腫瘤源性外泌體參與腫瘤轉(zhuǎn)移的相關(guān)信號通路研究

羅靜綜述 馬洪,胡赟審校

腫瘤轉(zhuǎn)移占腫瘤相關(guān)死亡的90%[1]，轉(zhuǎn)移是一個(gè)多步驟的過程。外泌體是一類細(xì)胞外囊泡，其主要作用是在機(jī)體細(xì)胞間傳遞信息，有助于腫瘤的發(fā)生和發(fā)展，包括正常細(xì)胞轉(zhuǎn)化為惡性細(xì)胞及血管生成。外泌體可能誘導(dǎo)或促進(jìn)腫瘤的形成，而腫瘤源性外泌體(tumour-derived exosomes，TDEs)是腫瘤細(xì)胞的首選信使，可促進(jìn)轉(zhuǎn)移等各種腫瘤內(nèi)生物學(xué)過程，其通過直接激活信號通路如PI3K/AKT或MAPK/ERK等來促進(jìn)腫瘤生長。腫瘤源性外泌體幫助腫瘤細(xì)胞調(diào)節(jié)其生長的微環(huán)境，更有利于腫瘤的發(fā)生和發(fā)展[2]。

1 外泌體結(jié)構(gòu)

外泌體是活細(xì)胞分泌的最小類型的細(xì)胞外囊泡，幾乎在所有體液中均可發(fā)現(xiàn)，包括血液、汗液、眼淚、尿液、唾液、母乳、腹水和腦脊液，直徑為30～150 nm[3]。1981年在體外培養(yǎng)的綿羊網(wǎng)織紅細(xì)胞上清液中首次發(fā)現(xiàn)被雙層膜包圍的小囊泡，并于1987年將這些細(xì)胞外囊泡命名為外泌體。外泌體由特定的分子特征定義，其常用分子標(biāo)記是表面四分體，包括CD9、CD63、CD81及熱休克蛋白(HSP60和HSP90)[4]。TDEs誘導(dǎo)分子特征，導(dǎo)致惡性細(xì)胞離開原發(fā)性腫瘤，并通過趨化作用促進(jìn)腫瘤細(xì)胞向前哨淋巴結(jié)的遷移并建立了促進(jìn)轉(zhuǎn)移的支持環(huán)境。外泌體中的脂質(zhì)成分包括鞘磷脂(SM)、磷脂酰絲氨酸(PS)、磷脂酰肌醇(PI)、磷脂酸(PA)、神經(jīng)酰胺和膽固醇，這些脂質(zhì)成分反映了產(chǎn)生它們的細(xì)胞類型，一般認(rèn)為，來源于同一類型細(xì)胞的外泌體含有相似的蛋白質(zhì)、核酸和脂質(zhì)，而在癌細(xì)胞和非癌細(xì)胞分泌的外泌體中其所含的膽固醇和磷脂不同[5]。外泌體中包含各種核酸，如mRNA、microRNA(miRNA)、長非編碼RNA(lncRNAs)及小干擾RNA(siRNA)，這些RNA不僅起基因表達(dá)調(diào)節(jié)劑的作用，還可以作為分泌因子調(diào)節(jié)細(xì)胞間通訊，在基于核酸和蛋白質(zhì)分析的原發(fā)性和轉(zhuǎn)移性腫瘤診斷中具有巨大的潛力[6]。隨著對外泌體研究的不斷深入，逐漸揭示其對細(xì)胞間通訊的重要作用，而細(xì)胞間通訊是腫瘤進(jìn)展和轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵特征，其參與抗原呈遞、細(xì)胞分化、生長、腫瘤免疫反應(yīng)、腫瘤細(xì)胞的遷移和侵襲[7]；同時(shí)，其在腫瘤治療中發(fā)揮重要作用。外泌體可以作為載體和生物標(biāo)志物，參與細(xì)胞凋亡信號通路，降低化療耐藥性，從而在腫瘤治療中發(fā)揮有益的作用。

