细胞骨架与癌转移关系的研究进展

(山东省潍坊市人民医院口腔颌面外科 山东潍坊 261041)

［中图分类号］ R730.2［文献标识码］ A［文章编号］ 1672-4208(2008)21-0048-03

细胞骨架是真核细胞质内蛋白质丝组成的复杂网状结构，它一方面决定和维持着细胞的形态，另一方面也参与细胞的运动、分裂、胞浆运输，对信号传递有重要意义。近年来的研究进一步证实，细胞骨架系统与癌变等生命现象密切相关。本文对细胞骨架与癌的转移方面作一综述。

1 细胞骨架概述

细胞骨架是横越在真核细胞细胞核和细胞膜内侧面的一种纤维状蛋白基质，它由微丝、微管及中间纤维组成，三者高度协调分布，与胞核、质膜、细胞器相连，构成了细胞形态骨架和运动协调系统，以保持细胞的形态和行使运动功能，并对信号传递有重要意义。

1．1 微管的结构与特征

1．1．1 微管蛋白 微管(microtubule，MT)是由许多亚单位聚合成的长管，直径约15 nm，呈中空圆柱状管状纤维，是真核细胞所特有的结构。微管对细胞形状、运动、极性、胞质内运输都起了很大作用，在细胞分裂时微管会解聚并重新形成纺锤体。微管基本化学单位为微管蛋白，一般以异二聚体的形式存在。如果将异二聚体用变性剂处理，可以产生两个稍有不同的亚单位分别叫做α微管蛋白和β微管蛋白。

1.1.2 微管结合蛋白 研究发现，有些蛋白总是与微管蛋白共存，参与微管组成，故称之为微管结合蛋白。一是微管相关蛋白质(microtubule-associated protein，MAP)，主要有MAP-1、MAP-2等。另一是Tau蛋白质。它们与调节微管聚合范围及速率有关。 MAP参与微管的组装及结构的稳定。当MAP被磷酸化后失去结合微管的能力，从而使微管处于不稳定状态。对人或牛来说，Tau被PKA磷酸化后可以减弱它与微管蛋白的结合，从而使微管聚合减弱。微管结合蛋白与微管运动的产生、聚合和解聚的调节或微管和其他细胞组成之间的连接均有关。因此，它们同微管蛋白一道构成了完整的系统。

1.1.3 微管的功能 微管构成细胞的网状支架，维持细胞形态；参与细胞的收缩与伪足运动；参加细胞器的位移，尤其是染色体的分裂和位移，需要在微管的帮助下进行。还可能参与细胞内物质运输。微管在细胞内可能起者运输大分子颗粒的微循环系统的作用。现已证明，病毒与色素颗粒可沿着微管移动，而且速度很快。

1．2 微丝结构与特征

1.2.1 肌动蛋白 （1）微丝(microfilament，MF)普遍存在于多种细胞中，在具有运动功能或非对称性的细胞内尤为发达。微丝常成群或成束存在，在一些高度特化的细胞（如肌细胞），它们能形成明确而稳定的结构，但更常见是形成不稳定的束或复杂的网，并且细胞周期和运动能量的需要改变其在细胞内的形态和空间位置，说明微丝也是一个可变的结构，能根据所在细胞的不同需要而聚合或解聚。（2）微丝的主要成分是肌动蛋白(actin)，它是微丝的基础蛋白质，常被称为肌动蛋白丝（actin filament）。纯化的肌动蛋白是单体的，它能与相同的单位联合形成多聚体。这种肌动蛋白称球形肌动蛋白（globular actin，G-actin）。微丝是由肌动蛋白亚单位组成的螺旋状纤维。微丝也是具有极性的。在含有ATP和Ca2+以及很低浓度Na+、K+等含阳离子的溶液中，微丝趋向于解聚或成球形肌动蛋白。而在Mg2+和高浓度的K+或Na+的溶液诱导下，球形肌动蛋白则装配成纤维状肌动蛋白（fibrous actin，F-actin）。微丝的装配和解聚是一个动态过程，并与细胞质的溶胶――凝胶状态的转换相对应，只有聚合态的肌动蛋白才具有生物作用。

