STAT3在腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移中的作用

弓磊 綜述 吳志浩 周清華 審校

作者單位：300052 天津，天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院，天津市肺癌研究所，天津市肺癌轉(zhuǎn)移與腫瘤微環(huán)境重點實驗室（通訊作者：吳志浩，E-mail: zwu2ster@gmail.com；周清華，E-mail: zhouqh1016@yahoo.com.cn）

腫瘤轉(zhuǎn)移是指惡性腫瘤細胞脫離原發(fā)腫瘤，通過各種轉(zhuǎn)移方式，到達繼發(fā)組織或器官得以繼續(xù)增殖生長，形成與原發(fā)腫瘤相同性質(zhì)的繼發(fā)腫瘤的全過程。腫瘤的轉(zhuǎn)移對腫瘤的發(fā)病率和死亡率起著很重要的作用[1]。雖然近些年來在癌癥治療方面有長足的進步，但是腫瘤轉(zhuǎn)移仍然是臨床工作中的一個巨大的難題。由于我們并不了解腫瘤細胞是如何從原位癌中散播開的，所以對于轉(zhuǎn)移瘤的治療目前尚存在很大的困難[2]。通常在轉(zhuǎn)移瘤被確診前腫瘤細胞已經(jīng)從原位擴散到區(qū)域淋巴結(jié)，同時也有可能轉(zhuǎn)移至遠處器官[3]。雖然腫瘤轉(zhuǎn)移每步過程的具體分子生物學(xué)機制尚未闡明，但其大體機制已經(jīng)被初步認識[4]。第一步是腫瘤細胞獲得侵襲的表型從而可以從原位癌中逃逸。腫瘤細胞還需要突破間質(zhì)組織的邊界，而這一過程又需要腫瘤細胞間黏附性降低以及細胞外基質(zhì)的水解。之后還需介導(dǎo)新生血管生成并穿透血管內(nèi)皮進入血液循環(huán)，一旦腫瘤細胞進入血液循環(huán)中，它必須要適應(yīng)各種新的環(huán)境，如物理損傷，免疫監(jiān)督以及因缺乏基質(zhì)而產(chǎn)生的凋亡。最后又要穿過血管內(nèi)皮而到達遠端器官，適應(yīng)不同的微環(huán)境從而最終形成轉(zhuǎn)移灶[5]。其具體分子生物學(xué)基礎(chǔ)包括相關(guān)基因的調(diào)控，黏附因子的改變，血管生成，基質(zhì)金屬蛋白酶與組織抑制劑和機體免疫狀態(tài)的改變。

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3, STAT3）是轉(zhuǎn)錄因子家族中的一員[6]。STATs家族由7個成員組成[7]：STAT1-STAT4、STAT5a、STAT5b及STAT6L[8]。研究表明，STATs家族在調(diào)節(jié)細胞增殖、存活、凋亡、分化及轉(zhuǎn)移等方面都有很重要的作用，如STAT1可以通過抑制血管生成來產(chǎn)生抗腫瘤生成以及腫瘤轉(zhuǎn)移的作用；STAT4、STAT6在腫瘤免疫逃逸方面有重要作用；STAT3持續(xù)活化又與多種腫瘤有關(guān)，如：卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌、肺癌等等。近些年，其在轉(zhuǎn)移中發(fā)揮的作用也漸漸得到重視。

