Smad7、BAMBI在肿瘤中的作用及意义

关旭 王锡山

目前，随着生活水平的提高和饮食结构的改变，肿瘤的发病率和死亡率均呈现上升趋势，发病人群也逐渐趋于年轻化。肿瘤的发生发展与遗传因素和环境因素有着极为密切的关系，并涉及多个癌基因和抑癌基因的突变或异常表达，整个致癌过程是一个多步骤、多基因、多因素共同作用的结果。生长转化因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)信号通路在细胞癌变过程中具有重要作用[1-3]。因此，参与TGF-β信号通路的蛋白因子也可以参与肿瘤的发生和进展。有研究证实Smad7、BAMBI可以分别通过不同的机制抑制TGF-β信号通路的传导，进而促进细胞增殖，抑制细胞分化和凋亡，调控细胞周期等[4-6]。因此，Smad7、BAMBI与肿瘤的发生、发展、侵袭、转移密切相关。现本文就TGF-β信号通路的组成以及Smad7、BAMBI的结构功能、生物学特性及其与肿瘤的关系作一系统综述。

一、TGF-β信号通路的基本因子和基本过程

研究表明Smad7、BAMBI可以通过不同的机制参与细胞的生长、分化、凋亡等步骤的调控。其中，二者都可以通过抑制TGF-β信号通路，导致细胞逃离TGF-β介导的生长抑制效应，进而促进多种肿瘤的发生。首先，非常有必要了解一下TGF-β信号通路的基本作用因子和基本过程。

(一)TGF-β信号通路的基本因子及其与肿瘤的关系

TGF-β信号通路中的主要因子包括：TGF-β超家族成员、Smad蛋白家族、两类丝氨酸/苏氨酸激酶受体(I型和II型受体)。

TGF-β超家族包括40多个成员，是一类具有多种功能的激动剂，其主要由骨形成蛋白(bone morphogenic proteins，BMPs)、TGF-βs及活化素(Activins)组成。TGF-β可以参与调控细胞的许多生物学行为，主要包括细胞生长、分化、凋亡、免疫监督及细胞的自我更新等，因此在细胞的许多过程及疾病进展中起到了重要的作用[7-9]。在肿瘤发生的早期阶段，TGF-β可作为肿瘤的抑制物，阻断细胞的生长；在肿瘤的发展过程中，肿瘤细胞和基质细胞可以产生TGF-β，并且随着TGF-β抑制细胞增殖的作用消失，肿瘤细胞出现生长加速；对于肿瘤生长的晚期阶段，TGF-β可以从多个方面促进肿瘤的生长，其中包括刺激血管生成、免疫抑制、促进细胞运动侵袭、加速细胞外基质降解等，进而提供一个良好的微环境促进肿瘤细胞的生长、侵袭和转移[10-12]。

TGF-β受体按照分子量的大小分为I、II、III型受体(TβR-I、TβR-II、TβR-III)，TβR-I型和TβR-II型受体属于丝氨酸/苏氨酸激酶受体，并广泛存在于不同的组织和细胞中，并参与细胞信号传导功能。目前，对于TβR-III型受体尚缺乏相关研究证实其具有信号传导功能。TGF-β受体表达降低或缺失常常与细胞的恶性转化和TGF-β抗增殖的敏感性密切相关[13-14]。研究证实TβR-II表达的减少，可以使机体细胞逃逸TGF-β1的负性调节，该机制可能导致结直肠癌的形成[15]。

Smad蛋白家族有8个成员组成，主要存在细胞质中，由Smad基因编码，是TGF-β受体复合物的下游蛋白，是将细胞信号由细胞膜传导至细胞核的重要调节转录因子[16-18]。从功能和结构上主要分为3种亚型：特异调节型Smads(R-Smads)主要包括Smad1、2、3、5、8，其主要作为TβR-I激酶的底物，磷酸化后进入细胞核，传导特异性信号，调节特异性基因的转录表达；抑制型Smads(I-Smad)，主要包括Smad6、Smad7，主要干扰R-Smads形成异聚体，阻断R-Smads磷酸化，进而抑制或减少TGF-β信号的传导；共有型Smad(Co-Smad)，即Smad4，是TGF-β信号通路调节的关键转录因子，可以与R-Smad共同作用，形成异聚体，共同调节信号传导[19]。Co-Smad与R-Smad在其C末端和N末端具有高度相似的氨基酸序列。I-Smad在细胞内浓度增高时，会起到抑制TGF-β信号转导通路的作用。目前，关于Smad家族蛋白与肿瘤关系的研究已经比较成熟，并且也已经达成了很多的共识。Smad2和Smad4在癌症生长过程中起到抑制作用，已经被广泛认为是抑癌基因，Smad2、Smad4的异常表达或突变会导致多种肿瘤的发生，如结直肠癌、肝癌、肺癌、胰腺癌、胃癌等[20-21]。Smad3表达调节的紊乱会导致其功能消失，当Smad3的活性受到抑制后，就会选择性促进肿瘤细胞的生长，该特点主要体现在恶性血液疾病中。有学者认为在TGF-β信号通路中，Smad3具有癌基因的作用[22]。有关抑制型Smads的作用机制及其与肿瘤的关系将在下文着重阐述。