2 腫瘤源性外泌體

大量的研究表明，miRNAs和lncRNAs在腫瘤的發(fā)展中起著重要的作用，其對腫瘤細(xì)胞的影響涉及多個(gè)方面，可通過多種模式由外泌體衍生或影響腫瘤細(xì)胞發(fā)育。外泌體lncRNAs有時(shí)會因1個(gè)miRNA家族的miRNA種子區(qū)域而富集，外泌體傳遞的非編碼基因能夠促進(jìn)腫瘤細(xì)胞對腫瘤環(huán)境的適應(yīng)和生存[8-9]。

TDEs微泡可釋放到間質(zhì)中，甚至直接進(jìn)入淋巴管或進(jìn)入腫瘤形成的假乳頭狀瘤中。此外，惡性腫瘤的新生血管被認(rèn)為特別易滲漏，其通透性可能受外泌體、細(xì)胞因子等的影響。TDEs可促進(jìn)各種腫瘤內(nèi)生物學(xué)過程，幫助癌細(xì)胞調(diào)節(jié)其生長的微環(huán)境，更有利于腫瘤的發(fā)生和發(fā)展[2]。目前的證據(jù)表明，TDEs在轉(zhuǎn)移的所有步驟中起重要作用。Li等[10]研究表明，miR-21來源于低氧細(xì)胞的外泌體，是上調(diào)最明顯的miRNAs之一，其中外泌體miR-21以缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)-1α和HIF-2依賴性方式顯著增加卵巢鱗狀細(xì)胞癌(OSCC)細(xì)胞遷移和侵襲。在相同條件下，肺癌細(xì)胞傾向于產(chǎn)生富含miR-23a的外泌體，促進(jìn)血管生成，增加血管通透性，有利于腫瘤細(xì)胞的生長和轉(zhuǎn)移[11]。乳腺癌細(xì)胞可以通過分泌攜帶高水平miR-122的囊泡，對小生境組織中的葡萄糖消耗進(jìn)行重新編程，并促進(jìn)轉(zhuǎn)移。同時(shí)，大量研究表明，TDEs參與上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)，其將信息從腫瘤傳遞到受體細(xì)胞，導(dǎo)致受體細(xì)胞的行為和微環(huán)境發(fā)生相關(guān)變化，其所涉及的機(jī)制十分復(fù)雜，因此，基于TDEs在EMT過程中所涉及的信號通路做一總結(jié)。

3 TDEs激活EMT參與相關(guān)信號通路

3.1 Wnt/β-catenin信號通路 人Wnt基因定位于12q13。在胚胎發(fā)育中，Wnt基因調(diào)控的重要信號傳導(dǎo)系統(tǒng)稱為Wnt通路。Wnt/β-catenin信號通路是Wnt通路中的一種，該途徑會導(dǎo)致β-連環(huán)蛋白在細(xì)胞質(zhì)中積累并最終會作為屬于TCF的轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄共激活因子/LEF家族易位至細(xì)胞核。Wnt/β-catenin信號通路是誘導(dǎo)EMT最主要的通路之一，其中β-catenin是參與促癌途徑的關(guān)鍵分子，Wnt/β-catenin作為腫瘤研究中最常見的靶點(diǎn)通路之一，常與TDEs相關(guān)，此外，Wnt/β-catenin信號通路還可激活EMT相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，如Twist、Slug、Snail等[12]。lncRNA小核仁RNA宿主基因12 (SNHG12)是具有調(diào)控Wnt信號的替代靶基因，SNHG12通過Wnt/β-catenin 途徑參與了食管鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞的干細(xì)胞和EMT，SNHG12會使miR-6835-3p誘導(dǎo)Bmi-1并與胰島素樣生長因子2mRNA結(jié)合蛋白2(IGF2BP2) 相互作用以激活 Wnt/β-catenin途徑[13]。Tang等[14]報(bào)道Wnt/β-catenin信號通路通過轉(zhuǎn)錄激活EMT和干細(xì)胞相關(guān)基因來增加EMT標(biāo)志物。缺氧誘導(dǎo)的HCC細(xì)胞可釋放外泌體miR-1273f，其通過激活Wnt/β-catenin信號通路增強(qiáng)常氧條件下肝細(xì)胞癌(HCC)細(xì)胞的EMT。lncRNA TIRY作為miRNA海綿，下調(diào)miR-14的表達(dá)，促進(jìn)口腔癌EMT的發(fā)生[15]。有報(bào)道稱，結(jié)直腸癌(CRC)細(xì)胞衍生的外泌體細(xì)胞環(huán)C1會激活Wnt/β-catenin信號通路，但其潛在的分子機(jī)制有待研究，此外，除了非編碼RNA外，許多Wnt配體都是由TDE遞送的。CRC細(xì)胞衍生的外泌體Wnt1可通過非匿名Wnt信號促進(jìn)CRC細(xì)胞的增殖和遷移[16]。Wnt5a通過誘導(dǎo)外泌體的釋放更積極地增強(qiáng)黑色素瘤，從而增加轉(zhuǎn)移的可能性。CRC細(xì)胞衍生的外泌體Wnt4通過β-catenin在低氧條件下的核易位介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)的Wnt/β-catenin信號通路。同時(shí)，宮頸癌細(xì)胞外泌體能增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞遷移和侵襲,調(diào)控增強(qiáng)Wnt/β-catenin信號通路中蛋白的表達(dá)[17]。因此，一些學(xué)者認(rèn)為，TDEs中存在的Wnt配體可以作為有前途的治療劑來控制癌細(xì)胞中EMT的誘導(dǎo)。

