VEGF及其受體的生物學特性

鄒文萍 唐國強 李光明△

（1.四川省南充市中心醫(yī)院腫瘤防治中心，四川 南充637000；2.重慶市黔江中心醫(yī)院消化科，重慶409000）

VEGF作為生理及病理血管生成最重要的誘導因子，有五種亞型對應三種受體有著不同的親和力，不同的功能。其中VEGFA／VEGFR－2通路誘導血管生成起到最主要的作用，同時影響血管的滲透性。血管內皮細胞的增殖、存活、出芽、遷移同樣受到該通路的誘導。VEGF在正常氧氣濃度下的組織、甚至是分泌VEGF蛋白的內皮細胞中都不能檢測到，但可以在低氧狀況下的組織或者細胞中表達大量增加。腫瘤組織微環(huán)境常常存在低氧區(qū)域，低氧誘導因子HIF－1上調VEGF的表達，進而血管生成為腫瘤組織提供更多的營養(yǎng)以滿足其生長與轉移，拮抗VEGFA／VEGFR－2通路成為控制腫瘤血管生成的重要策略。

1 VEGF的發(fā)現(xiàn)及亞型

1.1 VEGF以及亞型

1983年Senger將腫瘤植入豚鼠的腹膜腔中，觀察腹水增加的情況，提取純化腹水和腫瘤組織發(fā)現(xiàn)了一種分子量為34－42千道爾頓的蛋白質，這就是VEGF（Vascular endothelial growth factor）［1］。VEGF是內皮細胞促分裂原（Mitogen），有八個外顯子，定位于6p21.3，結構類似于血小板源生長因子（Platelet－derived growth factor），有8個半胱氨酸殘基組成的同源二聚體結構［2］，分成5個成員 VEGF－A、VEGF－B、VEGFC、VEGFD、以及胎盤生長因子（Placental growth factor，Pl－GF）。VEGF還有兩種類似物，由羊痘瘡病毒產生的VEGF－E，以及從蛇毒中分離的VEGF－F。這些多肽由各自的基因編碼。通過可變剪切（Alternative Splicing）得到5種VEGF mRNA編碼 VEGF的亞型，分別由121，145，165，189，206個氨基酸組成（VEGF121–206）［3－4］，VEGF－A 有4種亞型 VEGF121、VEGF165、VEGF189、VEGF206，VEGF－A 在血管發(fā)生（Vasculogenesis）、血管生成（Angiogenesis）、原始內皮細胞分化（Differentiation）過程中起到關鍵性作用，故通常叫做VEGF［3］。

1.2 區(qū)別VEGFA亞型的生物學性質

區(qū)別VEGFA亞型的重要生物學性能就是他們與細胞表面肝磷脂（Heparin）以及硫酸鹽類肝素（Heparan－sulfate）的結合能力。VEGF121缺乏VEGF基因外顯子6和7編碼的氨基酸，不會結合在肝磷脂或者細胞外基質上［5］。VEGF165與VEGF121區(qū)別在于增加了由VEGF基因外顯子7編碼的44個縮氨酸，并且給予 VEGF165肝磷脂結合的能力［5－6］。VEGF145的特征在于外顯子6編碼的21個縮氨酸，表達于女性生殖系統(tǒng)腫瘤中［4］。VEGF189和VEGF206包含了外顯子6和7編碼的多肽，顯示出相對于VEGF145、VEGF165與肝磷脂以及硫酸鹽類肝素更好的結合能力。VEGF121、VEGF145、VEGF165這三種分泌VEGF的類型在生物體內誘導內皮細胞的增殖［3］。VEGF121和VEGF165是分泌VEGF蛋白的主要類型。當VEGF與肝磷脂結合就會連接在細胞表面或細胞外基質上，然后釋放像堿性成纖維細胞生長因子（bFGF）一樣的血管原，促進血管生成。另一方面增加了血管的通透性，引起血漿蛋白、纖維蛋白原滲出，細胞外基質發(fā)生改變。

