黏附分子在EMT及癌細(xì)胞干性調(diào)節(jié)中的分子機(jī)制研究進(jìn)展

周德望，楊勇

(中國(guó)藥科大學(xué)藥物科學(xué)研究院，江蘇 南京 211198)

對(duì)于多細(xì)胞生物而言，細(xì)胞-細(xì)胞黏附是基本的生物學(xué)過(guò)程，它影響著細(xì)胞和組織的形態(tài)[1]。細(xì)胞間黏附及細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)的信號(hào)傳導(dǎo)與其他相關(guān)基因緊密協(xié)調(diào)以維持組織穩(wěn)態(tài)[2-3]。在轉(zhuǎn)移性癌癥發(fā)展過(guò)程中細(xì)胞-細(xì)胞黏附會(huì)被破壞，隨后黏附介導(dǎo)的信號(hào)會(huì)增強(qiáng)細(xì)胞能動(dòng)性。上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-to-mesenchymal transition,EMT)常發(fā)生在腫瘤進(jìn)展和胚胎發(fā)育的過(guò)程中，其導(dǎo)致細(xì)胞間強(qiáng)黏附且具有上皮形態(tài)的細(xì)胞轉(zhuǎn)化為更具能動(dòng)性和侵襲性的細(xì)胞，如間質(zhì)細(xì)胞[4]。EMT會(huì)引發(fā)基于鈣粘蛋白(cadherin)的同型細(xì)胞間強(qiáng)力連接的弱化及減弱細(xì)胞借助鈣粘蛋白-連環(huán)蛋白(catenin)錨定至細(xì)胞骨架的能力，進(jìn)而誘導(dǎo)黏附能力較弱或異型黏附的黏附分子表達(dá)。這些特性促使癌細(xì)胞從原發(fā)組織脫離，減弱癌細(xì)胞與ECM組分和其他細(xì)胞(例如成纖維細(xì)胞)結(jié)合的能力，從而向淋巴和血液系統(tǒng)遷移。此外，轉(zhuǎn)移性腫瘤細(xì)胞還具備正常干細(xì)胞的特性，這種癌細(xì)胞常被稱為癌癥干細(xì)胞(cancer stem cells,CSCs)[5]。

細(xì)胞-細(xì)胞黏附受細(xì)胞黏附分子(cell adhesion molecules,CAMs)調(diào)節(jié)，細(xì)胞黏附分子是與細(xì)胞骨架連接的跨膜受體，其控制細(xì)胞組裝成三維結(jié)構(gòu)如組織[6]。CAMs影響著細(xì)胞與周圍環(huán)境的相互作用并調(diào)節(jié)其對(duì)外部刺激的反應(yīng)，并且CAMs的表達(dá)及其相關(guān)信號(hào)的傳導(dǎo)在癌癥發(fā)展的不同階段中均起重要作用[6]。本文綜述了細(xì)胞黏附分子及其分子機(jī)制調(diào)控不完全EMT狀態(tài)及癌細(xì)胞干性的分子機(jī)制。