3.2 PI3K/Akt信號通路 磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)由2個(gè)亞基組成：一個(gè)p110催化亞基，一個(gè)p85調(diào)節(jié)亞基，具有SH2結(jié)構(gòu)域，可結(jié)合活化的受體酪氨酸激酶(RTK)和多種細(xì)胞因子受體胞內(nèi)段磷酸酪氨酸殘基，被募集到質(zhì)膜，使其催化亞基靠近質(zhì)膜內(nèi)小葉的磷脂酰肌醇。PKB與PKA、PKC均有很高的同源性，該激酶被證明是反轉(zhuǎn)錄病毒癌基因v-akt的編碼產(chǎn)物，故又稱Akt。PI3K在被激活后會產(chǎn)生多種與膜結(jié)合的PI-3-P，PKB可以利用其PH結(jié)構(gòu)域結(jié)合到這些錨定位點(diǎn)上，進(jìn)而完成下游信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)。PI3K/Akt是細(xì)胞中一個(gè)經(jīng)典的信號通路，與磷脂酰肌醇有關(guān)，也是RTK介導(dǎo)衍生的信號通路。研究表明[18]，PI3K信號參與細(xì)胞分化、增殖和凋亡等多種功能的調(diào)節(jié)，激活PI3K信號后，PI3K可與下游分子Akt結(jié)合，發(fā)生膜轉(zhuǎn)位進(jìn)而磷酸化激活；提示PI3K/Akt信號通路參與調(diào)控癌細(xì)胞生長，抑制其相關(guān)蛋白表達(dá)可抑制癌細(xì)胞的惡性生物學(xué)行為。在不同的細(xì)胞類型中，如HEK293細(xì)胞、頭頸部鱗癌細(xì)胞，當(dāng)HRS的表達(dá)受到抑制時(shí)，外泌體的生物發(fā)生減少[19]。研究表明，Snail過表達(dá)促進(jìn)了OSCC細(xì)胞中的EMT，OSCC細(xì)胞通過攝取源自癌相關(guān)成纖維細(xì)胞(caf)的miR-34a-5p缺失的外泌體，miR-34a-5p的轉(zhuǎn)移還可通過AKT/GSK-3β/β-catenin/Snail信號級聯(lián)效應(yīng)影響OSCC細(xì)胞的增殖和運(yùn)動(dòng)能力，說明miR-34a-5p/AXL軸抑制劑可能是治療口腔鱗狀細(xì)胞癌的潛在療法[20]。此外，外泌體lncRNA MALAT1可能通過調(diào)節(jié)巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶4(FUT4)相關(guān)的巖藻糖基化和PI3K/AKT/mTOR通路的激活，海綿化miR-26a/26b，從而增加CRC細(xì)胞的侵襲行為[21]。PI3K/Akt/mTOR軸為一種致癌信號通路，可調(diào)節(jié)多種細(xì)胞和分子活性，參與腫瘤形成、侵襲、轉(zhuǎn)移和化療耐藥，而外泌體miR-21通過激活PTEN/PI3K/AKT信號通路而誘導(dǎo)淋巴管生成[22]。

