Wnt/β-catenin信號傳導通路與大腸癌的發(fā)生發(fā)展

郭 穎,郭建華 綜述，張林西 審校

(1.河北北方學院基礎醫(yī)學院病理教研室，河北 張家口 075000；2.張家口市紅十字醫(yī)院B超室， 河北 宣化 075100；3.河北北方學院生命科學研究中心，河北 張家口 075000)

Wnt/β-catenin信號傳導通路與大腸癌的發(fā)生發(fā)展

郭 穎1,郭建華2綜述，張林西3審校

(1.河北北方學院基礎醫(yī)學院病理教研室，河北 張家口 075000；2.張家口市紅十字醫(yī)院B超室， 河北 宣化 075100；3.河北北方學院生命科學研究中心，河北 張家口 075000)

大腸癌的發(fā)生發(fā)展是一個多因素、多階段、多基因改變逐漸累積的復雜過程。Wnt/β-catenin信號傳導通路中某些關鍵成員的基因異常改變(突變或缺失)，導致通路的異常激活，與大腸癌的發(fā)生發(fā)展密切相關?，F(xiàn)針對Wnt/β-catenin信號傳導通路與大腸癌發(fā)生發(fā)展的關系進行綜述。

1 Wnt/β-catenin信號傳導通路

Wnt/β-catenin信號傳導通路是一個多環(huán)節(jié)、多作用位點、胚胎生長發(fā)育所必需的重要信號調控通路。在多種因素的作用下，此信號通路精確地調控著動物的正常生長和發(fā)育，而當其影響因素發(fā)生變化使其不正當活化時，即會導致腫瘤。該信號傳導通路包括胞膜、胞質、胞核信號3部分。在Wnt信號通路未被激活的正常細胞中，β-連環(huán)蛋白(β-catenin，β-cat)主要連接在E-鈣粘蛋白(epithelial cadherin, E-cad)分子上，而細胞質內只有少量的β-cat。細胞質內由結直腸腺瘤性息肉病蛋白(adenomatous polyposis colon，APC)、軸蛋白(Axin)、糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)和β-TrCP(β-transducin repeat-containing proteins)組成的復合物可降解β-cat。當細胞內的信號轉導通路被激活時，Wnt家族分泌性相關蛋白—Wnt蛋白可以活化細胞內散亂蛋白(dishevelled,Dsh)。而Dsh的活化抑制了蛋白復合物的活性，導致β-cat在細胞內無法被降解而大量積聚并轉移到細胞核內，與轉錄因子T細胞轉錄因子/淋巴增強因子(T cell factor/lymphoid enhancing factor，TCF/LEF)相結合，激活下游靶基因的轉錄。常見的靶基因有CyclinD1、MMP-7、LGR5、ASCL2、SOX9、C-myc、COX-2等[1-3]。這些基因在腫瘤發(fā)生發(fā)展中扮演了重要的角色，主要通過推動細胞周期發(fā)展使細胞增殖加快和異常蛋白產生，進而加速細胞癌變與腫瘤形成，這些異常蛋白是Wnt信號最終效應的啟動器。Wnt信號傳導途徑的異常激活參與多種人類癌癥的發(fā)病，特別是結直腸癌。

2 Wnt/β-catenin信號傳導通路的核心β-catenin

人類β-cat基因(CTNNB1)先后由Kraus和 van Hengel等[4]檢測到，定位于染色體3p21.3-p22，該區(qū)域是人類基因組經常發(fā)生惡性改變的區(qū)域。基因全長23.2 kb，含16個外顯子，其中第3外顯子最為重要,位于β-cat氨基末端，是GSK-3β的磷酸化位點。能夠編碼β-cat降解所需的氨基酸序列如Ser33、Ser37、Ser41、Thr41，而第3外顯子的突變在某些腫瘤組織中檢測出來[5]。β-cat蛋白相對分子量為92～95 kD，由781個氨基酸殘基組成。在一級結構中主要有3個功能區(qū)域：150個氨基酸殘基組成的N端，100個氨基酸殘基組成的C端以及550個氨基酸殘基的中央arm重復序列。N端是β-cat受GSK3β磷酸化降解的位點；C端和armadillo區(qū)域共同參與TCF/LEF的活化；中間armadillo重復序列處于β-cat的134～671位氨基酸殘基位點，每42個氨基酸殘基構成12個重復序列，除第7個重復序列缺乏H螺旋外，每個重復序列都有3個α螺旋，相鄰的螺旋結構組成了超螺旋，β-cat就通過這種超螺旋結構與E-cad、APC等多種蛋白互相結合而發(fā)揮各種功能[6]。由此可見，β-cat在Wnt信號通路中發(fā)揮核心作用。

