转化生长因子β及其受体Smad信号通路与大肠癌研究进展

【关键词】 肠肿瘤;转化生长因子β;信号传递

文章编号:1003-1383(2009)05-0599-03

中图分类号:R 735.3+4文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1003-1383.2009.05.053

转化生长因子(transforming growth factorβ,TGFβ)是一类功能复杂的多肽类细胞因子超家族,包括TGFβ1~5,几乎体内的所有细胞都能产生并存在其受体。它不仅具有抑制上皮细胞和造血细胞的增殖,促进细胞凋亡的功能,还对多种上皮性肿瘤细胞(如肝癌、肺癌、大肠癌、胃癌、乳腺癌及前列腺癌等)的体外增殖起负向调控作用[1]。体内多种细胞都可合成TGFβ,并通过自分泌或旁分泌方式与细胞表面的膜受体结合而起作用。研究发现不同的细胞株对TGFβ的反应不同,并且存在着逃逸TGFβ负调控的现象。因此,TGFβ在肿瘤的发生、发展中是一把“双刃剑”,虽然TGFβ从抑癌作用转成促癌作用的机制以及转变阶段仍不十分清楚,但发现大肠癌患者存在TGFβ的高表达,与侵袭转移和预后密切相关[1~4]。本文就近年来TGFβ及其受体Smad信号通路对大肠癌的调控作用作一综述。

TGFβ及其受体与信号传递

TGFβ最初是从人血小板、人胎盘中分离纯化而来,由于其可诱导正常大鼠肾成纤维细胞(NRN)转化为肿瘤细胞,因而命名为TGFβ。TGFβ的活性结构是25KD的二聚体,由两条相同的12.5KD肽链依靠二硫键连接而成。TGFβ是一类具有多种生物学功能的多肽类生长因子超家族,包括TGFβ家族、Vg相关家族、抑制素/激活素家族。其中TGFβ家族有五种异构体,分别为TGFβ1、TGFβ2、TGFβ3、TGFβ4、TGFβ5。目前研究最为深入和活跃的是TGFβ1,其在细胞增殖与分化、间质形成、组织损伤修复、胚胎发育中均起重要作用。TGFβ存在于人和哺乳动物的多种正常体细胞、造血细胞和胚胎细胞中,许多转化细胞和肿瘤细胞均有TGFβ表达,其中TGFβ1占90%以上,活性最强。

TGFβ受体(TGFβ receptor,TβR)广泛分布于正常和肿瘤细胞表面,是一种跨膜糖蛋白,由胞外配基结合区域、信号跨膜元件和胞内Ser/Thr激酶区域组成。TGFβ糖蛋白受体有3种亚型,分别为TβRI、TβRⅡ、TβRⅢ型。TβRI型受体分子质量为65KD;TβRⅡ型受体分子质量为85110KD;TβRⅢ型受体分子质量为600KD,由2个分子质量为280～300KD的亚基组成,对受体克隆和定序分析后发现,I型受体和Ⅱ型受体具有丝氨酸/苏氨酸激酶部位。I型受体要有Ⅱ型受体同时参与才能与TGFβ1结合,而Ⅱ型受体不需要I型受体的存在即可与TGFβ1结合,但要有I型受体同时参与才能进行信号传递。Ⅲ型受体为β糖蛋白,其与TGFβ1有高亲和性,是TGFβ1的异侧复合体,负责将TGFβ1呈递给受体分子,Ⅲ型受体不直接参与信号的传递过程[5,6]。

TGFβ1作用机制与Smad蛋白结构

TGFβ1无论是通过自分泌途径还是通过旁分泌途径,都要与TGFβ受体结合才能发挥作用。TβRI型和TβRⅡ型受体都是由细胞外配体结合区和细胞内参与信号传递的具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性结构的区域所组成。有研究表明,TβRI型和TβRⅡ型受体形成的异二聚体在TGFβ信号传导中起主导作用。TGFβ1首先直接与TβRⅡ型受体结合,形成二元复合物。此时TGFβ1构象发生改变,从而可被TβRI型受体所识别并结合,形成TβRⅡTGFβTβRI复合物。TβRⅡ型受体胞内区高度保守,具有使自身磷酸化的激酶功能,可将胞内区的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化,磷酸化的TβRI型受体将信号放大并进一步向后传递,从而进一步作用于下游的Smad蛋白,产生相应的生物学效应[6,7,8]。