3.3 MAPK/ERK信號通路 絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)是信號從細(xì)胞表面?zhèn)鲗?dǎo)到細(xì)胞核內(nèi)部的重要傳遞者，MAPK通路的基本組成是一種從酵母到人類都保守的三級激酶模式，包括MAPK激酶激酶(MKKK)、MAPK激酶(MKK)和MAPK，這3種激酶能依次激活，共同調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長、分化、對環(huán)境的應(yīng)激適應(yīng)、炎性反應(yīng)等多種重要的細(xì)胞生理/病理過程。在MAPK家族中，ERK蛋白亞家族在EMT中有重要作用[23]。MAPK通路是細(xì)胞增殖、應(yīng)激、炎性反應(yīng)、分化、功能同步化、轉(zhuǎn)化、凋亡等信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的共同交匯通路之一，把胞外信號經(jīng)受體、G蛋白/小G蛋白激酶、轉(zhuǎn)錄因子等組成的信號網(wǎng)絡(luò)，傳遞到胞內(nèi)，參與細(xì)胞增殖、分化、癌變、轉(zhuǎn)移、凋亡等，不同的生長刺激、應(yīng)激刺激，在不同的細(xì)胞，經(jīng)不同細(xì)胞骨架局限的不同信號通路，可產(chǎn)生多種效應(yīng)。來源于低氧OSCC細(xì)胞的外泌體含有miR-21，可增強(qiáng)OSCC細(xì)胞中Snail和波形蛋白的表達(dá)，但會降低E-cadherin的表達(dá)[10]。Qi等[24]的研究證實(shí)，間充質(zhì)干細(xì)胞分泌的Exo可通過抑制p38和ERK磷酸化促進(jìn)Akt磷酸化，抑制線粒體功能障礙引起的軟骨細(xì)胞凋亡。Shen等[25]發(fā)現(xiàn)胰腺癌外泌體可轉(zhuǎn)移至T淋巴細(xì)胞并與其整合，從而激活T淋巴細(xì)胞的p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPK)通路，在凋亡信號通路中非常重要。研究表明，miR-21在乳腺癌中通過AKT和ERK1/2途徑靶向PTEN，從而促進(jìn)EMT。此外，來源于高轉(zhuǎn)移HCC細(xì)胞系MHCC97H的外泌體可以增加遷移、趨化和侵襲，通過MAPK/ERK信號途徑誘導(dǎo)EMT對低轉(zhuǎn)移HCC細(xì)胞的作用。低氧性肺腺癌細(xì)胞衍生的外泌體miR-31-5p靶向特殊的富含AT的序列結(jié)合蛋白2 (SATB2)，并通過激活MEK/ERK信號通路增強(qiáng)EMT[26]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體源性miR-30b-3p可通過調(diào)控腎癌細(xì)胞內(nèi)膽固醇代謝關(guān)鍵酶CYP7A1的表達(dá)及MAPK/ERK信號通路以影響細(xì)胞膽固醇代謝,從而調(diào)控腎癌的發(fā)生發(fā)展[27]。