1 STAT3的結(jié)構(gòu)及其活化

STAT3在1994年作為一種DNA的結(jié)合因子而被發(fā)現(xiàn)，它可以結(jié)合在經(jīng)過白介素-6（interleukin-6, IL-6）處理的肝細胞上與IL-6反應(yīng)有關(guān)的急性期基因啟動子上[9]。STAT3同時也被確定是一種結(jié)合在表皮生長因子啟動子上的轉(zhuǎn)錄因子[10]。編碼STAT3的基因定位于染色體17q21上，其DNA全長4 815 bp，含24個外顯子。STAT3蛋白由750個-795個氨基酸組成，分子量約為89 kDa-92 kDa。其結(jié)構(gòu)可分為6個功能區(qū)：N端的氨基酸保守序列、螺旋區(qū)、DNA結(jié)合域、連接區(qū)、SH2 結(jié)構(gòu)域和C端的轉(zhuǎn)錄活化區(qū)[6]。在C端存在705酪氨酸位點和727絲氨酸位點，它們磷酸化后可以處于激活狀態(tài)。而STAT3又可以被很多細胞因子、生長因子、甚至是癌基因所激活，其中包括表皮生長因子[11]、血小板源性生長因子[12]、IL-6[9]、Src[13]和Ras[14]；此外，很多致癌物都可以引起STAT3信號通路的激活[15]。在酪氨酸705位點的磷酸化主要是受到受體型及非受體型蛋白酪氨酸激酶的調(diào)控，如表皮生長因子受體[16]、Src、Janus激酶（Janus kinase, JAK）[17]、細胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase,ERK）[18]。STAT3單體在胞漿中磷酸化后，磷酸化的STAT3單體二聚化形成二聚體，變成有活性的STAT3?；罨腟TAT3進入核內(nèi)，與其他的核蛋白結(jié)合直接調(diào)節(jié)基因的表達，最終影響腫瘤細胞的多種生物學(xué)功能[19]。

2 STAT3下游信號與腫瘤生物學(xué)

STAT3活化后可以激活很多其下游的基因表達。這些基因的表達對多種腫瘤的發(fā)病機制都有影響[20]。STAT3對腫瘤生物學(xué)的作用決定于STAT3的靶基因，它們都會在不同程度上調(diào)節(jié)腫瘤細胞的存活、生長、血管生成、侵襲以及免疫監(jiān)督的逃逸[21]。STAT3的活化對于腫瘤細胞免于凋亡和促進增殖有重要的作用，它是通過調(diào)節(jié)抗凋亡以及促增殖的基因表達蛋白來實現(xiàn)的。這些基因包括Bcl-xL、Mcl-1、Bcl-2、Fas、cyclin D1、survivin和c-Myc[22,23]。研究[24]表明，STAT3還可以通過結(jié)合p53啟動子來抑制其轉(zhuǎn)錄從而影響p53介導(dǎo)的腫瘤細胞凋亡。此外還證實STAT3的激活還對核因子-κB（nuclear factor-kappaB,NF-κB）有調(diào)控作用[25]。

3 STAT3調(diào)控轉(zhuǎn)移的相關(guān)機制

3.1 STAT3與基質(zhì)金屬蛋白酶 細胞外基質(zhì)及基底膜的降解和破壞是腫瘤轉(zhuǎn)移多階段過程中的重要步驟之一，細胞外基質(zhì)和基底膜主要組織結(jié)構(gòu)可分為膠原、層粘素和纖維結(jié)合素等，這些組織結(jié)構(gòu)的破壞和降解需要相應(yīng)的溶解酶參加。因此基質(zhì)金屬蛋白酶在腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移過程中擔(dān)任了重要角色。STAT3激活后可以調(diào)控黑色素瘤細胞基質(zhì)金屬蛋白酶-2（matrix metalloproteinases-2,MMP-2）的基因轉(zhuǎn)錄活性[26,27]，其中MMP-2對基底膜有降解作用[28]，這對許多惡性腫瘤的轉(zhuǎn)移與侵襲都有著重要的作用。實際上，STAT3可以直接結(jié)合至MMP-2的啟動子上，從而上調(diào)MMP-2轉(zhuǎn)錄的活性和蛋白水平[27,29,30]。如果在-617至-610位點上誘變高親和性的STAT3位點，可以顯著的降低STAT3誘導(dǎo)的MMP-2啟動子的活性。經(jīng)對比顯示，STAT3活性缺失可以顯著抑制MMP-2的表達、腫瘤侵襲、腦部和肺部的轉(zhuǎn)移[26,27]。最近研究[31]表明，在U87 MG人膠質(zhì)瘤中，IL-6可以促進其侵襲性，高水平的STAT3可以增加MMP-2的表達與分泌。在膀胱癌中，可以通過調(diào)節(jié)基質(zhì)金屬蛋白酶-1（matrix metalloproteinases-1, MMP-1）和基質(zhì)金屬蛋白酶-10（matrix metalloproteinases-10, MMP-10）來發(fā)揮作用[32]。在乳腺癌中，通過基質(zhì)金屬蛋白酶-9（matrix metalloproteinases-9,MMP-9）發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[33]。還有研究[34]表明，在人肺腺癌A549細胞系中，IL-6可以通過JAK/STAT3信號通路來增加MMP-10在細胞中的表達。