1.2.2 肌动蛋白结合蛋白质 同样的肌动蛋白微丝，在细胞内功能不一致，这在很大程度上和细胞质存在许多种类的肌动蛋白结合蛋白质（actin-binding proteins）有关。它们和肌动蛋白结合，控制着肌动蛋白的构型和行为。胞浆中存在着多种蛋白质可与肌动蛋白结合，并调节微丝的聚合与解聚，如thymosin属于隔绝蛋白，它抑制肌动蛋白聚集形成微丝纤维。前纤维蛋白(profilin)主要是促进微丝的装配。另外，与肌动蛋白功能有关的蛋白质分子还有纽蛋白42(vincnlin)、α-辅肌动蛋白(α-actimin)、踝蛋白(talin)、肌球蛋白(myosin)、原肌球蛋白(tropomyosin)、细丝蛋白(filamin)、束捆蛋白(fassin)、丝束蛋白(fimbrin)、凝溶胶蛋白(gelsolin)、原调蛋白(tropomoknlin)、帽Z蛋白(capZ)等，它们能与G-actin、F-actin结合，调节肌动蛋白的聚合，或帮助微丝与其他细胞结构如微管、浆膜相连接。

1.2.3 微丝的功能 微丝最主要的功能是参与肌肉的形成和功能，参与脏器、肌体、血管等的运动。微丝与免疫细胞相关的功能主要是细胞内应力纤维的形成和细胞的阿米巴样运动。

1.2.4 肌动蛋白微丝功能受到信号转导系统的调节 微丝骨架与许多细胞功能相关。最近研究表明，它控制着细胞内与mRNA传递有关的信息，以及细胞内囊泡和受体的转移、传输及激素作用的起动等，与此同时，微丝的这些功能受到信号转导系统的修饰调节[1]。

1.3 中间纤维(intermed- iatefilament)

1.3.1 中间丝分类 在大多数真核细胞胞质内存在一种坚韧的、耐久的蛋白质纤维，因其直径(10 nm左右)在微丝与微管之间而称之为中间纤维。近年来，用免疫和生物化学的方法已鉴定出动物细胞内含有多种类型的中间纤维，根据它们的氨基酸序列有5种类型：（1）细胞角蛋白：细胞角蛋白（cytokeratin）首先在上皮细胞发现，有两种亚型角蛋白组成酸性角蛋白（acidic keratin）和中性或碱性角蛋白（neutral or basic keratin），分子量为40000~70000。细胞角蛋白是由这两种亚型角蛋白等量组成异多聚体，它是中间丝中最复杂的一类，在人类上皮细胞中细胞角蛋白至少有19种不同的形式，在毛发和指甲中就有8种以上。许多形态与功能不同的上皮细胞通过它们组成的细胞角蛋白分子结构可以进行鉴别。（2）波形蛋白：波形蛋白（vimentin）又名波形纤维蛋白，分子量为53000，广泛分布于间充质细胞，如成纤维细胞、血管内皮细胞、白细胞，体外培养细胞和正在发育的细胞也能短暂出现。（3）结蛋白：结蛋白（desmin）分子量为52000，可在横纹肌及平滑肌两种细胞中出现。（4）胶质细胞原纤维酸性蛋白：胶质细胞原纤维酸性蛋白（gliafibrillary acidic protein）分子量为45000，在神经系统的某些类型胶质细胞中存在，形成了胶质细胞细丝（glial filament）。（5）神经丝蛋白：神经丝蛋白（neurofilament protein）分子量较大，有3种成分多肽，分子量分别为130000、100000和60000。它们组装成神经纤维，是神经细胞轴突和树突中主要的细胞骨架成分。

1.3.2 中间纤维的结构 大部分中间纤维蛋白的氨基酸顺序和分子结构已经清楚。它们是具有一个约310个氨基酸的α螺旋组成的杆状中心区域，长短不等，在这个区域内其蛋白质是非常相似的，组成的氨基酸也有30~70是相同的。这种杆状相似区域是中间纤维聚合的结构基础。杆状区的长度和氨基酸的顺序是高度保守的，杆状区的两端分别是非螺旋的头部区（氨基端）和尾部区（羧基端），头尾两端是高度可变的具有不同的氨基酸组成和化学性质，因此，中间纤维亚基在分子量大小和性质上不同基本上完全取决于其头尾端的不同，而完全不同的中间纤维的结构统一的基础是保守的杆状区结构。