1.3 VEGF－A

VEGFA結合在VEGFR－2上，是血管生成的主要的信號通路，誘導內皮細胞的增殖、存活、遷移。并增加內皮細胞的滲透性［7］。同時控制血管的出芽、血管網(wǎng)絡的構建。受到VEGFA／VEGFR－2刺激后，內皮細胞周圍局部基底膜分解，位于出芽頂端的內皮細胞（Endothelial tip cells），有豐富的絲狀偽足（Filopodial），偽足延伸形成出芽，并構成遷移，而莖細胞跟隨尖端細胞形成血管內腔，猶如樹枝的長出。內皮細胞遷移依賴VEGFA的梯度（Gradient），而內皮細胞增殖依賴VEGFA的濃度（Concentration）［8］。

1.4 VEGF－B與 PlGF

VEGF－B與PlGF均結合在VEGFR－1上，刺激病理狀況下的血管生成，而對生理狀況下的血管生成作用很小，人類PlGF有四種亞型，主要表達在胎盤、心臟、肺中。人類VEGF－B有兩種亞型，高表達在心臟、骨骼肌、褐色脂肪中，在局部缺血、炎癥反應、創(chuàng)傷修復病理狀況下，該信號通路刺激血管生成與動脈形成。PlGF在病理狀況下促進血管生成，而在生理狀況下則不明顯的原因在于：生理狀況下，胎盤中PlGF與受體VEGFR－1結合不夠緊密且呈低水平表達，不能取代VEGF的作用。在病理狀況下顯著上升；在腫瘤以及低氧條件下，PlGF與VEGF形成異二聚體（VEGF／PlGF heterodimers）增加血管原對VEGF的反應性［9］。

1.5 VEGF－C與 VEGF－D

VEGF－C和 VEGF－D只結合在 VEGFR－3上，誘導淋巴內皮細胞的表達以及淋巴管內皮細胞的出芽生長。VEGF－C通過促進腫瘤淋巴管生成，以及播散到局部淋巴結，增加腫瘤遠處轉移的風險［10］。

2 VEGF的三個受體

VEGF有三種跨膜受體 VEGFR－1（Flt－1）、VEGFR－2（在人體中稱為 KDR，小鼠中稱為Flk－1）、VEGFR－3（Flk－4）。所有受體在細胞外擁有7個類似免疫球蛋白的區(qū)域（Immunoglobulinlike domains）以及在細胞內一個絡氨酸激酶區(qū)域，故認為是屬于絡氨酸激酶受體家族亞科（Subfamily）［11］，VEGFR－1主要表達在造血干細胞、單核細胞、巨噬細胞上，VEGFR－2主要表達在血管內皮細胞，腫瘤細胞也表達這兩種受體。VEGFR－3主要表達在淋巴內皮細胞。VEGF亞型對于三種受體有不同的親和力，VEGF－A 主要刺激 VEGFR－1和 VEGFR－2，VEGF－B和PlGF只結合在 VEFGR－1上，VEGF－C和 VEGF－D只結合在VEGFR－3上。VEGF－A165能夠結合在肝磷脂上參與VEGFA介導的刺激VEGF受體的過程［11－12］。

