肿瘤转移的分子生物学机制

肿瘤转移的分子生物学机制 肿瘤转移的分子生物学机制 第28卷第4期 2006年8月 大连医科大'学 JournalofDalianMedicalUniversity Vo1.28No.4 Aug.2006 肿瘤转移的分子生物学机制 高金花,王琦,胡溢博,赵春艳2 (1.大连医科大学检验医学院2003级,辽宁大连116027;2.大连医科大学检验医学院临床生化教研室,辽宁大连116027) 摘要:恶性肿瘤不仅在原发部位浸润性生长,累及邻近组织,而且常通过多种途径扩散到其他部位,生成同样类型 的肿瘤.肿瘤转移是恶性肿瘤的特征之一,也是导致肿瘤患者死亡的主要原因.恶性肿瘤转移的分子生物学机制 可概括为5部分:黏附,降解,运动,血管生成和基因调控. 关键词:肿瘤转移;黏附;降解;运动;血管生成;基因调控 中图分类号:R73—37文献标识码:A文章编号:1671—7295(2006}04—0305—04 肿瘤转移是指恶性肿瘤细胞从原发部位浸入淋巴管,血 管或体腔,迁移到其他部位继续生长,形成同样类型的肿瘤 的过程.它是制约临床治疗效果的一种恶性生物学行为[1l, 也是导致患者死亡的主要原因,因此,诠释肿瘤转移的分子 生物学机制对于治疗肿瘤,提高患者的生存率至关重要. 1黏附与肿瘤转移 黏附(adhesion):肿瘤细胞与胞外基质(extracellularma. trix,ECM),层黏连蛋白(Laminin,LN)和纤维连接蛋白(n. bronectin,FN)通过相应受体黏附.在肿瘤细胞转移的过程 中黏附包括同质黏附与异质黏附.肿瘤细胞之间同质黏附 力减弱,会使肿瘤细胞容易从原发灶中脱离出来,非肿瘤细 胞之间异质黏附力增强,会使肿瘤细胞易与宿主细胞或 ECM特异结合,增强了肿瘤细胞运动的牵引力,两种黏附共 同促进了肿瘤细胞的转移[23.细胞黏附的发生依赖于细胞 黏附分子(celladhesion,CAMS).CAMS主要有:钙黏蛋白 (cadherin,CAD),整合蛋白(integrins),免疫球蛋白超家族(Ig superfamily)等相关的黏附分子. 1.1钙黏蛋白(cadherin,CAD) 钙黏蛋白是一组依赖钙离子的同种亲和性细胞与细胞 间的黏附因子.根据CAD所在组织的不同,钙黏蛋白主要 分为E—CAD,P—CAD,N—CAD,最近发现一些新成员如: V一,M一,R一,及T—CAD.其中内皮细胞钙黏蛋白(E— cadherin,E—CAD)是研究较多的钙黏蛋白.E—CAD的重 要的生物学功能是加强同型(种)细胞间的黏附和抑制细胞 增殖,且通过E—CAD复合体(E—eadherincomplex)发挥作 用.E—CAD的下调是肿瘤浸润与转移过程的关键事件,在 缺氧和组织坏死的情况下,细胞可释放EGF,TNF—a,增强 E—CAD复合体的解体并在细胞内聚集导致细胞侵袭力的 增强_3j,如Kiss一1基因编码的54个氨基酸残基与Kiss多 收稿日期:2005—11—09;修回日期:20o6—03—02. 指导教师:赵春艳(1965一),女,山东人,教授,博士. 态受体hGPR54结合后,可激活细胞内磷脂酶c,进一步使 细胞内三磷酸肌醇,二酰甘油增加,进而细胞内钙离子浓度 增加.钙离子浓度增加可抑制肿瘤细胞的增殖,诱导肿瘤细 胞分化和凋亡_4j. I.2整合蛋白(integrins) 整合蛋白的主要功能是通过与相应的配体结合,介导细 胞与ECM,细胞与细胞的黏附.在结构上,整合蛋白是由a, 口两个跨膜亚基组成,两个亚基均由长的氨基胞外段,跨膜 端和短的羧基胞内端组成.