转化生长因子β及其受体Smad信号通路与大肠癌研究进展

1、转化生长因子及其受体Smad信号通路与大肠癌研究进展    转化生长因子(transforming growth factor,TGF)是一类功能复杂的多肽类细胞因子超家族,包括TGF?15,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TGF,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TGF的反应不同,并且存在着逃逸TGF负调控的现象。因此,TG

2、F在肿瘤的发生、发展中是一把“双刃剑”,虽然TGF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TGF的高表达,与侵袭转移和预后密切相关14。本文就近年来TGF及其受体Smad信号通路对大肠癌的调控作用作一综述。 TGF及其受体与信号传递 TGF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TGF。TGF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。TGF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TGF家族、Vg相关家族、抑制素/激活素家族。其中TGF家族有五种异

3、构体,分别为TGF1、TGF2、TGF3、TGF4、TGF5。目前研究最为深入和活跃的是TGF1,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。TGF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TGF表达,其中TGF1占90%以上,活性最强。 TGF受体(TGF receptor,TR)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。TGF糖蛋白受体有3种亚型,分别为TRI、TR、TR型。TRI型受体分子质量为65KD;TR型受体分子质量为85110KD;TR型受体分

4、子质量为600KD,由2个分子质量为280300KD的亚基组成,对受体克隆和定序分析后发现,I型受体和型受体具有丝氨酸/苏氨酸激酶部位。I型受体要有型受体同时参与才能与TGF1结合,而型受体不需要I型受体的存在即可与TGF1结合,但要有I型受体同时参与才能进行信号传递。型受体为糖蛋白,其与TGF1有高亲和性,是TGF1的异侧复合体,负责将TGF1呈递给受体分子,型受体不直接参与信号的传递过程5,6。 TGF1作用机制与Smad蛋白结构 TGF1无论是通过自分泌途径还是通过旁分泌途径,都要与TGF受体结合才能发挥作用。TRI型和TR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

5、氨酸激酶活性结构的区域所组成。有研究表明,TRI型和TR型受体形成的异二聚体在TGF信号传导中起主导作用。TGF1首先直接与TR型受体结合,形成二元复合物。此时TGF1构象发生改变,从而可被TRI型受体所识别并结合,形成TRTGFTRI复合物。TR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TRI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4260KD的蛋白质分子,是TGF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

6、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。受体调节性Smads(RSmads),包括Smad?1,2,3,5,8,作为TRI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;其介导性Smad(COSmad即Smad?4),是不同亚型TGF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;抑制性Smads(ISmads),包括Smad?6,7,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TGF信号传导,对Smad的信号转导通路发挥负调控作用。当TRI型受体被

7、激活后,抑制性Smad才能与TRI型受体结合。抑制性Smad与通路限制性Smad竞争性地与TRI型受体结合,干扰通路限制性Smad与TRI型受体的相互作用和磷酸化,从而抑制信号诱导,故在TGF信号转录中抑制性Smad系一种自身调节的负反馈信号9。 TGF及其受体与大肠癌发生的关系 前面提到TGF是一种抑癌因子,其表达或激活方面的缺陷及TGF受体(TR)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。TGF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,TGF可由肿瘤细胞和(或)其周围基质细胞产生,且细胞因TGF的抑制增殖作用消失而出现

8、优势生长;在肿瘤生长的晚期阶段,TGF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。        TGF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TGF(配基)与细胞膜上的TR结合后被呈递给TR或直接与TR结合,形成TR配体 TRI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

9、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TGF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TGF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。 TGF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TGF1的异常表达。Dinberg等12的研究发现,TGF1的前体在大肠癌中表达水平较

10、癌周组织明显降低,聚合酶联反应分析TGF1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TGF1基因转录水平前或TGF1蛋白翻译水平后存在某些机制控制TGF1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TGF1水平明显高于健康者(P<0.01),并发现TGF1在DukesI、型的患者中均高于Dukes、型(P<0.01);有无区域淋巴结转移者其阳性表达率分别为65%和36.7%(P<0.05);Dukes型患者TGF1阳性表达率(64.3%)明显高于I型(27.3%)和型(41.2%),与GuzinskaUstymowicz

11、等15的研究结果一致。统计显示TGF1阳性表达率与淋巴结转移、远处转移差异有统计学意义(P研究还发现TGF1受体,尤其是TR的表达减少,是机体细胞逃逸TGF1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TGF1表达显著增加而TR的表达显著降低,提示TR失表达有助于提高组织对TGF1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TGF1本身的异常表达外,TR失表达也参与结肠癌的进展与转移。临床随访发现,TR阳性表达者其3年和5年生存率显著高于阴性表达者19。

12、由此推测TR表达水平越低,TGF1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 TR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TR受体,使TR传递信号的功能丧失,从而使细胞失去对TGF1的反应。Kim等20认为,TR基因启动子突变或CPG岛的高甲基化,可使TR基因表达下降,也是导致肿瘤细胞逃脱TGF1负调控的重要原因。 Zanetti等17研究发现,存在T

13、RI、TR受体部位缺失的结肠癌CaCo细胞系在10 g/L TGF1作用下能诱导细胞凋亡,提示在整个TGFTRSmads信号传导通路中,除了以上TGF、TR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Smad?4已成为研究的热点,认为Smad?4是TGF1信号通路中重要的胞质,其失活或突变同样可以导致TGF生长抑制作用消失,与肿瘤的发生密切相关。Smad?4/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Smad?2,4基因的失活。Smad?2或Smad?4/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

14、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Smad?4的突变。Smad?2,4的失活导致TGF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Smad?4基因后,导致TGF及TGF家族的活化素失活,从而使细胞对TGF信号传导无反应。Karolien23报道,结肠腺瘤Smad?4基因突变阳性率为0,结肠癌变后Smad?4基因突变阳性率为10%,而结肠癌伴转移后Smad?4基因突变阳性率高达35%,显示中、低分化结肠癌中突变Smad?4的表达较高分化肿瘤显著下降(P     

15、;   目前对TGF的研究,是基于TGF受体结构的确立,为针对TGF受体进行的基因治疗,将TGFRIcDNA和TGFRcDNA转入结肠癌GEO细胞株,使受体得以正常表达,恢复了TGF的细胞抑制作用。这些研究结果为TGF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TGF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TGF生长抑制的敏感性或使TGF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。 参考文献 1王 勇,许建明

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