Smad蛋白是由Smad基因编码的相对分子质量为42～60KD的蛋白质分子,是TGFβ受体复合物的下游信号调节蛋白,存在于胞质中,可将信号由胞膜传导至胞核调节转录[8]。目前,在哺乳动物中已发现8种Smad蛋白,从结构和功能上分为3个亚型。①受体调节性Smads(RSmads),包括Smad1,2,3,5,8,作为TβRI激酶的底物,磷酸化活化后入核,转导特异性信号,调节特异基因的表达;②其介导性Smad(COSmad即Smad4),是不同亚型TGFβ诱导基因表达调控和随后抑制生长必需的关键转录因子,能与RSmads相互作用,形成异聚体;③抑制性Smads(ISmads),包括Smad6,7,作用为阻断RSmads磷酸化活化或干扰RSmads和COSmad形成异聚体,抑制和削弱TGFβ信号传导,对Smad的信号转导通路发挥负调控作用。当TβRI型受体被激活后,抑制性Smad才能与TβRI型受体结合。抑制性Smad与通路限制性Smad竞争性地与TβRI型受体结合,干扰通路限制性Smad与TβRI型受体的相互作用和磷酸化,从而抑制信号诱导,故在TGFβ信号转录中抑制性Smad系一种自身调节的负反馈信号[9]。

TGFβ及其受体与大肠癌发生的关系

前面提到TGFβ是一种抑癌因子,其表达或激活方面的缺陷及TGFβ受体(TβR)或受体后Smad蛋白水平缺陷,都可导致生长抑制作用消失而使细胞恶性增殖。TGFβ在肿瘤的早期阶段,由于其具有阻断生长周期的作用,可作为肿瘤抑制物;在肿瘤进展过程中,TGFβ可由肿瘤细胞和(或)其周围基质细胞产生,且细胞因TGFβ的抑制增殖作用消失而出现优势生长;在肿瘤生长的晚期阶段,TGFβ作为肿瘤的促进因子,通过刺激血管生成,细胞播散,免疫抑制及合成细胞外基质等提供适宜肿瘤生长、浸润及转移的微环境[10]。

TGFβ可依据浓度和环境的不同通过以下通路对靶细胞发挥抑制或刺激的调节作用。活化的TGFβ(配基)与细胞膜上的TβRⅢ结合后被呈递给TβRⅡ或直接与TβRⅡ结合,形成TβRⅡ配体 TβRI稳定的复合物并使受体激活,激活的受体具有激酶活性,将信号放大并可使细胞内受体调控的RSmads磷酸化,磷酸化的RSmads与COSmads形成异聚体,可进入细胞核与特异性DNA调控序列结合,活化特定靶基因的转录和表达,并通过介导G1期阻滞,促进分化和凋亡,抑制细胞生长。而抑制型Smads可阻断受体对RSmads的磷酸化,抑制RSmads与COSmads聚合,使配体受体复合物降解,抑制信号的传导[11]。也就是说TGFβ信号从细胞膜传入细胞核,要经历配体受体细胞内信号转导分子调控基因表达细胞生长抑制、分化或凋亡组成的信号转导通路。该通路中任何组份的失活都会导致细胞对TGFβ诱导生长抑制和凋亡信号失调,使细胞的生长分化失去控制,诱发细胞癌变。

TGFβ异常表达与大肠癌侵袭转移

大肠癌患者血清及组织中存在TGFβ1的异常表达。Dinberg等[12]的研究发现,TGFβ1的前体在大肠癌中表达水平较癌周组织明显降低,聚合酶联反应分析TGFβ1的基因表达水平在大肠癌和正常组织中无明显差异,表明在TGFβ1基因转录水平前或TGFβ1蛋白翻译水平后存在某些机制控制TGFβ1的前体蛋白表达,此过程可能与大肠癌发生有关。Narai等[13]的研究结果显示,大肠癌患者血清TGFβ1水平明显高于健康者(P