氨基末端为胞体结合部位识别 ECM的RGD序列(Arg—Grg—Asp,精氨酸一甘氨酸一天冬 氨酸),羧基末端为细胞骨架的结合位点,与细胞骨架相连, 形成了细胞基质一整合蛋白一细胞骨架的跨膜复合体,双向 传导细胞间的信号.整合蛋白介导黏附行为与肿瘤的发生, 发展尤其是浸润与转移尤为相关5.在许多肿瘤中,整合蛋 白的达水平与肿瘤细胞的侵袭转移成正相关.Hosotani 等_6j发现整合蛋白av岛的高表达与肿瘤的侵袭性及淋巴结 转移与否密切相关,且与MMP一2活性相关. I.3免疫球蛋白超家族(Igsuperfamilv) 目前发现的免疫球蛋白超家族有70多种分子,其细胞 外结构中含有免疫球蛋白结构域,包括细胞间黏附分子(in. tereellularadhesionmolecule一1andmolecule一2.ICAM一1,I. CAM一2),血管内皮细胞黏附分子(vascularcelladhesion molecule,VCAM)等,通过配体,受体结合介导非Ca2依赖性 同质或异质细胞黏附. 其他与黏附有关的未分类的分子如选择素,透明脂酸受 体和层粘连蛋白受体等. 2降解与肿瘤转移 降解(degradation)为肿瘤细胞的移动打开通道.肿瘤细 胞通过其表面受体与ECM成分黏附后,激活和释放各种蛋 大连医科大学第28卷 白水解酶降解肿瘤细胞在侵袭和转移中遇到的一系列组织 屏障,不同的组织屏障是由不同的蛋白水解酶降解,不同的 肿瘤有不同的转移形式和好发部位.基质的溶解界发生在 紧靠肿瘤细胞的局部,在该处活化的酶类与内原性抑制物相 互作用,故肿瘤细胞的侵袭与否主要取决于水解酶与局部抑 制物的浓度之间的平衡.根据酶催化底物的不同及DH的 不同,蛋白水解酶可以分为:基质金属蛋白酶类,丝氨酸蛋白 酶类,半胱氨酸蛋白酶类及天氡氨酸蛋白酶类等. 2.1基质金属蛋白酶类 基质金属蛋白酶类(matrixmetalloproteinases,MMPs)是 锌依赖性的具有高度同源性的水解酶类,种类多构成内切酶 超家族,其酶的活性部位含有一个锌离子,若失去锌离子会 明显抑制酶的活性,且需要钙等离子作为其辅助因子,从而 得名.MMPs的活性是对抗肿瘤转移的新靶点.MMPs各 成员均有特异性底物,据此分类:?间质胶原酶(interstrtial conagenase)~MMP—l,一8,一l3,降解I型,?型,?型和 ?型胶原.?基质溶解酶(stromelysins)如MMP一3,一l0, 一 l1,降解LN,FN明胶和基质膜酶原的非螺旋成分.?? 型胶原酶/明胶酶原(gelatinase)如MMP一2,一9等Yahg 等_7J在对于肝细胞癌的研究中发现MMP一2和MMP一9 对于基膜的主要成分?型胶原及Laminin一5有最高的酶活 性.在许多病理生理学环境下,这些酶的激活和细胞的侵袭 和转移是相关的.降解?型胶原外,还分解V,?,?,X型, FN和弹性蛋白.MMPs的天然抑制剂有两类:一类是其特 异性的组织抑制因子(tissueinhibitorsofmetalloproteinases, TIMPs),另一类是其非特异性的血浆抑制剂a一2巨球蛋白 (a一2M),其中TIMPs对由MMPs产生的基质降解起重要 平衡作用,两者表达水平的动态平衡关系决定了ECM的降 解程度,继而也决定了肿瘤的侵袭和转移_8J.