3 低氧誘導VEGF表達

3.1 HIF－1上調 VEGF的表達

VEGF的表達受多種因素調節(jié)：低氧、生長因子、p53、雌激素、TSH、腫瘤、一氧化氮（NO）等。低氧被認為是刺激血管重塑、改變細胞通透性、血管再生的最重要的因素。低氧轉錄因子（Hypoxia－specific transcription factor，HIF－1）被認為是上調VEGF的主要調節(jié)因子［14］，該因子是一個具有 PAS（Basic－h(huán)elix－loop－h(huán)elix（bHLH）－PAS）環(huán)狀結構的異二聚體，包括三個亞單位：HIF－1α、HIF－2α、HIF－1β。HIF－α在氮端（N－）以及碳端（C－）分別有一個感受缺氧信號的轉錄活性區(qū)域，氧氣對HIF－1活性的調節(jié)主要依靠 HIF－α；而 HIF－1β只有在碳端（C－）有一個轉錄活性區(qū)域，對氧氣變化不敏感。C末端有氧依賴降解區(qū)（Oxygen－dependent degradation domain，ODDD），由脯氨酸、絲氨酸、蘇氨酸（Pro／Ser／Thr）組成。HIF的受上游脯氨酰－4－羥化酶（Prolyl－4－h(huán)ydroxylases，PHDs）以及抑制因子 FIH（Factor inhibiting HIF）的調節(jié)。正常氧氣濃度下，脯氨酰－4－羥化酶（PHDs）羥化HIF－α位于C端的氧依賴降解區(qū)（ODDD）的四個保守脯氨酸殘基，（HIF－1α的脯氨酸殘基 402／564（Pro402／Pro564），HIF－2α的脯氨酸殘基405／531（Pro405／Pro531））脯氨酸殘基羥基化后與腫瘤抑制蛋白（pVHL Von Hippel Lindau protein）結合，募集泛素蛋白，組成泛素連接蛋白酶復合體發(fā)生泛素化作用，HIF－α蛋白則降解；另外位于C端的轉錄活性區(qū)域被FIH結合，使該區(qū)域的天門冬氨酰羥基化，從而抑制HIF－α的轉錄活性。PHDs酶的功能需要氧氣達到一定濃度，然而在低氧條件下，脯氨酸殘基不能羥基化，HIF－α蛋白就穩(wěn)定了，并在細胞內快速聚集并轉移到核內，與HIF－β結合成異二聚體，結合 缺 氧 反 應 元 件 （Hypoxia response elements，HRE）5′－RCGTG－3′上調下游基因 VEGF的轉錄［15］。VEGF基因上存在一個缺氧反應元件，低氧時該區(qū)域受到HIF－1異二聚體蛋白的作用，VEGF轉錄以及其受體表達增加，并抑制VEGF mRNA降解酶的活性，此時VEGF mRNA的半衰期增長，穩(wěn)定性提高［16］。

圖1 VEGF及其受體關系［13］

3.2 體外低氧模型的建立

體外培養(yǎng)的細胞主要可以建立兩種低氧模型，物理與化學低氧模型。物理低氧模型指的是用特殊的三通道培養(yǎng)箱，通過調節(jié)氧氣、二氧化碳、氮氣的濃度來達到模擬體內腫瘤細胞低氧的生理狀況；化學低氧指的是，正常氧氣濃度下，金屬離子Co2＋、Ni2＋通過置換血紅蛋白內的氧感受器Fe2＋，導致氧氣不能結合在Fe2＋上，故細胞在正常氧氣濃度下，不能結合氧氣，造成細胞低氧。由此可以在體外培養(yǎng)的細胞中誘導腫瘤低氧模型建立［17］。

4 VEGF與腫瘤

4.1 腫瘤的低氧微環(huán)境

腫瘤組織微環(huán)境經(jīng)常存在低氧區(qū)，原因在于腫瘤脈管網(wǎng)絡有幾個區(qū)別于正常脈管系統(tǒng)的獨特病理特征：高密度、扭曲、動靜脈缺乏清楚的分離、有漏隙、更高滲透性、管壁缺乏外膜細胞，由不完整的基底膜覆蓋，腫瘤血管壁由形狀像馬賽克一樣的細胞（Mosaic cell）組成；而正常血管壁由內皮細胞與外膜細胞（Mural cell）組成，有完整的基底膜覆蓋，血管內物質不容易滲出［16］。腫瘤組織這種不同于正常血管的特征使本身高代謝，高生長速率的惡性腫瘤血流灌注差，組織液的高壓力，酸毒癥，最終造成缺氧，同時腫瘤細胞的增生速度遠大于新生血管內皮細胞的生成速度，加重缺氧［18］。缺氧導致快速增長的腫瘤組織中央核心壞死，同時腫瘤組織為了生存侵入周圍組織，最終轉移形成［18－19］。低氧通過誘導VEGF的高表達，促進腫瘤血管生成，更增加了腫瘤轉移的風險，Lee等［20］將含有VEGF基因片段的載體轉染小鼠的T241纖維瘤細胞，植入斑馬魚的胚胎（Zebrafish embryos）中，在常氧與低氧環(huán)境中培養(yǎng)，結果低氧組見到腫瘤的廣泛播散、局部與遠處轉移。常氧組并沒見到這些現(xiàn)象。

