结直肠癌中肿瘤微环境对上皮细胞间质转化的调控机制研究

严雪冰(综述)，金志明，朱庆超(审校)

(上海交通大学附属第六人民医院普外科，上海 200233)

结直肠癌是人类常见的恶性肿瘤，该疾病在世界范围内每年造成约61万例患者死亡[1]。其中大部分患者的死亡原因与结直肠癌的远处转移有关。目前，越来越多的研究表明，结直肠癌的发展和转移与上皮细胞间质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)有关。EMT是指上皮细胞在一定条件下获得间质细胞表型的过程。在这个转化过程中，细胞表面上皮标志物上皮钙黏素和细胞角蛋白表达下调，间质标志物(波形蛋白、纤连蛋白等)表达上调,导致上皮细胞失去顶-底极性,细胞迁移和侵袭能力增强。因此,EMT在结直肠癌的侵袭和转移中起着重要作用。

肿瘤微环境是指肿瘤产生和生存的环境，由多种细胞、胞外基质和胞外多种肿瘤分泌的细胞信号分子及酸性、低氧等理化环境组成。Brabletz等[2]通过研究β联蛋白在细胞内定位发现，肿瘤微环境可以诱导肿瘤细胞发生EMT。在肿瘤微环境中，细胞因子、低氧状态、肿瘤干细胞及相关信号通路对结直肠癌的EMT均有调控作用。

1 细胞因子通过诱导EMT促进结直肠癌发生、发展

近年来研究表明，结直肠癌的发病与炎性细胞因子和免疫细胞因子关系密切[3]。溃疡性结肠炎、克罗恩病等炎症性肠病通过刺激转化生长因子β(transforming growth factor β,TGF-β)、白细胞介素(interleukin，IL)6、核因子κB(nuclear factor-κB,NF-κB)、信号转导与转录激活子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)、肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)等细胞因子，诱导肠上皮发生EMT,促进结直肠癌发生和发展。

TNF-α是由巨噬细胞分泌的一种炎性因子，参与调节癌基因的激活、DNA损伤、肿瘤转移等过程。相关研究表明，TNF-α与结直肠癌的进展和转移有密切关系[4]。蜗牛蛋白(Snail)是EMT中重要的转录调节因子，TNF-α可以通过激活Atk信号或者抑制Snail与糖原合成酶3β的结合来上调Snail的表达，从而诱导EMT[5]。TNF-α与另TGF-β共刺激也可以加速结肠上皮的EMT进程，这主要是由于TNF-α的刺激可以使肠上皮细胞对TGF-β的修饰作用更敏感[6]。TGF-β作为一个已知的EMT诱导因子，在结肠肿瘤中与整联蛋白αvβ6形成的反馈循环可以维持EMT整个过程，从而创造一个更适合肿瘤进展的微环境。

NF-κB通过结合Snail基因启动子区域从而上调其转录，诱导EMT的发生。相关研究表明，在炎症相关肿瘤中 NF-κB还可以阻止具有恶化趋势的上皮细胞凋亡[7]。此外，NF-κB和STAT3的协同作用也促进了炎症相关肿瘤的产生和转移。STAT3不仅具有活化NF-κB的作用，还可以通过调节锌指增强子结合蛋白1抑制上皮钙黏素启动子活性，诱导EMT[8]。

近来研究发现，IL-6与其受体结合后停留在细胞表面并能借助胞内TGF-β信号通路促进上皮细胞向间质细胞转化[9]。IL-8被证实与EMT有关且可以与Snail共同激活结肠癌干细胞[10]；IL-11、IL-23通过激活STAT3诱导结肠上皮细胞发生癌变，其他炎性因子，如IL-12、IL-13等在炎症性肠病发展中也参与肿瘤形成过程。然而，细胞因子对EMT的调控网络及分子机制十分复杂，该调控网络中的关键节点需要未来更深入的研究。

