SMAD3對消化道惡性腫瘤調控作用的研究進展

李西沙　唐慧　劉中建　郭強

【摘要】 消化道惡性腫瘤的發生及進展機制一直是國內外研究的熱點。SMAD3作為一種受體調節型蛋白，參與了癌癥信號通路，對多數消化道惡性腫瘤的增殖、遷移及侵襲等起著重要的調控作用，與腫瘤患者的預后密切相關。本文就SMAD3的結構功能、其在消化道惡性腫瘤中的作用機制的最新研究做一綜述，以對SMAD3有更全面的了解。

【關鍵詞】 SMAD3 消化道惡性腫瘤 癌基因

Research Progress on the Regulatory Effect of SMAD3 on Gastrointestinal Malignant Tumor/LI Xisha， TANG Hui， LIU Zhongjian， GUO Qiang. //Medical Innovation of China， 2023， 20（36）： -164

[Abstract] The occurrence and progression mechanism of gastrointestinal malignant tumor have been the focus of research at home and abroad. As a receptor regulated protein， SMAD3 is involved in cancer signaling pathway and plays an important regulatory role in the proliferation， migration and invasion of most gastrointestinal malignant tumor， which is closely related to the prognosis of tumor patients. In this paper， the structure and function of SMAD3 and its mechanism of action in gastrointestinal malignant tumor are reviewed， so as to have a more comprehensive understanding of SMAD3.

[Key words] SMAD3 Gastrointestinal malignant tumor Oncogene

First-author's address： School of Medicine， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2023.36.036

腫瘤的發生發展是一個復雜多步驟的生物學過程，多基因參與了腫瘤的調控，在腫瘤的調控網絡中存在著一些關鍵基因。SMAD3是SMADs蛋白家族的成員之一，屬于受體調節型SMADs[1]。SMAD3在多種腫瘤中異常表達，調控諸多腫瘤惡性生物學行為，SMAD3在不同腫瘤的發生發展中發揮重要作用。由于SMAD3在不同類型消化道腫瘤扮演不同的角色，以及其作用機制的復雜性，其與消化道惡性腫瘤之間的關系已逐漸成為研究的熱點。因此，本文以SMAD3在不同類型的消化道惡性腫瘤作用機制的復雜性為切入點，深入探討SMAD3的結構、生物學功能及其在消化道惡性腫瘤中的作用機制，就最新的研究做一綜述。

1 SMAD3的分子結構

SMAD3基因定位于核染色體15q21-22，其編碼的蛋白由425個氨基酸組成，在其N-末端和C-末端具有高度相似的氨基酸序列，分別稱為DNA結合區的MAD同源1（MH1）結構域、具有細胞質錨點SARA（用于受體激活的SMAD錨點）的MH2結構域[2-3]（圖1）。MH1功能域X射線晶體結構的分析顯示，在MH1的N-末端存在1個保守的11個殘基構成的β發夾，該β發夾序列特異性決定了DNA上CACA盒的特異性；MH2的C-末端存在一個保守的磷酸化SSXS基序（即ser-ser-x-ser序列）和L3loop結構，SSXS基序是SMAD3蛋白活化的關鍵，L3loop結構決定著SMAD蛋白與轉化生長因子-β（TGF-β）受體特異性相互作用及穩定異源寡聚復合物作用，在N端還有一高度保守的核定位信號（nuclear localization signal，NLS）基序，含有NLS基序的孤立的SMAD3的MH1結構域可發生持續的核向轉位，NLS的任何突變都會中止這一轉位過程[4]。SMAD3的MH1區具有DNA結合活性；MH2結構域負責SMAD3的核出口，主要作用是抑制SSXS基序與其他SMAD蛋白、DNA結合蛋白和協同活化因子或協同抑制因子結合，具有轉錄活化作用，所以主要是信號轉導的功能性結構域[5]。在非活性狀態下MH1區和MH2區彼此相互作用，形成自我抑制，當受體被激活后，SMAD3形成異源寡聚體，并轉移至細胞核，當MH2區的Ｃ-末端SSXS基序被磷酸化后可以除去MH1的抑制作用[6-7]。

2 SMAD3的分子功能

SMAD3是TGF-β信號通路中重要的轉錄調控因子，可將TGF-β信號從細胞表面受體傳至細胞核，激活或抑制下游靶基因的轉錄[8]，參與調節各種生理和病理過程，如炎癥、分化、凋亡、免疫、纖維和致癌等[9]。SMAD3信號傳導可以抑制并分離巨噬細胞中促炎基因iNOS和基質金屬蛋白酶（MMP）-12的表達，抑制趨化因子MCP-1/CCL2的合成，進而減弱細胞凋亡和抑制蛋白酶驅動性發揮保護細胞的作用[10]。B淋巴細胞瘤-2（Bcl-2）具有明顯抑制細胞凋亡的作用，其上調是癌細胞逃避細胞凋亡最主要的原因，SMAD3可以直接與Bcl-2啟動子中富含GC的元件結合，可以抑制體內Bcl-2的轉錄狀態，誘導細胞凋亡[11]。周期蛋白依賴性激酶（Cdk）2和Cdk4可使SMAD3磷酸化，從而使其失活，進而導致細胞周期停滯[12]。免疫相關的MMP是細胞外基質（ECM）內的重要成分，能夠降解ECM的各種成分，是反映腫瘤侵襲轉移的重要指標[13]。SMAD3特異性抑制劑（SIS3）是一種合成的化學物質，它能夠減緩腫瘤的生長并且降低腫瘤內MMP的含量[14]。SMAD3磷酸化抑制后能夠降低MMP-9的表達，抑制腫瘤的生長。相關研究表明，SMAD3與MMP-9在腫瘤細胞中具有一定的有相關性，SMAD3磷酸化程度越高，MMP-9的表達越高[15]。