3.4 TGF-β/Smad通路 轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)信號通路在成熟有機(jī)體和胚胎中都參與了許多細(xì)胞過程，包括細(xì)胞生長、分化、凋亡，細(xì)胞動(dòng)態(tài)平衡等其他細(xì)胞功能。TGF-β類配體與Ⅱ型受體結(jié)合，Ⅱ型受體招募并磷酸化Ⅰ型受體，Ⅰ型受體再磷酸化受體調(diào)控的SMAD蛋白(R-SMAD)，這些蛋白再與coSMAD結(jié)合，R-SMAD/coSMAD復(fù)合體作為轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞核內(nèi)聚集，參與目標(biāo)基因表達(dá)的調(diào)控。SMAD家族中有2種抑制性蛋白(I-SMAD)，即SMAD6和SMAD7。它們參與負(fù)反饋調(diào)節(jié)，并在TGF-β信號通路的調(diào)控中起關(guān)鍵作用，它們有一個(gè)MH1結(jié)構(gòu)域和一個(gè)MH2結(jié)構(gòu)域，SMAD7與其他R-SMAD蛋白競爭，與Ⅰ型受體結(jié)合，并抑制其磷酸化。它們儲存在細(xì)胞核中，一旦TGF-β被激活就進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)并結(jié)合Ⅰ型受體。SMAD6與SMAD4結(jié)合，阻礙其他R-SMAD蛋白與coSMAD蛋白結(jié)合。有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，腫瘤衍生的外泌體circPACRGL癌基因活性可影響CRC細(xì)胞生長、發(fā)育和轉(zhuǎn)移。在一些關(guān)于癌癥和發(fā)育相關(guān)EMT的研究中表明TGF-β是EMT誘導(dǎo)劑。Smad可以激活包括Snail1、Snail2、ZEB1、ZEB2和Twist1在內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子，導(dǎo)致細(xì)胞間黏附的喪失和間充質(zhì)標(biāo)志物的獲得[28]。外泌體miR-128-3p通過直接抑制其下游靶基因FOXO來激活TGF-β/SMAD和JAK/STAT3信號，從而調(diào)節(jié)EMT，并且miR-128-3p/FOXO4軸的性質(zhì)通過外泌體遞送水平轉(zhuǎn)移[29]。研究表明，HCC衍生的外泌體在HCC治療中顯示出潛在的藥物遞送載體，其負(fù)載的外泌體可能通過滅活TGF-β/ Smad途徑抑制EMT而起作用[30]。此外，circPACRGL通過miR-142-3p/miR-506-3p-TGF-β1途徑的表達(dá)，促進(jìn)了CRC細(xì)胞的發(fā)育、侵襲、轉(zhuǎn)移，以及N1向N2中性粒細(xì)胞的分化。外泌體介導(dǎo)的lncRNA ZEB1-AS1通過TGF-β/Smad途徑促進(jìn)miR-590-5p/ETS1軸對氧化低密度脂蛋白誘導(dǎo)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的細(xì)胞損傷[31]。通過調(diào)控腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞的miR-181a，可影響結(jié)腸癌的增殖、侵襲能力,通過TGF-β/Smad通路調(diào)控結(jié)腸癌細(xì)胞EMT過程，明確過表達(dá)Smad7可促進(jìn)結(jié)腸癌的惡性生物學(xué)行為[32]。這些研究表明，TGF-β可以促進(jìn)EMT的進(jìn)程。

4 小結(jié)與展望

大量研究證實(shí)了外泌體在癌癥診斷中的作用。RNA和蛋白質(zhì)分子參與形成有利的腫瘤微環(huán)境，促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移和血管生成。研究表明，外泌體的大小和數(shù)量與癌癥之間存在相關(guān)性，而腫瘤源性外泌體miRNAs在癌癥轉(zhuǎn)移過程中起關(guān)鍵作用[33]。由于TDEs以各種方式促進(jìn)腫瘤進(jìn)展，外泌體在各種功能分子的分泌中具有重要作用，這些功能分子在CRC的發(fā)生發(fā)展中也具有重要作用。

盡管腫瘤源性外泌體具有多種潛在功能，但值得注意的是，其臨床應(yīng)用存在多種挑戰(zhàn)和缺點(diǎn)。因此，還需要進(jìn)行更多的研究，以增加對外泌體在腫瘤病理發(fā)生中作用的新認(rèn)識，相信通過繼續(xù)研究，未來充分利用外泌體作為天然載體的優(yōu)勢，同時(shí)避免其缺點(diǎn)，基于外泌體的癌癥治療技術(shù)將取得重大進(jìn)展，使大量癌癥患者受益。