1 黏附分子與不完全的EMT

癌細(xì)胞可經(jīng)EMT增強(qiáng)細(xì)胞的能動(dòng)性和侵襲性進(jìn)而增強(qiáng)其轉(zhuǎn)移能力，而且EMT還具有誘導(dǎo)細(xì)胞干性的能力[7-8]。有研究表明轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞的存活依賴于上皮細(xì)胞角蛋白(cytokeratin，CK)的表達(dá)，成功轉(zhuǎn)移還需要上皮細(xì)胞黏附蛋白(E-和P-cadherin)和細(xì)胞角蛋白(CK5、CK8和CK14)的表達(dá)[9-10]。這些研究說(shuō)明識(shí)別逐步EMT階段的CAMs在腫瘤轉(zhuǎn)移的過(guò)程中扮演著重要的角色。雖然在EMT期間細(xì)胞的黏附性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，但在正常胚胎發(fā)育期間或癌癥期間很少見到從上皮狀態(tài)到間質(zhì)狀態(tài)的二元轉(zhuǎn)換[11]，在皮膚癌和乳腺癌小鼠模型和患者來(lái)源的異種移植物(patient-derived xenograft ,PDX)模型的研究中，根據(jù)上皮標(biāo)記物上皮細(xì)胞黏附分子(epithelial cell adhesion molecule,EpCAM)的喪失和細(xì)胞- ECM黏附受體整合素α5(CD51)，整合素β3(CD61)和血管細(xì)胞黏附分子1(vascular cell adhesion molecule 1,VCAM1)(CD106)獲得的程度，將經(jīng)歷EMT的癌細(xì)胞細(xì)分為6種表型和功能上不同的狀態(tài)[12]。此外，被動(dòng)轉(zhuǎn)移模型表明不完全的EMT亞型的細(xì)胞更容易進(jìn)入循環(huán)，定植在肺并形成轉(zhuǎn)移[12]。

在腫瘤細(xì)胞中觀察到的這種不完全的EMT可以解釋腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性及腫瘤生態(tài)位中各種癌細(xì)胞具有不同致瘤能力。具有不完全EMT的癌細(xì)胞被認(rèn)為在腫瘤出芽，侵襲和定植中更有效，因?yàn)檫@些過(guò)程顯然EMT和間質(zhì)-上皮轉(zhuǎn)換(mesenchymal-to-epithelial transition,MET)[10]。但具有不完全EMT特性的癌細(xì)胞在EMT與MET間的轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制仍缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。

2 不完全的EMT，循環(huán)腫瘤微栓子和轉(zhuǎn)移

近年來(lái)的研究表明，癌細(xì)胞的擴(kuò)散主要以多細(xì)胞簇而非單細(xì)胞的形式發(fā)生。在腫瘤轉(zhuǎn)移能力中起關(guān)鍵作用的循環(huán)腫瘤細(xì)胞(circulating tumor cells,CTCs)也有著不完全EMT的狀態(tài)。由于單個(gè)腫瘤細(xì)胞表面上存在EpCAM，細(xì)胞彼此保持著黏性，CTCs得以形成循環(huán)腫瘤細(xì)胞簇或稱為循環(huán)腫瘤微栓子(circulating tumor microemboli,CTM)[13-14]。在不同類型的癌癥(乳腺癌、肺癌、結(jié)腸直腸癌和前列腺癌)研究中均發(fā)現(xiàn)了CTM的存在，并且在轉(zhuǎn)移的后期觀察到CTM數(shù)量的增加[15-16]。CTM中的單個(gè)細(xì)胞有著不同的EMT亞型，這樣的狀態(tài)有助于其在循環(huán)，外滲以及腫瘤細(xì)胞定植過(guò)程中存活[12,14,17-18]。以往的研究認(rèn)為單個(gè)播散性腫瘤細(xì)胞是轉(zhuǎn)移性腫瘤的前體。當(dāng)涉及一簇不同的腫瘤細(xì)胞時(shí)，便會(huì)形成多克隆的轉(zhuǎn)移組織[13]。CTM的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步佐證了以往的研究，且為癌癥治療的個(gè)體差異性及耐藥性提供了可能的解釋。