1.3.3 中间纤维的功能 中间纤维比微管及微丝是更耐消化的成分。如用盐和消化剂处理，当大部分微管和微丝被消化时，而中间纤维仍连接在核膜上。因此，可能中间纤维对细胞核有固定作用。在细胞内，中间纤维还可能与微丝和微管共同发挥运输作用。在细胞分裂时，中间纤维对纺锤体与染色体起空间定向支架作用，并负责子细胞中细胞器的分配与定位。多种细胞在体外培养传代时，常常出现波形蛋白纤维增多的现象，在体内肿瘤细胞也有类似现象。说明它在细胞癌变调控中起一定作用。近来发现，中间纤维的一些重要功能，不以纤维的形式发生，中间纤维蛋白本身是一种信息分子，而中间纤维的纤维结构主要是其蛋白质非活性的储存形态。中间纤维蛋白可能与DNA复制与转录有关。

2 细胞骨架与癌转移的关系

2.1 细胞骨架与细胞粘附能力 癌的侵袭与转移是癌细胞与宿主细胞、细胞外基质（extracellular matrix，ECM）之间一系列复杂的、多步骤的、多因素相互作用的动态过程。按Liotta等提出的癌细胞侵袭转移的三步骤假说，从分子水平上将这个过程分为：（1）粘附：首先，癌细胞通过细胞表面受体和细胞外基质成分的粘附蛋白发生特异性结合；（2）降解：随之激活癌细胞或宿主细胞的蛋白水解酶，是贴近肿瘤细胞表面的有限区域内基质发生降解；（3）运动：癌细胞移入被蛋白酶水解后的基质区，其运动方向被趋化因子诱导，癌细胞得以向纵深方向移动[2]。因此，癌细胞的转移可认为是一个动态的粘附运动过程，它包含了癌细胞与胞外基质之间十分复杂而又精细的生理和生化作用。细胞粘附能力下降为肿瘤转移因素之一。正常细胞表面存在多种介导细胞之间、细胞与细胞外基质(ECM)之间粘附的分子，如NCAM、E-cadherin、选凝素，细胞通过其粘附分子的胞外部分和ECM发生粘附、识别，然后通过粘附分子的胞内部分与骨架蛋白(αβcatenin、vinculin、radixin等)相连，从而将细胞外信号传入胞内，调节细胞生长。因此上述过程任一环节的缺失将使细胞粘附能力下降，促使肿瘤的发生与转移。所以，细致地了解癌细胞的粘附特性已成为细胞水平上研究癌侵袭和转移的关键。目前已发现有多种抑癌基因编码的骨架蛋白和细胞粘附有关，它们的失活将使细胞的转移潜能增加[3]。如nm23基因位于17ｑ21.3区位，具有编码核苷二磷酸激酶的功能，参与微管、微丝等细胞骨架蛋白的生物活动，通过参与调节细胞内微管系统的状态而抑制癌的转移。因此，一般认为nm23基因的改变可能引起细胞内细胞骨架系统的改变而导致肿瘤的浸润转移。这提示，相对于正常细胞，癌细胞细胞骨架的改变可能是其粘附性异常的结构基础。

2.2 细胞质骨架结构成分改变与癌转移

2.2.1 中间纤维 近几年的研究更多地发现上皮细胞角蛋白的异常表达与癌的发生及癌的侵润转移有关，临床上可根据细胞角蛋白的异质性表达来对癌作出准确诊断和预测，并采取正确的治疗措施。Masayo等[4]将分离自同一病人的舌鳞状细胞癌株A（SQUU-A）和舌鳞状细胞癌株B（SQUU-B）分别植入裸小鼠身上，结果发现被植入SQUU-B有86.7%发生颈淋巴结转移，被植入SQUU-A的小鼠无淋巴结转移。经组织学分析，SQUU-B表现出侵袭生长和血管内渗特点，而SQUU-A只表现为过度生长而无侵袭特性。通过蛋白印迹技术分析，SQUU-A表达CK 13/4CK14、CK16/6CK18/8CK19；而SQUU-B表达CK18/8和CK19。通过逆聚合酶链反应技术分析，CK13/4在两者都表达，但在SQUU-A表达强度是SQUU-B的10倍以上；CK14和CK16mRNA仅表达在SQUU-A；CK18在SQUU-B表达比在SQUU-A强烈。以上实验提示随着口腔鳞癌转移能力的提高，CK13、CK14或 CK16的表达缺失或下降，CK18/19表达增强。这说明细胞骨架系统中细胞角蛋白的变化与癌细胞的恶性表型有关。聂敏海等[5]收集正常口腔粘膜上皮单纯增生上皮异常增生和口腔鳞癌活检标本，用免疫组化电泳和Western杂交方法研究上皮中CK19的表达。结果发现CK19表达于有上皮异常增生的复层鳞状上皮基底上层和口腔鳞癌尤其是低分化鳞癌的癌细胞中，当口腔鳞癌有角化珠存在时，CK19呈斑片状表达，而无角化珠存在时则呈强阳性表达。癌细胞的分化程度与它的侵润转移能力有关，分化程度越低，其发生侵润转移行为的几率越大。这也提示CK19的表达强弱可能与癌细胞的侵润转移能力有关。章慧平等[6]对经病理证实的膀胱移行癌标本经免疫组化实验，结果发现CK20的表达在不同病理分级和临床分期之间的差异有统计学意义，其异常表达率随恶性程度侵润转移程度的增加而增加。提示CK20的表达可作为膀胱移行细胞癌恶性程度高、易侵润转移的标记之一。波形蛋白是间叶组织的标记物，以往常用来鉴别间叶组织与上皮组织来源的肿瘤，但近年来发现在某些癌中也有表达。任秋华等[7]应用免疫组化S―P法，对86例乳腺癌进行了波形蛋白标记分析，结果显示波形蛋白阳性表达率50.6%。统计分析表明，波形蛋白的表达与肿瘤的分级大小及淋巴结转移均呈显著相关。这表明，波形蛋白在上皮癌中异常表达，与癌细胞的侵袭和转移潜能有关。