正常的机体内 MMPs与TIMPs以共价键的形式结合成复合物,由于某些 因素的影响,侵袭性的肿瘤细胞中的MMP表达程度总要高 于TIMP,高表达的MMPs水平和相对低表达TIMPs水平 在很多恶性表型和侵袭表型肿瘤的研究中得到了证实,正是 由于这种平衡的破坏,导致了肿瘤的侵袭转移的发生_9,旧J. 2.2丝氨酸蛋白酶类 丝氨酸蛋白酶类包括纤维酶原激活剂(Dlasminagenacti. vator,PA)纤溶酶,细胞弹力蛋白酶和组织蛋白酶G等,其 中PA通常以两种形式存在:尿激酶型纤维酶原激活物(u— PA)和组织型纤维酶原激活物(t—PA),大多肿瘤细胞的侵 袭和转移受u—PA的介导.u—PA与其受体(u—PAR),抑 制剂(u—PA1)等形成作用系统,可激活纤溶酶原参与细胞 外基质的降解,介导肿瘤的浸润和转移,PA也可直接降解 ECM及基底膜,为肿瘤转移扫清障碍,抑制肿瘤血管的生 成. 2.3半胱氨酸蛋白酶类 半胱氨酸蛋白酶类包括组织蛋白酶B,M,L等.其中组 织蛋白酶B(cathepsinB,CB)与基底膜的降解密切相关,其分 子量为23—28kDa.正常的组织中分离得到的CB最适PH 为酸性,在中性和碱性中无活性.但在肿瘤组织中分析得出 CB在中性或碱性的条件下活性更高,能催化肽键水解,使肿 瘤细胞更易扩散.CB在结肠癌,前列腺癌等多种恶性肿瘤 中均呈高表达,与恶性肿瘤的演进关系密切,而且对细胞外 基质的降解被认为是侵袭与转移的关键步骤之一【ll'1j. 2.4天氡氨酸蛋白酶类 天氡氨酸蛋白酶类主要包括组织蛋白酶D(capthepisibn D,CD)和CB一样,其最适PH为酸性,在恶性肿瘤细胞中 CD通过降解基底膜和细胞外基质,并激活其他蛋白酶如组 织蛋白酶以及胶原酶类,使正常的组织结构破坏而导致肿瘤 的转移,CD的表达水平高,故可作为肿瘤转移的标志物 (Tumormarker,TM),广泛应用于腺癌,肺癌,胃癌,子宫内 膜癌等的研究中. 3运动与肿瘤转移 肿瘤细胞的侵袭转移除了与黏附和降解有关外,活跃的 细胞运动也是其重要的因素,具有高转移能力的肿瘤细胞往 往同时具有活跃的运动能力.肿瘤细胞的运动力大致可分 为:主动力和它动力.主动力是指肿瘤细胞中的肌动蛋白, 肌球蛋白以及相关的蛋白分子构成的机体的动力系统.它 动力是指肿瘤细胞l的增殖过程中,由于癌实体内部的压力的 增大,癌实体外层的细胞受到这种压力而向外扩散.这两种 动力在肿瘤转移过程中可单独存在也可同时存在,例如上述 蛋白分子与相应的受体结合可引起细胞内肌动蛋白聚合,调 节细胞运动与迁移.Kawada等_10J在研究恶性黑色素瘤淋 巴结转移时发现B16F10恶性黑色素瘤细胞持续表达CX. CR3趋化因子受体的同时,受其配体CXCL19,CXCL10及 CXCL1l等刺激后细胞内F一肌动蛋白水平升高,并发生聚 合,细胞骨架蛋白重排.肿瘤细胞朝着趋化因子浓度梯度方 向移动,突破纤维连接蛋白覆盖的聚碳酸酯滤膜能力明显增 加,并呈剂量,时间依赖性.肿瘤细胞的运动能力的强弱受 多种运动因子的影响.由肿瘤细胞自身分泌作用于自身的 因子称为自分泌因子;由周围环境中的细胞分泌而作用于肿 瘤细胞的运动因子称为旁分泌因子.自分泌运动因子主要 有自泌移动因子(autorinemotlilityfactor,AMF),自趋化素 (autotoxin,ATM),侵袭刺激因子(invasionstimulatingfactor, TSF)等.这些自分泌运动因子与其受体结合在启动,维持 和调节肿瘤细胞的移动中起重要的作用,刺激和引导肿瘤细 胞沿蛋白水解酶降解基质的通道移动.旁分泌运动因子中 如扩散因子(scatterfactor,SF),C3b等通过结合受体刺激细 胞与细胞黏附功能的表达和上皮细胞的扩散. 4血管生成 细胞恶变后,会脱离正常的细胞生长周期,进行自律性 的增殖,恶性肿瘤细胞的持续生长必须依赖于新生血管的生 成.