在胰腺導(dǎo)管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma,PDAC)中，E-cadherin+,claudin-7+，EpCAM+的不完全EMT細(xì)胞主要以CTM的形式參與轉(zhuǎn)移[17]。在一項(xiàng)人乳腺癌的研究中發(fā)現(xiàn)CTM比CTCs更具轉(zhuǎn)移性,而且CTM中γ-catenin表達(dá)會(huì)增加[19]。γ-catenin是β-catenin的旁系同源物，除了與黏附連接的相互作用外，還是橋粒的關(guān)鍵組分，橋粒是一種特殊的上皮細(xì)胞-細(xì)胞黏附結(jié)構(gòu)。β-catenin過(guò)表達(dá)會(huì)促進(jìn)腫瘤發(fā)生，而γ-catenin主要與腫瘤抑制相關(guān)[20]。有趣的是，表達(dá)γ-catenin的乳腺癌細(xì)胞易脫落成為更具轉(zhuǎn)移性的CTM進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，而缺乏γ-catenin細(xì)胞偏向以單細(xì)胞的形式參與轉(zhuǎn)移的過(guò)程。因此有人推測(cè)表達(dá)γ-catenin的CTM比單個(gè)腫瘤細(xì)胞更易被困在小毛細(xì)血管中，從而促進(jìn)CTM外滲到遠(yuǎn)端器官[19]。

3 上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化，癌癥干細(xì)胞和轉(zhuǎn)移

基于腫瘤組織連續(xù)切片發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞中細(xì)胞黏附和細(xì)胞干性之間存在著一定的聯(lián)系，研究發(fā)現(xiàn)腫瘤邊緣的細(xì)胞(最終萌芽進(jìn)入循環(huán)和轉(zhuǎn)移)可檢測(cè)到明顯的EMT和干細(xì)胞的標(biāo)志物[23]。在結(jié)直腸癌和胰腺癌中發(fā)現(xiàn)腫瘤起始干細(xì)胞上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)錄因子(EMT transcription factor,EMT-TF)ZEB1(其抑制E- cadherin轉(zhuǎn)錄)和SNAIL的表達(dá)增加。SNAIL(另一種EMT-TF)表達(dá)可穩(wěn)定β-catenin進(jìn)而促進(jìn)結(jié)腸直腸癌(colorectal cancer,CRC)中干細(xì)胞生態(tài)位的擴(kuò)增[24]。這些結(jié)果表明EMT可誘導(dǎo)侵襲性癌細(xì)胞的干性。由于E-cadherin的喪失和上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)殚g質(zhì)狀態(tài)通常被認(rèn)為是轉(zhuǎn)移性腫瘤干細(xì)胞的特征，因此藥理學(xué)觸發(fā)的MET也許是消除腫瘤起始細(xì)胞的有效的治療方法[25]。實(shí)際上，通過(guò)在乳腺腫瘤干細(xì)胞中誘導(dǎo)MET和E-cadherin表達(dá)(通過(guò)環(huán)腺嘌呤核糖核苷酸(cyclic AMP,cAMP)的增加及其激活的蛋白激酶A(protein kinase A,PKA))可觀察到致瘤能力的抑制[26]。