(二)TGF-β信号通路的基本过程

细胞信号从细胞膜传入细胞核需要经历配体-受体-细胞内信号转导分子-调控基因表达-抑制细胞生长、促进细胞分化和凋亡组成的信号传导通路。其详细过程如下：活化后的TGF-β与细胞膜上的TβR-I结合，而后直接与TβR-II结合或被传递给TβR-II，形成TβR-II配体-TβR-I稳定的复合物[23]。再将其受体激活，激活后的受体具有激酶活性，并将细胞信号逐渐放大并可使细胞内受体调控的R-Smads磷酸化，磷酸化后的R-Smad结构发生改变，脱离膜受体，直接或间接与Co-Smad相互作用形成同源或异源聚合体，而后进入细胞核，在细胞核内与特异性DNA调控序列结合，并活化特定靶基因的转录和表达，通过介导阻滞G1期，抑制细胞生长，进而促进细胞分化和细胞凋亡[24]。

(三)TGF-β信号传导通路的生物学效应

TGF-β/Smads信号传导通路通过不同的细胞外环境及各蛋白浓度对靶细胞和靶基因进行调节，不同组织细胞类型TGF-β的生物学效应各不相同，其主要有以下几个方面：(1)通过发挥广泛的免疫抑制作用，进而抑制淋巴细胞分化成为抗体形成细胞，抑制淋巴细胞增殖，抑制TL、NK细胞的细胞毒作用及巨噬细胞活化等；(2)诱导血管生成以及成纤维的细胞生长，调控基质与细胞之间的相互作用，促进细胞表达整合并能趋化巨噬细胞，诱导基质蛋白的合成与分泌，并可以修复各种类型软组织的损伤；(3)参与抑制细胞的生长分化、促进细胞凋亡、调节细胞周期进展，也可以对其它信号通路进行影响。

二、Smad7的结构功能及其对肿瘤的影响

(一)Smad7的结构功能

Smad7位于染色体18q21，长度为3111 bp，作为TGF-β/Smads信号通路的抑制因子，是一个候选癌基因，也是该信号通路的主要靶基因之一，同时，可以反向调节TGF-β/Smad信号通路，进而保持该通路的平衡[25]。它既可以在细胞核也可以在细胞质中发挥作用，抑制型Smad7可以通过阻断受体来抑制对R-Smads的磷酸化，抑制R-Smads与Co-Smads的聚合，使配体-受体复合物降解，进而抑制TGF-β/Smads信号通路的传导[26,27]。该通路中任何组分的失活都会导致细胞的生长加速、凋亡信号失调，使细胞的生长分化失控，进而诱导细胞发生癌变。

(二)Smad7与肿瘤的关系

Jean-Louis等将结直肠癌细胞中的Smad7基因敲除或是通过抑制Smad7的扩增，发现结直肠癌患者生存明显受益，但当Samd7大量复制时却带来不良影响，因此得出结论Smad7可以作为结直肠癌患者的预后指标[28]。此外，该研究也表明Smad7基因的敲除也可以加强其对TGF-β抑癌活性的敏感性。张勇等通过免疫组化方法检测50例鼻咽癌中Smad7和TGF-β1的表达，结果显示在促进鼻咽癌发展过程中，二者呈正相关[29]。吴晶晶等对140例结直肠癌标本进行研究，利用免疫组化技术检测了Smad7的表达及其与不同临床病理特征的关系，其实验结果显示在结直肠癌组织中Smad7的表达含量明显低于正常肠黏膜，此外，Smad7蛋白的表达与Dukes分期、结直肠癌浸润深度、淋巴结转移密切相关，与结直肠癌中的表达呈正相关[30]。Myatt N等发现在结直肠癌的癌前病变中，例如结直肠息肉、溃疡性结肠炎，Smad7的表达较正常肠黏膜明显增高，该结果表明Smad7的高表达与结直肠癌的发生发展密切相关[31]。此外，Smad7的单核苷酸多态性与结直肠癌的发生发展相关。Alan等研究Smad7基因发现，在转录因子结合区长约44703563 bp基因片段区存在G-C的单核苷酸多态性，可以导致Smad7蛋白表达异常增加，并被认为是结直肠癌的易感因素[32]。Broderick等研究发现Smad7基因rs4464148、rs4939827、rs12953717等位点的单核苷酸多态性可以增加结直肠癌的遗传易感性[5]。Kleeff等将Smad7基因转染至裸鼠的胰腺癌细胞中，发现其恶性程度明显增高，并且Smad7蛋白在胰腺癌组织中高表达，结果表明Smad7的过量表达可以促进肿瘤的发展[33]。但另一方面，也有一些证据显示，Smad7的过量表达可以抑制黑色素瘤和乳腺癌的溶骨性转移[6,9]。同时，它还也可以抑制肝细胞癌、甲状腺肿瘤与子宫内膜瘤等肿瘤的发生发展。因此，其对肿瘤的发生发展来说是一把双刃剑。