3 Wnt/β-catenin信號通路主要成分異常與大腸癌

3.1 Wnt基因及其受體異常與大腸癌

至今在人類染色體中已克隆出19種Wnt基因家族的成員，它們是Wnt信號傳導通路的啟動因素。由Wnt基因編碼的蛋白—Wnt蛋白，是一種分泌型的糖蛋白，是Wnt信號傳導系統(tǒng)的起始蛋白質。多項研究證實Wnt的異常激活與多種腫瘤的發(fā)生有關，包括頭頸部惡性腫瘤、結直腸癌、肺癌等[7-9]。當細胞或組織中出現(xiàn)Wnt異常表達時，就會啟動Wnt/β-catenin經典信號通路， Wnt蛋白與胞膜上低密度脂蛋白受體相關蛋白(low density lipoprotein receptor related protein)LRP-5、LRP-6輔助受體和卷曲蛋白(Frizzled，F(xiàn)rz)受體結合，可作為Wnt通路的激活信號，從而使細胞漿內的β-cat數(shù)量增多并進入細胞核，激活靶基因轉錄。另外，WIF-l、Cerberus和FrzB競爭性抑制Wnt和Frz受體的結合，同時Dickkopf家族(DKK-l，DKK-2)也通過減少可利用的輔助受體LRP的數(shù)量來間接抑制Wnt與膜受體的結合。目前有研究表明，Wnt基因及其受體異常與人類腫瘤的發(fā)生有一定的相關性，如Wnt-2和Wnt-5a可能在大腸癌的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用[10-11]。另外，DKK-1的失活也可能與大腸癌的進展有一定關聯(lián)[12]。

3.2 β-catenin突變和異常表達與大腸癌

有資料顯示，β-cat基因(CTNNB1)第三外顯子突變是引起Wnt/β-catenin通路異常激活的原因之一，是目前研究的突變熱點。第3號外顯子的密碼子主要包括Ser33、Ser37、Ser41、Thr41等，GSK-3β磷酸化位點就在以上密碼子編碼的蛋白質區(qū)，研究已發(fā)現(xiàn)腫瘤組織中存在這些位點的缺失或突變。Morin等[13]研究了4株結腸癌細胞，經分析發(fā)現(xiàn)，其中半數(shù)結腸癌的細胞株中都存在CTNNB1突變，同時發(fā)現(xiàn)一株突變的位置在第33號密碼子出現(xiàn)點突變，即Ser33→Tyr，而另一株存在Ser45密碼子的缺失。另外，又研究了5例結腸癌標本，其中3例存在CTNNB1突變，而且突變都發(fā)生在3號外顯子所編碼的與GSK-3β發(fā)生磷酸化的位點上。由于此位點的突變，使β-cat無法與GSK-3β結合，從而β-cat不被蛋白復合體降解，β-cat在胞漿內過多積聚，進入核內啟動下游靶基因，導致腫瘤的發(fā)生；與此同時β-cat突變后不能與E-cad結合，也就無法形成E-cad/β-cat功能復合體，從而細胞之間黏附力下降，這也是腫瘤細胞發(fā)生浸潤和轉移的原因。研究發(fā)現(xiàn)，大腸腺瘤和大腸癌中有相當比例的腫瘤中有β-cat基因突變。在動物實驗中，由毒物誘導的大腸癌中就可頻繁檢測到β-cat基因突變[14]。

3.3 APC基因突變與大腸癌

腺瘤性息肉病基因(adenomatous polyposis colon)，也稱APC基因。APC蛋白有多個功能域，其中間區(qū)域就是和β-cat結合的磷酸化位點。APC在調節(jié)β-cat的穩(wěn)定性中起負性調節(jié)作用，能刺激β-cat被GSK-3β磷酸化，促進胞漿β-cat的降解。

研究發(fā)現(xiàn)，APC突變發(fā)生最多的部位在第15個外顯子的5′端編碼的1280～1500氨基酸殘基的區(qū)域，這個區(qū)域的突變可影響位于1020～1169和1324～2075氨基酸殘基間的功能域，妨礙了與β-cat的結合，從而β-cat不能被降解，在胞漿內過量累積并進入細胞核。Henderson等[15]發(fā)現(xiàn)，APC可能是β-cat的分子伴侶，兩者結合有助于維持細胞內β-cat低水平。因為APC可進入細胞核與β-cat結合并將其帶出細胞核，使β-cat與E-cad結合發(fā)揮黏附作用或被蛋白酶體降解。而APC突變后就無法發(fā)揮此功能，使β-cat在胞漿和胞核內異常蓄積，而誘導腫瘤的發(fā)生。