4.2 腫瘤的血管生長

許多腫瘤處于原發(fā)病灶數(shù)年無血管狀態(tài)，即腫瘤的無血管期，腫瘤組織很少超過2～3mm3，此時腫瘤處于休眠狀態(tài)。依靠鄰近組織血管獲取營養(yǎng)和氧氣，細胞處于穩(wěn)定更新，適應宿主環(huán)境，一旦腫瘤組織內某亞群細胞表型受細胞因子激發(fā)，血管形成，腫瘤組織獲得足夠的營養(yǎng)物質，即進入快速增長的有血管期，同時血管也促進腫瘤侵入和轉移［21］。

血管發(fā)生（Vasculogenesis）和血管生成（Angiogenesis）必須要有VEGF的存在。在胚胎形成期，血管形成分兩個階段，血管發(fā)生：原始祖細胞分化成內皮細胞；血管生成：新生的毛細血管從已經(jīng)存在的血管中以出芽的形式生長出來。在正常的成年哺乳動物只有一種血管生成方式即血管生成，內皮細胞周圍局部基底膜分解，內皮細胞侵入基質。這種侵入同時伴隨著內皮細胞的增殖，形成遷移列（Migrating column）內皮細胞改變形狀，彼此形成環(huán)狀，新生的血管腔就形成了［22］。腫瘤組織的血管形成VEGF同樣必不可少，VEGFA／VEGFR－2信號通路起到最重要的作用，影響瘤組織內皮細胞的增殖、存活、出芽、遷移。影響腫瘤血管的滲透性［7］。在缺乏VEGF蛋白刺激的內皮細胞，還能依靠自分泌VEGF蛋白來保證其完整性與存活。VEGF－C／VEGF－D介導腫瘤組織淋巴管的生成，并促進腫瘤組織的轉移。

5 展望

腫瘤目前的治療方式主要有手術、化療、放療、生物治療。Folkman［23］1971提出抗血管生成將成為一個腫瘤治療的新策略，從此腫瘤血管就成為腫瘤治療的新靶點，稱為分子靶向治療。腫瘤組織由于血管紊亂，不同于正常血管造成瘤組織缺氧，誘導HIF－1進而上調VEGF的表達，增加血管的生成，腫瘤血管的生成不僅僅是給腫瘤組織提供營養(yǎng)物質，同時為腫瘤的播散、轉移提供條件，拮抗VEGF的表達就成為控制腫瘤血管生成的一個途徑。貝伐單抗（Bevacizumab）是一種人源化的鼠抗VEGF單抗，通過結合VEGF－A阻止其與受體VEGFR－2的結合，達到拮抗血管生成的目的。2004年2月26日獲得FDA（Food and Drug Administration）的批準，是美國第一個獲得批準上市的拮抗腫瘤血管生成的藥物，在治療轉移性結腸癌中聯(lián)合化療藥物提高中位生存時間。而后拮抗血管生成的受體絡氨酸激酶抑制藥物舒尼替尼（Sunitinib）、索拉菲尼（Sorafenib）出現(xiàn)，可以用于腎癌，胃腸道等腫瘤的治療，目前雖然腫瘤的臨床以及科研治療中并沒有收到特別好的效果，但腫瘤治療仍然有很多值得關注。

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