三、BAMBI的结构功能及其对肿瘤的影响

(一)BAMBI的结构功能

BAMBI基因定位于10号染色体p11.2～p12.3区域，BAMBI蛋白由260个氨基酸组成，是一种跨膜糖蛋白，分子量29108D(1D=1u)，主要由细胞外配体结合域N末端、跨膜段、细胞内C末端，与NMA(non-metastatic gene A protein)同源，属于BAMBI家族，该家族成员与激活素(activin)、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)等配体的I型受体胞外区都具有相似的结构。BAMBI在细胞外的区域与TβR-I的蛋白序列具有同源性，与TβR-I结构相似，被认为是TGF-β信号转导通路的伪受体。

(二)BAMBI在TGF-β信号通路中的作用

在TGF-β家族成员与胞膜受体结合的过程中，由于BAMBI与TβR-I的胞膜外区结构相似，进而与I型受体竞争性地同II型受体结合以便形成配体-受体复合物，由于BAMBI缺乏胞内区的丝氨酸/苏氨酸激酶结构域，因此不具备丝氨酸/苏氨酸激酶的活性，不能进行磷酸化，从而阻断TGF-β家族的信号转导[34]。另外，BAMBI也可以与TβR-I作用形成同种二聚体，从而抑制受体复合物的形成，使TGF-β信号应答进入静止状态。由于BAMBI的表达可由BMP诱导，所以其对于BMP信号转导的调节是一种负反馈机制[35]。

(三)BAMBI与肿瘤发生发展的关系

Sekiya等应用半定量RT-PCR、免疫组织化学等方法发现在人的肝癌及结肠癌中BAMBI都有明显高表达，而在相应的正常癌旁黏膜组织中，BAMBI的表达则很低[36]。有研究显示通过细胞内定位技术发现BAMBI在发挥对TGF-β信号通路的抑制作用时，与Smad2/3具有协同作用[37-38]。BAMBI与Smad2/3共同进入细胞核，参与对TGF-β信号通路传导的调控。此外，通过实时定量PCR技术和免疫组化技术发现BAMBI的高表达将促进细胞增殖、对TGF-β信号通路诱导的细胞凋亡具有抗性。Fritzmann等采用基因微阵列方法对比了转移性和非转移性结直肠癌组织中的差异基因，结果发现BAMBI基因在转移性结直肠癌原发灶组织、转移性淋巴结，肝肺转移瘤中均明显高表达，同时也发现BAMBI高表达的患者生存期缩短[39]。随后，Fritzmann等将BAMBI高表达的细胞注射到裸鼠脾脏内，50%裸鼠出现肝转移，而对照组为阴性结果。以上研究能表明BAMBI可以通过抑制TGF-β信号通路的传导，进一步促进结直肠癌发生远处转移。Nozomi等对183例结直肠癌组织和结直肠腺瘤组织中的BAMBI表达进行检测，研究结果显示148例(80.8%)的结直肠癌组织中有BAMBI表达，其中46%表达呈强阳性，而在结直肠腺瘤组织中BAMBI仅为弱表达[40]。同时，BAMBI的高度表达与肿瘤的组织学类型、浸润深度、淋巴结转移、远处转移、TNM分期明显相关。此外，该研究也证实BAMBI的高表达会导致结直肠癌的复发和不良的预后，这些结果说明BAMBI的表达在早期结直肠癌变的过程中起着重要作用。

目前，国内有关BAMBI的研究不是很多，苗参等首先采用免疫组织化学方法以及RT-PCR技术，观察BAMBI在非小细胞肺癌的表达分布情况，结果显示BAMBI在非小细胞肺癌组织中的表达明显增加，其过度表达与肿瘤发生有关[41]。王辉等通过免疫荧光等技术观察BAMBI在乳腺癌中的表达分布情况，发现其蛋白和mRNA在乳腺癌细胞中的表达与其转移能力有关[42]。

四、Smad7、BAMBI在肿瘤研究中的发展方向

目前，已有大量研究阐述Smad7、BAMBI对肿瘤发生发展的影响，也充分证明其在促进肿瘤发生和转移的重要作用。然而，还有很多问题需要进一步研究，Smad7、BAMBI在不同系统肿瘤中的作用，仍然留有很大的研究空间。TGF-β信号通路的基本传导过程比较简单，但其调节系统非常复杂，因此Smad7、BAMBI在对该通路进行调节时，是否具有协同作用，是否可以共同促进肿瘤的发展，仍然还需进一步研究证实[43]。

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