3.4 Axin基因突變與大腸癌

目前研究發(fā)現(xiàn)Axin家族主要包括Axin(Axin1)和Axin2這兩個成員。人Axin基因分別定位于16q13-3和17q23-24上，兩者的cDNA都包含10個外顯子，分別編碼有862及843個氨基酸殘基的蛋白質。

在結直腸癌的發(fā)生過程中，Axin1和Axin2的突變也起了重要的作用。Axin1基因突變常發(fā)生在第1和第5外顯子之間，影響與APC、GSK-3β和β-cat結合的位點，使蛋白復合體解聚，從而使細胞內β-cat濃度升高，而且Axin2也含有APC、GSK-3β和β-cat的結合位點。

由此可見，Axin是蛋白復合體形成的支架蛋白，具有協(xié)助GSK-3β磷酸化β-cat的作用，如果Axin基因突變，就會使從而使細胞內β-cat異常蓄積，進而異常激活Wnt信號通路[16]。Parveen等[17]在研究大腸癌組織時發(fā)現(xiàn)Axin突變，但β-cat和APC都未出現(xiàn)突變，導致與GSK-3β或Dsh結合的位點消失，進而出現(xiàn)β-cat在核內積聚。同時有研究發(fā)現(xiàn)，在人的大腸癌組織中Axin的表達與β-cat的細胞核蓄積和大腸癌的低分化呈負相關[18]。提示Axin可能在腫瘤的浸潤、轉移過程中也起重要作用。

3.5 TCF-4與大腸癌

T細胞因子(TCF)家族包含4個不同蛋白TCF-l、TCF-2、TCF-3、TCF-4/LEF。在大腸正常上皮及腫瘤細胞中表達的主要是TCF-4。TCF-4在Wnt信號通路中起著分子開關的作用，在缺乏信號刺激時，轉錄抑制因子CBP(CREB binding protein)和Grouch蛋白與TCF-4結合，封閉下游基因的轉錄。然而，當Wnt信號激活時，上游信號分子β-cat進入細胞核后競爭結合TCF-4，從而去除抑制作用，開啟靶基因的轉錄表達。Cuilliere-Dartigues 等[19]發(fā)現(xiàn)多數(shù)大腸癌細胞中TCF-4的突變發(fā)生在基因的3′端，可減少C-末端結合蛋白的結合，從而增強Wnt下游靶基因的轉錄活性，這說明TCF-4基因突變促進了結腸癌的發(fā)生發(fā)展。然而，β-cat/TCF-4復合物進入細胞核后，受到哪些信號分子的調控從而啟動特定靶基因的轉錄和表達，目前尚不十分清楚。

3.6 COX-2及其產物PGE2與大腸癌

Asting等[20]通過微陣列芯片分析研究發(fā)現(xiàn)，COX-2蛋白在大腸癌中高表達。國內外大量實驗現(xiàn)已證實，COX-2的過表達與大腸癌發(fā)生、發(fā)展、浸潤、轉移密切聯(lián)系。COX-2激活后所產生的炎癥產物PGE2與其受體結合，使胞漿G蛋白偶聯(lián)受體(Gas)被激活，并與Axin結合，從而使APC蛋白復合體解聚，這樣β-cat不能被GSK-3β磷酸化，而在胞漿內大量累積并進入細胞核，使下游靶基因異常轉錄，從而促進大腸癌的發(fā)生發(fā)展[21]。

