cancer-associated stromal fibroblasts promote pancreatic tumor progression[J].Cancer Res, 2008, 68(3): 918-926.DOI: 10.1158/0008-5472.

[29] Izumchenko E, Chang X, Michailidi C, et al. The TGFbeta-miR200-MIG6 pathway orchestrates the EMT-associated kinase switch that induces resistance to EGFR inhibitors[J].Cancer Res, 2014, 74(14): 3995-4005. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-14-0110.

[30] Zhu Z, Xu Y, Zhao J, et al. miR-367 promotes epithelial-to-mesenchymal transition and invasion of pancreatic ductal adenocarcinoma cells by targeting the Smad7-TGF-beta signalling pathway[J].Br J Cancer, 2015, 112(8): 1367-1375.DOI: 10.1038/bjc.2015.102.

[31] Spaeth EL, Dembinski JL, Sasser AK, et al. Mesenchymal stem cell transition to tumor-associated fibroblasts contributes to fibrovascular network expansion and tumor progression[J].PLoS One, 2009, 4(4): e4992.DOI: 10.1371/journal.pone.0004992.

[32] Lee JM, Dedhar S, Kalluri R, et al. The epithelial-mesenchymal transition: new insights in signaling, development, and disease[J].J Cell Biol, 2006, 172(7): 973-981.

[33] Chen J, Chen G, Yan Z, et al. TGF-beta1 and FGF2 stimulate the epithelial-mesenchymal transition of HERS cells through a MEK-dependent mechanism[J].J Cell Physiol, 2014, 229(11): 1647-1659.DOI: 10.1002/jcp.24610.

[34] Choi JH, Hwang YP, Kim HG, et al. Saponins from the roots of Platycodon grandiflorum suppresses TGFbeta1-induced epithelial-mesenchymal transition via repression of PI3K/Akt, ERK1/2 and Smad2/3 pathway in human lung carcinoma A549 cells[J].Nutr Cancer, 2014, 66(1): 140-151.DOI: 10.1080/01635581.2014.853087.

[35] Sannino G, Armbruster N, Bodenh?fer M, et al.Role of BCL9L in transforming growth factor-β (TGF-β)-induced epithelial-to-mesenchymal-transition (EMT) and metastasis of pancreatic cancer[J].Oncotarget,2016,7(45):73725-73738. DOI: 10.18632/oncotarget.12455.

[36] Thakur AK, Nigri J, Lac S, et al.TAp73 loss favors Smad-independent TGF-β signaling that drives EMT in pancreatic ductal adenocarcinoma[J].Cell Death Differ,2016,23(8): 1358-1370.DOI: 10.1038/cdd.2016.18.

[37] Zhao G, Cui J, Zhang JG, et al.SIRT1 RNAi knockdown induces apoptosis and senescence, inhibits invasion and enhances chemosensitivity in pancreatic cancer cells[J].Gene Ther, 2011,18(9):920-928.DOI: 10.1038/gt.2011.81.

[38] Lin H, Sun LH, Han W, et al.Knockdown of OCT4 suppresses the growth and invasion of pancreatic cancer cells through inhibition of the AKT pathway[J].Mol Med Rep, 2014,10(3):1335-1342.DOI: 10.3892/mmr.2014.2367.

(本文編輯：屠振興)

10.3760/cma.j.issn.1674-1935.2017.01.019

200433 上海，第二軍醫大學長海醫院消化內科

李兆申，Email: zhsli@81890.net;黃浩杰，Email:pea1920@hotmail.com

2016-04-12)