组织内血管新生的程度与肿瘤的生长,侵袭和转移密切 相关_1.很多实验,肿瘤有诱导血管生成(allgiogene— sis)的能力.当转移的肿瘤细胞在耙组织,耙器官生长到一 定大小,通常其直径为1.2mm,肿瘤细胞本身及炎细胞(主 要是巨噬细胞LEU)能产生血管生成因子(angiogenesisfac— tor),如血管内皮细胞生成因子(vascularendothelialgrowth factor,VEGF)_1,成纤维细胞生长因子(FGF),肿瘤坏死因 第4期高金花,等:肿瘤转移的分子生物学机制307 子一a(TNF—a),血小板性内皮细胞生长因子(PD—PDGF) 等,诱导新生血管的生成.血管内皮细胞和成纤维细胞表面 有血管生成因子受体,这些受体与血管生成因子结合后,可 促进血管内皮细胞的分裂和毛细血管的出芽生长,形成血管 芽,血管芽继续生长,便出现管腔结构,随后便有血流灌注. 在肿瘤的新生血管形成的多种因子中,VEGF是在胚胎 血管发育中生成的第一个控制血管生成和发育的因子,它又 是由EC的促细胞分泌的,有较强的诱导血管生成的能力, VEGF通过与血管EC表面的特异性受体结合,诱导内皮细 胞表达U—PA和t—PA,增加释放明胶酶A和减少TIMPs 的释放.VEGF家族的3个受体分别由3个基因编码,这3 个受体是酪氨酸激酶家族成员(flk一1/KDR,fit—l,fit一4). VEGF受体又能诱导Id—l及Id一3蛋白表达,进而诱导更 多的与血管内皮细胞募集相关的蛋白,如MMP一2,整合蛋 白aV岛等'1.TianY等在对胆囊癌的研究中提出,053和 VEGF能共同调节肿瘤的血管生成'1. 5基因调控 以上提到了很多化学因子如蛋白质酶类等,其功能的调 控都在于控制它们表达的基因,其作用机理也都源于基因突 变导致的表达产物功能的改变.癌基因的突变激活和抑癌 基因的缺失失活能导致癌细胞生长的失控继而具有转移的 潜能;肿瘤转移相关基因的激活和肿瘤转移抑制基因的失活 则促进了肿瘤的转移. 5.1肿瘤转移相关基因 肿瘤转移相关基因就是与肿瘤转移呈正相关的基因,即 基因的改变和表达能够促进或导致肿瘤的转移,这些基因包 含编码基因,编码与肿瘤转移产物的基因,癌基因,抑癌基因 及一些特异的肿瘤转移相关基因. Ras是较早发现的癌基因,Ras是一个在真核生物中高 度保守的多基因家族,包括H—Ras,K—Ras,N—Ras,分别 位于l2,l1,l号染色体短臂上,每种Ras都含有5个外显子 与4个内含子,编码结构高度相似的分子量为21KDa的蛋 白质一P2l蛋白,它们在细胞增殖中起到关键作用.Ras基 因多层次,全方位参与恶性肿瘤的转移过程[引. DDC基因是一种与肿瘤转移中黏附有关的抑癌基因, 该基因位于染色体l8q21.3,含有1.4Mb和29个外显子,该 基因的蛋白产物是一种黏附分子,为190Ku的跨膜磷蛋白, 其氨基酸序列和神经细胞黏附分子(N—CAM)的家族成员 以及相关的细胞表面糖蛋白有高度的同源性,因而认为, DDC基因失活或缺失可能导致肿瘤细胞的黏附行为减弱, 细胞间相互通讯联系异常,从而与肿瘤转移浸润能力的增加 有关,但其作用机制不详. 5.2肿瘤转移抑制相关基因 肿瘤转移抑制相关基因就是与肿瘤转移呈负相关的基 因.可分为3类:?增强肿瘤细胞在宿主细胞体内的免疫原 性,如主要组织相容复合物(MHC)系统的H一2K基因.? 一种蛋白质,直接抑制参与转移过程的某种基因产物, 如抑癌基因053(野生型)等;?