4 對Wnt/β-catenin通路的臨床干預

在結直腸癌的發(fā)生機制中普遍存在Wnt信號通路異常激活，因此認為從不同水平阻斷Wnt信號通路可發(fā)揮抗腫瘤作用。①阻斷Wnt蛋白表達：Wnt蛋白是Wnt信號通路的起始蛋白質，其異常激活與腫瘤的發(fā)生有關。因此，阻斷其表達可抑制Wnt通路的激活，如應用Wnt單克隆抗體或小干擾RNA能誘導腫瘤細胞凋亡。分泌性卷曲相關蛋白(secreted frizzled related proteins，sFRPs)是Wnt拮抗劑，可與受體競爭結合Wnt蛋白或者直接與Wnt蛋白結合，從而阻斷Wnt信號通路。sFRP1甲基化及其所致表達下調可能在部分結直腸癌的發(fā)病過程中起重要作用[22]。將sFRP4轉染到sFRP4缺失的腫瘤細胞中，發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞的生長明顯受到抑制并逐漸出現(xiàn)腫瘤細胞凋亡[23]。DKK(Dickkopf)蛋白是Wnt輔助受體低密度脂蛋白受體相關蛋白5/6(low density lipoprotein receptor related protein 5/6，LRP5/6)的拮抗劑。Lim等[24]在結腸癌中就通過誘導DKK-4基因的表達從而阻斷了Wnt信號通路。②阻斷β-cat蛋白表達，促進β-cat的降解：β-cat表達增高是Wnt信號通路激活并誘導腫瘤發(fā)生的關鍵環(huán)節(jié)，因此，可以阻斷β-cat的表達為治療靶點，如：通過RNA干涉技術及反義基因治療阻斷β-cat的表達；還可以通過泛素蛋白泛素化并降解胞漿中β-cat的表達，作為抗癌治療的一個新靶點。非甾體類抗炎藥可通過增加β-cat的降解發(fā)揮抗腫瘤作用。Greenspan等[25]報道布洛芬可有效抑制活化的核β-catenin，從而抑制 Wnt信號途徑的轉錄活性。③促進β-cat重新轉位到細胞膜：正常情況下，β-cat主要與E-cad結合，定位于細胞膜上，而腫瘤細胞的胞膜上β-cat減少，大部分在細胞內積聚，若使細胞漿或細胞核中的β-cat重新轉位到細胞膜，就可相應地減少細胞內的β-cat，從而達到阻斷Wnt通路的目的。如SKI-606是結腸癌細胞β-cat的酪氨酸殘基磷酸化的主要激酶pp60的抑制劑，可使β-cat重新定位于細胞膜，使β-cat與E-cad結合形成復合體，相應地減少核內β-cat與TCF/LEF的結合及轉錄，從而抑制結腸癌細胞的生長與運動[26]。④抑制β-cat/TCF轉錄活性：如植物類化合物姜黃素和咖啡酸苯乙酯就可發(fā)揮此功能，使下游靶基因受到廣泛抑制，從而在一定程度上阻斷腫瘤進一步發(fā)展。⑤阻斷Wnt/β-catenin信號通路的下游靶基因：β-cat在胞漿內過多積聚后，進入細胞核，并與TCF/LEF結合，可以調控下游如C-myc、COX-2、MMP7等靶基因的表達，而這些靶基因可參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中并起重要作用。因此，阻斷它們的表達可作為癌癥治療的靶點。

5 結 語

Wnt/β-catenin信號通路的異?；罨瘏⑴c了大腸癌的發(fā)生發(fā)展，其機制較為復雜，仍處于研究和探索階段。隨著相關機制不斷深入研究，針對該通路的不同基因靶點和高特異性基因藥物不斷涌現(xiàn)，將為人類戰(zhàn)勝癌癥提供新的希望。

[1]Li Y J,Wei Z M,Meng Y X,et al.Beta-catenin up-regulates the expression of cyclinD1,c-myc and MMP-7 in human pancreatic cancer:Relationships with carcinogenesis and metastasis[J].World J Gastroenterol,2005,11(14):2117-2123.

[2]Kristoffer W B,Jan E P,Einar M A,et al.Protein kinase A antagonist inhibits β-catenin nuclear translocation,c-Myc and COX-2 expression and tumor promotion in ApcMin/+ mice[J].Mol Cancer,2011,10:149.

[3]Rani N,Randall F H,Marian L W.Wnt signaling and colon carcinogenesis:Beyond APC[J].J Carcinog,2011,10:5.

[4]Kraus C,Liehr T,Hülsken J,et al.Localization of the human beta-catenin gene(CTNNB1)to 3p21:A region implicated in tumor development[J].Genomics,1994,23(1):272-274.

[5]Akisik E,Bura D,Yamaner S,et al.Analysis of β-catenin alterations in colon tumors:A novel exon 3 mutation[J].Tumor Biol,2011,32(1):71-76.

[6]Rigen M,Teng-Leong C,Meghan T M,et al.The terminal region of beta-catenin promotes stability by shielding the Armadillo repeats from the axin-scaffold destruction complex[J].J Biol Chem,2009,284(41):28222-28231.

[7]Dowejko A,Bauer R,Bauer K,et al.The human HECA interacts with cyclins and CDKs to antagonize Wnt-mediated proliferation and chemoresistance of head and neck cancer cells[J].Exp Cell Res,2012,318(5):489-499.