然而，MET的誘導(dǎo)可能并不總是阻斷轉(zhuǎn)移的有效手段，因?yàn)橐恍┭芯繄?bào)道成功轉(zhuǎn)移通常需要EMT的部分喪失或MET[27-29]。例如，乳腺癌細(xì)胞中EMT-TF Prrx1的缺失會(huì)誘導(dǎo)MET進(jìn)而導(dǎo)致CSC生態(tài)位的建立，而且MET是轉(zhuǎn)移所必需的[27]。在鱗狀細(xì)胞癌(squamous cell carcinoma,SCC)中，Twist-1介導(dǎo)的EMT是發(fā)性腫瘤細(xì)胞的局部侵襲和腫瘤細(xì)胞進(jìn)入循環(huán)所必需的，但是Twist-1的沉默和E-cadherin的重新獲得對(duì)于遠(yuǎn)處組織中的外滲和定植是必要的[28]。 TGF-β通過(guò)活化分化-1的抑制劑(inhibitor of differentiation-1,ID1)觸發(fā)MET，導(dǎo)致E-cadherin的再表達(dá)并與β-catenin螯合，以及vimentin的喪失[29]。ID1誘導(dǎo)的MET同樣賦予腫瘤細(xì)胞類似CSCs的特征(CD44high/ CD24low細(xì)胞的富集和乳腺球的形成)。雖然在原發(fā)腫瘤部位EMT和E-cadherin 的缺失都會(huì)促進(jìn)腫瘤的轉(zhuǎn)移，但轉(zhuǎn)移灶中的CSCs在TGF-β和ID1的影響下會(huì)重新表達(dá)E-cadherin 。這些研究結(jié)果表明，癌細(xì)胞的上皮或間質(zhì)狀態(tài)影響其干性/侵襲性取決于細(xì)胞是定位于原發(fā)性腫瘤，循環(huán)還是位于遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移部位。在另一項(xiàng)乳腺上皮細(xì)胞的研究中，Twist-1的長(zhǎng)期持續(xù)性的活化會(huì)導(dǎo)致非增殖性遷移細(xì)胞的產(chǎn)生，而瞬時(shí)誘導(dǎo)Twist-1導(dǎo)致E-cadherin，波形蛋白與干性相關(guān)的蛋白一同表達(dá)，并增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的侵襲能力[30]。皮膚癌細(xì)胞中的Twist-1水平?jīng)Q定了它們的侵襲程度，但低Twist-1(低E-cadherin，良性乳頭狀瘤)和高Twist-1(無(wú)E-cadherin，惡性腫瘤)細(xì)胞均顯示干細(xì)胞樣行為，表明癌細(xì)胞的干性不需要完全喪失上皮表型[31]。最后，許多最近的研究還指出同時(shí)具備上皮和間質(zhì)特性的細(xì)胞如何富含CSCs標(biāo)志物，變得更具轉(zhuǎn)移性，以及這些細(xì)胞在失去E-cadherin之前如何獲得干細(xì)胞樣特征[12,17-18，29]。

上皮細(xì)胞或間質(zhì)細(xì)胞黏附特性也可參與確定腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移部位(器官性)。 在PDAC的小鼠模型中，黏附連接斑塊蛋白δ-catenin(p120)穩(wěn)定E-cadherin對(duì)于肝轉(zhuǎn)移是必需的，而完全EMT的細(xì)胞會(huì)轉(zhuǎn)移至肺，即使在沒有p120的情況下也是如此[30]。因此，雖然原發(fā)腫瘤部位的EMT會(huì)增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的侵襲性且與干性相關(guān)，但仍對(duì)成功轉(zhuǎn)移是否需要部分恢復(fù)上皮狀態(tài)和獲得CSCs的特性缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。

4 黏附分子調(diào)控癌細(xì)胞干性的信號(hào)通路

參與E-cadherin缺失的EMT-TF的相關(guān)研究表明，細(xì)胞黏附特性的改變是建立和維持癌細(xì)胞干狀所必需的[25]。在正常干細(xì)胞和CSCs中，WNT信號(hào)的激活和細(xì)胞黏附中EMT相關(guān)的變化涉及β-catenin從黏附連接處被置換，從而將E-cadherin與肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架連接[32]。在大多數(shù)類型的癌癥中，β-catenin積累并逃避蛋白酶體破壞其復(fù)合物，進(jìn)而易位到細(xì)胞核中與T細(xì)胞因子(T-cell factor,TCF)一同誘導(dǎo)靶基因的反式激活，這些靶基因包括促進(jìn)CSCs產(chǎn)生的CAMs[32-33]。β-catenin-TCF靶基因CD44被EMT誘導(dǎo)，然后整合多種信號(hào)通路誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的干性。 CD44還會(huì)與透明質(zhì)酸結(jié)合將細(xì)胞錨定至ECM激活各種細(xì)胞信號(hào)通路誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的干性[34]。此外，研究發(fā)現(xiàn)核β-catenin的累積增加正常腸上皮細(xì)胞和CRC細(xì)胞中的CD44表達(dá)。CD44會(huì)磷酸化WNT受體LRP6增強(qiáng)WNT/β-catenin信號(hào)，并通過(guò)各種CSCs亞群中的JAK / STAT3途徑促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展。在鼻咽癌和乳腺癌中，CD44激活STAT3并促進(jìn)干細(xì)胞樣亞群的維持并促進(jìn)腫瘤的進(jìn)展。除WNT /β-catenin和JAK / STAT3信號(hào)傳導(dǎo)外[35-36]。CD44還誘導(dǎo)PI3K / AKT信號(hào)傳導(dǎo)。目前CD44s和CD44v已被確認(rèn)為幾種癌癥的預(yù)后標(biāo)志物，且有抗CD44抗體和CD44拮抗肽用于靶向癌癥治療[37]。