3.2 STAT3與上皮間質(zhì)化 上皮間質(zhì)化（epithelial to mesenchymal transition, EMT）是上皮細胞獲得間質(zhì)細胞特性的一種基本生物學(xué)過程[35]。EMT在腫瘤轉(zhuǎn)移初始階段有著重要的作用。最近的研究[36]表明，在MCF-7乳腺腺癌細胞系中，IL-6的異常表達和STAT3的激活可以使Twist持續(xù)表達，而Twist又與EMT有很密切的關(guān)系，從而激活乳腺癌細胞潛在的轉(zhuǎn)移能力。STAT3可以在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控Twist的活性。Twist是EMT主要調(diào)控位點之一。STAT3可以結(jié)合至Twist啟動子近端第二個STAT3結(jié)合位點上，來調(diào)控它的轉(zhuǎn)錄活性。在晚期腫瘤中，p-STAT3（tyr705）與Twist水平有關(guān)[37]。另一項研究[38]表明，在胰腺癌細胞中，TGF-β誘導(dǎo)的腫瘤侵襲與STAT3的轉(zhuǎn)錄活性有關(guān)，且STAT3的活性受到Smad4的調(diào)控。Smad4可以引起STAT3的異常激活，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factorbeta, TGF-β）在胰腺癌中產(chǎn)生促進腫瘤的作用。EGFR通路也可以通過STAT3介導(dǎo)Twist基因表達來誘導(dǎo)EMT的發(fā)生，這也為我們針對表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor, EGFR）以及STAT3靶向治療提供了新的思路[39]。

3.3 STAT3與腫瘤血管生成 血管生成不僅對腫瘤原位生長有作用，而且對轉(zhuǎn)移灶的生長也是有很重要的作用[40]?；罨腟TAT3可以調(diào)控腫瘤細胞內(nèi)多因子和腫瘤內(nèi)皮細胞中一些與血管生成有關(guān)的信號通路。在小鼠黑色素瘤中，發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）是STAT3的直接靶點，這也第一次證實STAT3在血管生成中的作用[41]。在胰腺癌動物模型中，通過顯性缺失的STAT3來封閉STAT3的激活可以抑制血管內(nèi)皮生長因子的表達，血管生成以及胰腺癌的肝轉(zhuǎn)移[42]。STAT3還可以間接通過缺氧誘導(dǎo)性因子1α（hypoxia induc-ible factor-1α, HIF-1α）調(diào)控VEGF的轉(zhuǎn)錄[43]。還有報道[26]稱STAT3可以調(diào)控其他血管生成因子，例如堿性成纖維細胞生長因子（basic growth fibroblast factor, bFGF），它可以在血管生成中參與腫瘤細胞的遷移、增殖以及內(nèi)皮細胞的分化。在人黑色素瘤中調(diào)節(jié)STAT3活性可以在體內(nèi)和體外明顯的影響bFGF、VEGF、MMP-2這些血管因子的表達，從而影響黑色素瘤細胞的血管生成以及腦轉(zhuǎn)移[26]。此外，STAT3還可以通過bFGF以及VEGF等在其受體發(fā)生的募集反應(yīng)得到激活，將信號傳導(dǎo)到內(nèi)皮細胞，可見STAT3對內(nèi)皮細胞的增殖、遷移和微血管形成有很重要的作用[44,45]。IL-6可以通過活化STAT3促進血管內(nèi)皮細胞遷移，從而使促進腫瘤血管生成及侵襲[46]?？傊?，許多促進血管生成的因子被證實是STAT3的靶基因，包括那些編碼HIF-1、bFGFR、HGF、MMP-2以及MMP-9的基因[47]。