2.2.2 微丝及微管 多个实验室[8]报道，癌细胞的微管数量远低于正常组，正常组的微丝系统在癌细胞大量缺失，同时癌细胞又增加表达一些新的骨架蛋白。韩立群等对数种人癌细胞胞质骨架的形态分布进行了研究，并将其与成纤维细胞和肾上皮细胞质骨架加以比较。结果表明，癌细胞胞质骨架系统发育不良，骨架纤维细碎，排列无规则；而正常细胞胞质骨架发达，富有应力纤维束（主要由肌动蛋白束构成），排列有极向[9]。说明癌细胞的胞质不发达，尤其是应力纤维束稀少，可能是其恶的形态学基础之一。他们同时发现，人鼻咽癌细胞CNE-2Z的克隆细胞株L4的细胞胞质骨架相对丰富，并可见少量微管样结构及应力纤维束。结合其形态上相对分化和生长缓慢等特点，他们认为上述结构特点可能与L4的体内低侵袭、低转移的生物学行为有一定关系。现已证实高转移人肺巨细胞癌PG细胞与LM-51系[10]及临床高转移的乳癌细胞，除有微丝破坏外，均有F-肌动蛋白小体形成，可能代表高转移的恶性表型特点。微丝束和其末端的膜粘着斑破坏及肌动蛋白小体的出现，可能与肿瘤的侵润转移特性有关[10]。苏长青等[11]则研究发现胃腺癌细胞肌动蛋白表达增强，随癌细胞侵润深度增加和周围淋巴结转移的发生，肌动蛋白阳性率明显增高，提示部分癌细胞亚群运动成分增加与细胞运动性增强、易于侵润转移的特性相一致。癌细胞活跃运动能力主要来自肌动蛋白，细胞亚群骨架蛋白含量增多可能是癌侵润转移发生的关键。最近，发现微管的减少及解聚与恶性肿瘤的转移潜能有关。许多资料表明：癌变或转化细胞的细胞骨架破坏，微管解聚，细胞内钙调蛋白含量升高[12]。张红英等[13]研究发现微丝及微管的完善程度与肿瘤的转移潜能呈负相关。微丝及微管正常聚合或解聚、装配或去装配的动态变化和平衡是细胞运动附着及细胞分裂的重要调控因素，微管解聚与DNA合成的启动有关。骨架的变化不仅在细胞恶性转化中起重要作用，还为衡量恶性肿瘤细胞生物学行为的研究提供结构性标志。此研究提示：细胞内微丝骨架的发育不良使微丝不能呈束且不能与质膜相连加之微管的减少、解聚致使细胞刚性降低，细胞变得更圆，更易在组织中穿行。陆锐等[14]对人胃癌细胞系BGC-823微丝结构研究也表明，微丝骨架组装的改变与肿癌的转移能力相关。