神經(jīng)細(xì)胞黏附免疫球蛋白樣分子L1是另一種WNT /β- catenin靶基因，它通過(guò)激活各種信號(hào)通路誘導(dǎo)癌細(xì)胞的干性[35]。β-catenin-TCF的激活會(huì)促進(jìn)CRC細(xì)胞L1的表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞能動(dòng)性及侵襲性增強(qiáng)誘發(fā)肝轉(zhuǎn)移[38-39]。L1通過(guò)支架蛋白ezrin和Rho相關(guān)蛋白激酶激活B細(xì)胞核因子κ輕鏈增強(qiáng)子(nuclear factor kappa light chain enhancer of B cells,NF-κB)信號(hào)，導(dǎo)致腸和結(jié)腸上皮干細(xì)胞標(biāo)志物IGFBP2、SMOC2和LGR5的轉(zhuǎn)錄升高[40]。L1介導(dǎo)的NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)誘導(dǎo)和干細(xì)胞相關(guān)基因的激活表明NF-κB活化可誘導(dǎo)去分化和腸上皮細(xì)胞中CSCs的建立。在CRC細(xì)胞中，L1介導(dǎo)的β-catenin-TCF反式激活導(dǎo)致ASCL2增加，ASCL2通過(guò)調(diào)節(jié)各種干性相關(guān)基因來(lái)確定腸干細(xì)胞的命運(yùn)。目前針對(duì)L1的治療方法已在幾種不同的癌癥中展現(xiàn)療效，治療方法包括短發(fā)夾RNA/小干擾RNA(shRNA/siRNA)介導(dǎo)L1下調(diào)或針對(duì)L1的高親和力單克隆抗體[41]。

5 結(jié)論與展望

在原發(fā)性腫瘤形成后，遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移的發(fā)展涉及許多階段，甚至需要數(shù)十年的時(shí)間。轉(zhuǎn)移過(guò)程涉及的眾多步驟的分子機(jī)制仍知之甚少。雖然EMT被認(rèn)為是腫瘤轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵步驟，但最近的體內(nèi)研究表明，EMT不會(huì)通過(guò)從上皮細(xì)胞到間質(zhì)狀態(tài)的二元步驟進(jìn)行的，而是涉及許多階段和不同的上皮/間質(zhì)狀態(tài)的變化。上皮/間質(zhì)狀態(tài)，干性特征的發(fā)展，以及在長(zhǎng)期轉(zhuǎn)移過(guò)程中一些性狀的獲得或喪失表明癌細(xì)胞的高度可塑性。

在同一腫瘤中存在許多有著不同程度EMT的腫瘤細(xì)胞亞群，但哪個(gè)EMT階段對(duì)于誘導(dǎo)干細(xì)胞性狀是必需的，并且該過(guò)程中涉及的分子信號(hào)通路仍有待確定，這些不同腫瘤細(xì)胞亞群對(duì)于成功轉(zhuǎn)移的作用和必要性也有待進(jìn)一步研究。雖然參與轉(zhuǎn)分化和不完全EMT表型的CAMs及相關(guān)細(xì)胞骨架蛋白的研究才剛剛起步，但建立合適的動(dòng)物模型，合理利用臨床樣本，或許有望能確定細(xì)胞黏附與這些癌細(xì)胞表型變化,相關(guān)的干性性狀及其與轉(zhuǎn)移的發(fā)展相關(guān)的分子特性,以期為癌癥治療提供有效的途徑。