3 SMAD3在消化道惡性腫瘤中的作用

SMAD3的表達受到不同腫瘤組織和細胞類型的限制，發揮促癌或抑癌的作用。SMAD3在消化道惡性腫瘤中的研究結果有所差異，一些研究發現，其在多種消化道惡性腫瘤中起促進腫瘤生長轉移的作用，然而，一些研究發現SMAD3在消化道惡性腫瘤的生長轉移中起抑制作用。

3.1 SMAD3與胃癌

胃癌是世界范圍內的惡性腫瘤，其發病率和死亡率分別居于惡性腫瘤第五位和第四位[16]。胃癌在中國的發病率和死亡率均居于惡性腫瘤第三位[17]。有文獻報道，SMAD3的過表達可以減弱褪黑激素在胃癌細胞中的抑制作用，誘導胃癌的發生[16]，這表明SMAD3在促進胃癌方面有潛在的作用。Kim等[18]對442例胃癌術后組織進行免疫組化法檢查，發現SMAD3在胃癌組織中高表達，在癌旁組織中低表達；同時，單因素變量分析顯示，SMAD3過表達與5年無病生存率和總生存時間（OS）具有相關性；多因素變量分析顯示，SMAD3過表達與腫瘤類型、分化、分期、生存具有相關性，SMAD3過表達的患者具有較高的復發率和死亡率（P=0.003、0.005）。Wei等[19]發現SMAD3是miR-424-5p的直接靶標，體外研究表明SMAD3的過度表達可部分逆轉miR-424-5p對胃癌細胞增殖的影響。師艾麗等[20]通過30例胃癌和50例胃息肉患者的對照研究，發現在腫瘤組織中SMAD3表達水平降低，SMAD3的高表達有利于胃癌患者預后。體內試驗發現，在SMAD3基因缺陷的胃癌細胞系中轉染SMAD3基因可誘導腫瘤抑制活性。然而，有學者發現SMAD3在胃癌患者組織中低表達，且與生存率成負相關，進一步體外細胞實驗表明，（E）-SIS3可以通過下調SMAD3的表達來誘導AGS和MGC803細胞凋亡、抑制AGS和MGC803細胞的增殖和遷移[21]。這與SMAD3作為抑癌基因的作用是矛盾的，可能是因為SMAD3所參與的信號通路或合作的伙伴不同，因此所發揮的功能不同。該研究尚未進一步探討其具體發生機制，但也表明SMAD3是治療胃癌的重要靶點。

3.2 SMAD3與結直腸癌

結直腸癌是世界上最常見的癌癥之一，結直腸癌的發展是一個復雜的多步驟過程，包括從正常上皮進展為腺瘤性息肉，最后發展為惡性腫瘤[22-24]。汪發勇等[24]利用110例結腸息肉患者的息肉組織、40例結直腸癌組織及20例正常結直腸黏膜組織，通過免疫組化法，發現SMAD3在息肉組、結直腸癌組和健康對照組的陽性表達率分別為67.3%、35%、17%（P=0.000）；進一步研究發現，SMAD3在高危型腺瘤和Dukes A期結直腸癌的陽性表達率分別為68.0%、30%（P=0.024），表明SMAD3在結直腸腺瘤及癌變的演變中發揮重要作用，其具體機制未能有待更深一步的研究。Anasr等[25]對TCGA數據庫分析的結果報道，SMAD3在結直腸癌組織中顯示出低甲基化水平，其利用548例結直腸癌組織及癌旁組織，通過定量甲基化特異性聚合酶鏈反應（QMSP）測定，證實了結直腸癌組織中SMAD3出現的低甲基化發生率為91.4%（501/548），且出現SMAD3低甲基化的患者總生存率較低。同時其通過對15例結直腸癌患者及健康對照組的血漿進行QMSP檢測，進一步證實了結直腸癌患者SMAD3低甲基化水平。上述研究表明，SMAD3可作為早期預測結直腸癌的潛在生物標志物。