国外对细胞骨架的研究十分重视，发现恶性肿瘤细胞微丝骨架均有不同程度的异常[15]。Verderane[16]的研究表明：从高危险性结肠癌病人分离的皮肤成纤维细胞比来自正常人的对照细胞具有较少的肌动蛋白纤维。Rao等[17]提出假说，肌动蛋白细胞骨架在膀胱癌发展过程中发生渐进式的变化，随着肿瘤发展的不同阶段而表现不同的重组图谱，这些图谱可用以作为早期诊断和预后的分子标记。

3 展望

癌的侵润转移是一个令全世界学者都十分关注和头痛的问题。到目前我们仍缺乏有效的治疗方法来抑制癌的转移。我们是否可以从细胞骨架的角度出发，应用一种或多种药物作用于癌细胞，使癌细胞的原有骨架结构得以恢复，从而抑制癌的转移？近年来已有研究者尝试用维甲酸作用于癌细胞以后，致使微丝骨架得到部分恢复，癌细胞侵袭及转移能力明显降低。另外细胞骨架与癌基因抑癌基因的关系如何？癌基因抑癌基因如何通过信号传导引起细胞骨架结构和成分的改变，从而导致了细胞生物学性质的改变？其分子机制也尚待阐明。也许在不久的将来随着荧光显微镜、CLSM透射电镜技术、超高压电镜技术、免疫组化等技术的发展以及分子生物学等基础理论的重大突破，将进一步揭示细胞骨架在癌转移发生中的作用，癌的治疗也会找到新的突破点。

参 考 文 献

[1] 李云峰,张汉霆,罗质璞,等.细胞骨架与信号转导[J].国外医学:药学分册,1998,25(15):261-263.

[2]高进,章静波.癌的侵袭与转移基础与临床[M].北京:科学出版社,2003:84.

[3]方,查锡良.抑癌基因和肿瘤转移[J].生命的化学,1999,19(1):14.

[4] Masayo M, Shun IT, Hidetaka S, et al. Differential expression of Cytokeratin after orthotopic implantation of newly established human tongue cancer cell lines of defined metastatic ability[J]. American Journal of Pathology,2000,156:1317-1326.

[5]聂敏海,钟利,曾光明,等.细胞角蛋白CK19在口腔黏膜癌变过程中的变化[J].中华口腔医学杂志,2002,37(3):189.

[6]章慧平,杨为民,陈春莲,等.膀胱移行细胞癌CK19CK20bFGF的表达及临床意义[J].临床外科杂志,2002,10(1):34.

[7]任秋华,牛新斌,徐艳丽,等.乳腺癌C-erbB-2和波形蛋白表达的生物学意义[J].实用肿瘤学杂志,1996,10（2）；24.

[8] BEN-ZEE A. The cytoskeleton in cancer cells[J].Biochem Biophys Acta, 1985, 780:197-212.[9]韩立群,高进,董化一,等.人鼻咽癌细胞胞质内骨架系统的观察和维胺酸作用后对其影响的研究[J].解剖学报,1994,25(4):394-397.

[10] Lin ZX, Han YL, Wu BQ, et al. Altered cytoskeleton structures in transformed cells exhibiting obviously metastatic capabilities[J]. Cell Res,1990,2:141.

[11]苏长青,徐随福.胃癌细胞骨架和细胞外基质与癌细胞侵润转移的关系[J].中华医学杂志,1994,74(7):432-433.

[12] Kamech N, Sief R. Effect of microtubule disorganizingor overstabilizingdrugs on the proliferation of rat 3T3 cells and their virally induced transformedderivatives[J].Cancer Res,1998,48:4892.

[13]张红英,杨光华,步宏,等.不同转移潜能的人体横纹肌肉瘤细胞系细胞骨架的研究[J].肿瘤,2002,22(4):291.

[14]陆锐,柯杨,鄂征,等.人胃癌细胞系BGC-823不同转移能力的细胞克隆间的细胞微丝结构特征研究[J].解剖学报,1993,24(4):386.

[15] Lio LA. Cancer cell invasion and metastatic[J]. Sci Am,1999,7:54.

[16] Verderane M, Alcorta D, Smith K, et al. Cytoskeletal actin patterns quantitated with fluorescein isothiocyanate phalloidin in normal and transformed cell[J]. Proc Natl Acad Sci,1980,77(11):6624.

[17] Rao JY. Targeting actin remodeling profiles for the detection and management of urothelial cancers-a perspective for bladder cancer research[J]. Front Biosci, 2002,7:1-8.

（收稿日期：2008-08-20）