[8]Felipe de Sousa E M,Selcuk C,Joyce B,et al.Methylation of cancer-stem-cell-associated Wnt target genes predicts poor prognosis in colorectal cancer patients[J].Cell Stem Cell,2011,9(5):476-485.

[9]Eugenia C P P,Edward E M.Wnt and K-ras signaling-dark siblings in lung cancer[J].Oncotarget,2011,2(7):569-574.

[10]Park J K,Song J H,He T C,et al.Overexpression of Wnt-2 in colorectal cancers[J].Neoplasma,2009,56(2):119-123.

[11]S L McDonald,A Silver.The opposing roles of Wnt-5a in cancer[J].Br J Cancer,2009,101(2):209-214.

[12]Aguilera O,Fraga M F,Ballestar E,et al.Epigenetic inactivation of the Wnt antagonist DICKKOPF-1(DKK-1)gene in human colorectal cancer[J].Oncogene,2006,25(29):4116-4121.

[13]Morin P J,Sparks A B,Korinek V,et al.Activation of beta-catenin-TCF signaling in colon cancer by mutations in beta-catenin or APC[J].Science,1997,275(5307):1787-1790.

[14]Kohno H,Suzuki R,Sugie S,et al.Beta-catenin mutations in a mouse model of inflammation-related colon carcinogenesis induced by 1,2-dimethylhydrazine and dextran sodium sulfate[J].Cancer Sci,2005,96(2):69-76.

[15]Beric R H,Francois F.The ins and outs of APC and beta-catenin nuclear transport[J].EMBO Rep,2002,3(9):834-839.

[16]Marinella G C,Hoanh T,Lilian P,et al.Ubiquitin ligase RNF146 regulates tankyrase and Axin to promote Wnt signaling[J].PLoS One,2011,6(7):e22595.

[17]Parveen N,Mahboob U H,Arshad A P,et al.Diversity of axin in signaling pathways and its relation to colorectal cancer[J].Med Oncol,2011,Suppl 1:S259-267.

[18]姚宏,郭秀麗,張少然.大腸癌中Axin與β-連環(huán)素異常表達的關系[J].中國藥物與臨床,2006,11(6):805-808.

[19]Cuilliere-Dartigues P,El-Bchiri J,Krimi A,et al.TCF-4 isoforms absent in TCF-4 mutated MSI-H colorectal cancer cells colocalize with nuclear CtBP and repress TCF-4-mediated transcription[J].Oncogene,2006,25(32):4441-4448.

[20]Asting A G,Carén H,Andersson M,et al.COX-2 gene expression in colon cancer tissue is related to regulating factors and promoters methylation status[J].BMC Cancer,2011,11:238.

[21]Castellone M D,Teramoto H,Gutkind J S.Cyclooxygenase-2 and colorectal cancer chemoprevention:The beta-catenin connection[J].Cancer Res,2006,66(23):11085-11088.

[22]王巍，張冰，閻雪晶,等.Wnt拮抗因子SFRP1在結直腸癌發(fā)病機制中的作用[J].中國醫(yī)科大學學報,2012,41(5):440-443.

[23]He B,Lee A Y,Dadfarmay S,et al.Secreted frizzled-related protein 4 is silenced by hypermethylation and induces apoptosis in beta-catenin-deficient human mesothelioma cells[J].Cancer Res,2005,65(3):743-748.

[24]Lim J W,Mathias R A,Kapp E A,et al.Restoration of full-length APC protein in SW480 colon cancer cells induces exosome-mediated secretion of DKK-4[J].Electrophoresis,2012,33(12):1873-1880.

[25]Greenspan E J,Madigan J P,Boardman L A,et al.Ibuprofen inhibits activation of nuclear β-catenin in human colon adenomas and induces the phosphorylation of GSK-3β[J].Cancer Prev Res(Phila),2011,4(1):161-171.

[26]Coluccia A M,Benati D,Dekhil H,et al.SKI-606 decreases growth and motility of colorectal cancer cells by preventing pp60(c-Src)-dependent tyrosine phosphorylation of beta-catenin and its nuclear signaling[J].Cancer Res,2006,66(4):2279-2286.

[責任編輯：李薊龍]

河北省高等學?？茖W技術研究青年基金項目(QN20131078)

郭穎(1982-)，女，河北張家口人，講師，碩士，研究方向：消化道腫瘤病理。

R 735.34

C

10.3969/j.issn.1673-1492.2015.02.036

來稿日期：2014-12-04