抑制参与细胞转移连锁反应 中的蛋白质或直接作用转移相关基因的DNA或RNA,这类 基因即为狭义的肿瘤转移抑制基因,有nm23,WDNM基因 等. p53有截然不同的两种表达形式:野生型和突变型.当 细胞处于限制或停止生长的条件下,p53呈现野生型;受某 些因素的干扰,主要是基因缺失和点突变,形成突变型的 p53.p53的野生型是抑癌基因,而其突变型却具有癌基因 功能.有研究野生型D53抑制人类肿瘤发生频率最高,而其 缺少或失活与半数以上肿瘤发生密切相关_1.野生型的 D53基因位于17P13上,全长16--20Kb,有l1个外显子和 l0个内含子,其表达产物是核内磷蛋白53RD,能限制细胞 的有丝分裂.突变型的D53,由于其空间构象的改变而失去 对特异位点的结合能力和负调控的作用,使细胞DNA含量 和细胞周期发生变化,使后代基因突变,从而引起细胞异常 增生. nm23是被人们研究相对透彻的基因,它是steeg等 1988年用消减杂交法分离出来的,在低转移细胞株中表达 强度是在高转移细胞株内的l0倍,表明nm23基因在高转 移细胞中表达降低,证明nm23基因可能具有转移抑制功 能.人nm23基因定位于l7号染色体长臂远端(17?21.3— 22),有两种形式:nm23一Hl,nm23一H2,nm23的作用机制 与以下3方面有关:?促进微管的聚合,这与肿瘤转移基因 mtsl的作用相似,故nm23与mtsl两种产物的比值降低会 使转移率上升.?介导细胞间信息的传递.?可干预某些 基因的调节,如Ras,Ela等,起转移负调控的作用. WDNM基因的研究也很多,有人用化学物质诱导的大 老鼠乳腺癌DNBA一8的变异细胞株,并鉴定出一种负调控 基因WDNM,其转录产物在非转移细胞株中比转移细胞株 中高20倍.此外,发现两种不同转移细胞内WDNM基因 的限制性核酸内切酶片段的大小与结构无明显差异,提示转 移性的不同不是由于该基因的结构变化,而是WDNM表达 差异所致. 肿瘤转移研究已深入到肿瘤转移基因的领域,肿瘤转移 相关基因的上调和肿瘤转移抑制基因的下调共同作用的结 果使肿瘤细胞恶性生长.尽管目前对多基因的作用机制的 研究尚未清楚,但绝大部分肿瘤转移过程中发生至少涉及到 两个或两个以上的基因参与[20J.简而言之,基因影响肿瘤 转移的机制是多方面,多层次的,而且受很多因素的影响,越 来越多的肿瘤转移相关基因发现使肿瘤转移在分子水平上 得到一些支持. 随着人们对肿瘤转移机制的深入研究,肿瘤转移的分子 生物学机理逐渐被揭示,目的在于找到肿瘤转移的新靶点, 减少或抑制肿瘤.肿瘤细胞的转移是黏附分子,蛋白水解 酶,运动因子共同作用的结果,血管生成是衡量肿瘤转移成 功与否的重要因素,然而所有的过程都要受到基因的调控. 总之,肿瘤转移是多步骤的综合结局,肿瘤转移的分子生物 学机制一定会为揭开肿瘤转移的奥秘开辟新径. 参考文献: [1]PascoS,RamontL,MaquartFX,eta1.Controlof melanomaprogressionbyvariousmatriknesfrombasement 大连医科大学第28卷 membranemacromolecules[J].CritRevOncolHematol, 2004,49:221—233. [2]EiblRH,BenoitM.Molecularresolutionofcelladhesion forceslJ].1EEProcNanobiotechnol,2004,151(3):128— 132. 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