研究还发现TGFβ1受体,尤其是TβRⅡ的表达减少,是机体细胞逃逸TGFβ1负调控作用的一个重要机制,可能是大肠癌形成的一个重要因素[17]。Nagayama等[18]通过对32例广泛浸润型结直肠癌(DICC)和60例普通结直肠癌(CCC)的对比研究,发现前者TGFβ1表达显著增加而TβRⅡ的表达显著降低,提示TβRⅡ失表达有助于提高组织对TGFβ1的生长抑制作用的抵抗,也增强了癌细胞的侵袭力。表明除了TGFβ1本身的异常表达外,TβRⅡ失表达也参与结肠癌的进展与转移。临床随访发现,TβRⅡ阳性表达者其3年和5年生存率显著高于阴性表达者[19]。由此推测TβRⅡ表达水平越低,TGFβ1表达水平越高,癌细胞浸润转移的能力越强,癌症相关的死亡率增高;并且这种联系与患者年龄、肿瘤大小无关。

Smad基因突变与大肠癌发生密切相关

TβRⅡ的失活与其基因突变密切相关[6,7,18]。主要发现为该基因位于790718核苷酸间的poly(A)10区腺苷酸(A)的插入或缺失,这种改变可使基因发生框架移位,后续的密码子改变,可表达出异常的TβRⅡ受体,使TβRⅡ传递信号的功能丧失,从而使细胞失去对TGFβ1的反应。Kim等[20]认为,TβRⅡ基因启动子突变或CPG岛的高甲基化,可使TβRⅡ基因表达下降,也是导致肿瘤细胞逃脱TGFβ1负调控的重要原因。

Zanetti等[17]研究发现,存在TβRI、TβRⅡ受体部位缺失的结肠癌CaCo细胞系在10 μg/L TGFβ1作用下能诱导细胞凋亡,提示在整个TGFβTβRSmads信号传导通路中,除了以上TGFβ、TβR异常表达外,下游的Smads蛋白表达也可发生异常[5,6,10],尤其是Smad4已成为研究的热点,认为Smad4是TGFβ1信号通路中重要的胞质,其失活或突变同样可以导致TGFβ生长抑制作用消失,与肿瘤的发生密切相关。Smad4/DPC4是最早发现的Smad异常,大肠癌常伴有该染色体的缺失或突变。在大肠癌中常有Smad2,4基因的失活。Smad2或Smad4/DPC4在肿瘤中通过错义突变,无义突变、小的缺失、移码突变或在条染色体相关区域的缺失或失活,Woodford等[21]证实大肠癌中18q21等位基因的缺失导致了Smad4的突变。Smad2,4的失活导致TGFβ介导的细胞生长、凋亡过程受损。Muraoka等[22]在大肠癌细胞中用基因同源重组设计删除Smad4基因后,导致TGFβ及TGFβ家族的活化素失活,从而使细胞对TGFβ信号传导无反应。Karolien[23]报道,结肠腺瘤Smad4基因突变阳性率为0,结肠癌变后Smad4基因突变阳性率为10%,而结肠癌伴转移后Smad4基因突变阳性率高达35%,显示中、低分化结肠癌中突变Smad4的表达较高分化肿瘤显著下降(P

目前对TGFβ的研究,是基于TGFβ受体结构的确立,为针对TGFβ受体进行的基因治疗,将TGFβRIcDNA和TGFβRⅡcDNA转入结肠癌GEO细胞株,使受体得以正常表达,恢复了TGFβ的细胞抑制作用。这些研究结果为TGFβ作为肿瘤抑制因子,进入基因水平调控和治疗奠定了丰富的理论基础。虽然针对TGFβ及其受体的治疗措施尚处于实验阶段,如何使大肠癌细胞恢复对TGFβ生长抑制的敏感性或使TGFβ失活已成为治疗的重要策略之一。可以设想,随着对该转导通路及其功能变化的深入了解,对于阐明肿瘤发病机制乃至预后判断都有重要意义,并将成为大肠癌预防和治疗的新靶点。

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(收稿日期:2009-06-29 修回日期:2009-09-05)