3.3 SMAD3與肝細胞癌（HCC）

有文獻報道，SMAD3參與抑制HCC的發生、發展，SMAD3是miR-17的直接靶點，miR-17靶向SMAD3后使HCC癌細胞阻滯在G1期，下調miR-17后促進肝癌的發展，其機制為miR-17通過與SMAD3的3UTR結合，在基因和蛋白質水平上抑制SMAD3的表達[26]。有文獻報道，HCC患者的5年總生存率為60%，5年復發率為80%～100%，為降低復發率，目前化療仍是抑制HCC復發的有效的治療方法。但是，隨著肝癌耐藥性的發生，化療的效果較之前降低，有研究發現，在肝癌細胞株中SMAD3轉錄激活可引起順鉑失去耐藥性，抑制肝癌細胞增殖、克隆形成及促進細胞凋亡，通過在Balb/c-順鉑治療的裸鼠中進行腫瘤形成測定，與對照組相比，皮下植入過表達的SMAD3小鼠顯示出腫瘤體積減小和重量減輕（P<0.05）；相反，植入缺失的SMAD3的肝癌細胞株的小鼠顯示出了相反的結果（P<0.05），體內實驗證明SMAD3過表達可促進順鉑對肝癌腫瘤的敏感性，而SMAD3缺失可抑制順鉑對肝癌治療的敏感性。其機制是SMAD3可通過誘導p21和抑制c-myc和bcl2來促進HCC細胞凋亡[27]。因此該研究表明，SMAD3可能是識別患者是否適合順鉑作為輔助治療的生物標志物。

3.4 SMAD3與胰腺癌

胰腺導管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma，PADC）屬于胰腺癌最常見的一種病理亞型，病死率極高，預后極差，5年總體生存率約為8%[28-30]。Yamazaki等[31]對12例PADC術后組織樣本表達譜進行了研究，發現SMAD3基因上調，可促進PADC的發生發展；同時該實驗還利用113例患者的術后組織，進行免疫組化分析，顯示SMAD3在PADC術后組織樣本高表達，進一步研究發現，通過添加外源的靶向SMAD3基因的小干擾RNA（siRNA），可改變癌細胞形態，降低癌細胞遷移和侵襲的能力（P<0.05），而SMAD3過表達則出現相反的效果（P<0.05）。該實驗還發現SMAD3基本積聚在腫瘤細胞核中，然而，在大多數胰管中的上皮細胞中未檢測到該基因表達，多因素回歸分析顯示SMAD3高表達是PADC預后不良的獨立事件。以上研究表明，SMAD3可作為PADC診斷及不良預后的潛在生物標志物。

3.5 SMAD3與其他腫瘤

SMAD3除與以上消化道腫瘤的發生、發展有關，還與其他一些惡性腫瘤密切相關。有文獻報道，SMAD3在肺癌組織和癌細胞中高表達，SMAD3低表達可抑制肺癌細胞株的遷移、侵襲、增殖和活力，其機制可能是SMAD3基因通過與其啟動子結合來促進PAX6轉錄活性[32]。Niu等[9]通過體內、體外實驗研究發現，敲低的SMAD3基因的表達，并與CDK抑制劑1（p21）的啟動子結合可下調p21的轉錄，增加G2/M期，增強肺癌放療的敏感性。在乳腺癌組織中，HPV16 E7基因可與SMAD2等相互作用阻斷SMAD3的轉錄活性，發揮抑癌作用[33]。Jia等[34]研究發現，抑制SMAD3基因表達可抑制Bcl-2的表達水平，進而抑制前列腺癌細胞的增殖和侵襲，促進細胞凋亡。Xia等[35]研究表明，SMAD3磷酸化可抑制MMP-9，抑制前列腺癌細胞的侵襲，進一步研究發現SMAD3的高表達與前列腺癌的復發和預后密切相關。有文獻報道，SMAD3是miR-195的直接靶點，miR-195在一定程度上通過直接靶向并下調SMAD3來促進子宮頸癌的進展[36]。Chen等[37]研究發現，SMAD3在子宮頸癌組織和細胞株中表達明顯增強，敲低SMAD3可抑制癌細胞數量、生存能力、遷移和侵襲，表明SMAD3可參與促進子宮頸癌發生和發展。

4 展望

在過去幾年中，有關SMAD3的信號網絡和生物功能在致癌過程中的認識有了長足的進步，SMAD3與消化道腫瘤的發生、發展密切相關。現有文獻顯示，SMAD3在消化道惡性腫瘤中更多地扮演著抑制腫瘤基因的角色，僅在少數腫瘤組織中，扮演著促癌的角色，在某些腫瘤中還表現出抑癌和促癌的雙重作用。已有的研究認為，SMAD3在不同類型的腫瘤中，甚至同一類型的腫瘤中表現出相反的調控作用，據推測，TGF-β/SMAD3介導的促轉移反應途徑一旦與腫瘤抑制作用脫鉤，就會發生促轉移反應，但其具體的分子機制尚無定論。目前關于SMAD3在腫瘤中的作用機制的研究相對單一淺顯。SMAD3的作用機制，以及SMAD3對消化道腫瘤發生和發展的信號調控網絡的完善，后續還需要大量的研究來深入揭示。通過綜述SMAD3在消化道惡性腫瘤方面的研究進展，以期隨著SMAD3在消化道惡性腫瘤方面的深入研究，SMAD3被更多的學者所了解，為基因診斷和治療消化道惡性腫瘤提供更廣闊的前景。

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（收稿日期：2023-03-24） （本文編輯：陳韻）