3.4 STAT3與腫瘤免疫逃逸 腫瘤細胞的增殖、存活、腫瘤血管生成和轉(zhuǎn)移被視為評價腫瘤的幾個的重要標(biāo)志[48]。但是有證據(jù)顯示免疫系統(tǒng)可以對腫瘤形成外部抑制[49]。侵襲與轉(zhuǎn)移的發(fā)生需要抑制免疫監(jiān)視系統(tǒng)。因此，很多研究表明，在罹患腫瘤的患者中免疫功能已經(jīng)受損，這種情況又與腫瘤微環(huán)境有關(guān)[50]。

研究[51]表明STAT3可以對腫瘤細胞與宿主免疫系統(tǒng)產(chǎn)生互相影響。T細胞的穩(wěn)定對正常免疫反應(yīng)是很重要的，STAT3便是其中一條激活T細胞的信號通路。在一項關(guān)于B16小鼠黑色素瘤的基因治療中，STAT3對腫瘤免疫逃逸的作用第一次得以證實[52]。含有顯性失活型的STAT3蛋白載體接種到B16黑色素瘤小鼠皮下，在接種了STAT3蛋白那組小鼠中，腫瘤生長被有效抑制。這些結(jié)果表明STAT3不僅可以作為腫瘤治療的靶點，還可以影響到與腫瘤細胞毗鄰的細胞，從而擴大治療作用并殺死腫瘤周圍組織[52]。

STAT3對炎性反應(yīng)有負相調(diào)控作用，對于那些缺乏STAT3基因的小鼠，給予它們巨噬細胞以及中性白細胞可以增強炎性反應(yīng)[53]。在STAT3缺失的免疫細胞譜小鼠中，STAT3的活性對腫瘤細胞免疫逃逸有重要作用[54]。

STAT3已被證實在與腫瘤相關(guān)的免疫細胞中是持續(xù)活化的[55]，這種活化的的信號共同存在于腫瘤細胞與免疫細胞中，因此便可以促進腫瘤免疫逃逸的發(fā)生。抑制免疫細胞中STAT3的活性，便可以使其產(chǎn)生多種抗腫瘤的免疫作用，從而抑制腫瘤生長以及轉(zhuǎn)移[54]。同樣的，在造血過程中的骨髓細胞除去STAT3會導(dǎo)致炎性因子的過量產(chǎn)生，過量的骨髓細胞產(chǎn)生以及克隆恩病樣的病理改變[56]。腫瘤相關(guān)巨噬細胞免疫抑制作用的增加與過表達的STAT3信號通路有很大關(guān)系[57]。總之，這些研究都表明STAT3信號通路在腫瘤細胞以及免疫細胞中激活，這樣可以促進腫瘤免疫逃逸，如果應(yīng)用靶定STAT3的藥物可以產(chǎn)生抗腫瘤的免疫反應(yīng)。

4 結(jié)語

總之，STAT3是一種可以介導(dǎo)多種細胞外刺激信號及酪氨酸激酶通路活性的轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)控基因表達來影響細胞的多種重要功能。STAT3在許多生理過程中都扮演著重要的角色，如：細胞增殖、存活、自我更新及血管生成等。它是通過調(diào)節(jié)其他蛋白的表達來發(fā)揮在不同水平上調(diào)節(jié)作用的。但當(dāng)正常調(diào)節(jié)過程遭到破壞時，STAT3則可能成為腫瘤轉(zhuǎn)移中一個重要介質(zhì)。STAT3的活化可以在不同程度上破壞細胞外基質(zhì)以及造成基底膜的降解和破壞，這些都是腫瘤細胞發(fā)生早期轉(zhuǎn)移時重要步驟。此外，STAT3還可以促進上皮細胞間質(zhì)化的發(fā)生，從而促進腫瘤細胞由原位解離。同時，腫瘤血管生成在轉(zhuǎn)移灶的生長也是有很重要的作用的，很多研究都表明STAT3在不同程度上促進轉(zhuǎn)移灶腫瘤血管生成。最后，由于STAT3信號通路的特異性激活，影響了正常機體的免疫監(jiān)督作用，得以使腫瘤細胞免于免疫系統(tǒng)的外部監(jiān)視。因此，STAT3在腫瘤轉(zhuǎn)移過程中扮演著重要的作用，STAT3抑制物的研發(fā)將是我們未來研究工作中一個重要的目標(biāo)。