2 组织缺氧通过诱导EMT促进结直肠癌细胞侵袭和转移

组织缺氧不仅影响肿瘤代谢、血管生成、固有免疫、干性诱导，而且被认为是促进肿瘤转移的重要微环境因素之一。在缺氧的条件下，结直肠癌细胞获得EMT的特征，并从基膜游离出来。然后通过上调整联蛋白α2和α5、胶原蛋白及纤维连接蛋白的表达，癌细胞离开原来的缺氧环境进入周围组织的脉管系统，最后上调趋化因子受体4的表达，迁移至富有基质细胞衍生因子1α的器官(如肝)，形成结直肠癌的远处转移[11]。同时，缺氧状态下过度表达的缺氧诱导因子1α不仅可以调节结直肠癌细胞的存活、增殖和代谢，还可以诱导EMT。有报道证实，缺氧诱导因子1α既可以直接诱导上皮钙黏素的下调，并且上调间质细胞标志物[12]；也可以通过激活靶基因Snail下调维生素D受体,进而抑制上皮钙黏素和1，25(OH)2-D3-24羟化酶表达，从而阻断上皮细胞的分化并诱导EMT过程[13-14]。此外，组织缺氧还可以使Na+/H+交换子调节因子1(Na+/H+exchanger regulating factor 1,NHERF1)表达上调，过度表达的NHERF1与缺氧诱导因子1α作用可以活化相应的信号通路，促进上皮细胞向间质转变，最终使结直肠癌细胞更富有侵袭性和转移性[15]。

3 肿瘤干细胞与EMT的关系

研究表明，肿瘤干细胞与EMT存在着紧密联系[16]。在结肠癌中，癌细胞可以通过Ⅰ型胶原诱导发生EMT，造成细胞间黏附减少、上皮钙黏素表达下调，同时还发现这部分癌细胞中干细胞标志物CD133和Bmil表达增加[17]；而EMT相关蛋白β联蛋白通过调节细胞内转录因子Brachyury来影响干性标志物Nanog的表达，有助于细胞获得肿瘤干细胞的特性[18]。由此可见，EMT不仅赋予细胞迁移和侵袭的特征，还可以促使肿瘤获得干细胞的特性，从而促使肿瘤干细胞的产生[19]。

肿瘤干细胞同时也具有诱导EMT的能力，Belton等[20]在结肠癌中发现肿瘤干细胞所富含的转录因子高迁移率族蛋白1可以通过调节EMT相关基因Twist1和波形蛋白促进结肠癌的发生、发展。而干性标志物CD44v6也可以通过上调间质标志物促进结肠癌细胞转移和侵袭[21]。由此可见，EMT和肿瘤干细胞在结直肠癌的进展和转移中存在着相互作用，两者之间的联系将是未来肿瘤靶向治疗的研究重点之一。

4 肿瘤微环境中参与EMT过程的信号通路

目前认为，结直肠癌细胞发生EMT是肿瘤微环境中作用因子和肠癌细胞相互作用的结果，作用因子通过与细胞表面特异受体结合将细胞外信号转入细胞内，通过细胞内的TGF-β、Wnt、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B,PI3K/Akt)等信号转导途径，活化Snail、Twist等核内转录因子，调节下游基因的表达，上皮细胞向间质转化，最终介导正常上皮细胞转化为结直肠癌细胞。

4.1TGF-β信号通路 TGF-β信号通路需要依赖Smad途径或非依赖Smad途径诱导EMT。在依赖Smad途径中，Ⅰ型TGF-β受体和Ⅱ型TGF-β受体形成复合物，从而导致Smad2和Smad3的磷酸化，磷酸化的Smad2/3和Smad4形成转录复合物并激活EMT相关的靶基因；而非依赖Smad途径则通过p38、Akt、PI3K等信号级联发挥作用。TGF-β信号通路不仅可以调节细胞生长、分化、增殖，还可以通过改变肿瘤微环境帮助结直肠癌细胞侵袭和转移[22]。在结直肠癌微环境中，肿瘤细胞和癌相关成纤维细胞作用并激活TGF-β信号，上调TGF-β1和金属基质蛋白酶的表达，最终促进肿瘤细胞迁移和侵袭；而上述过程导致TGF-β1的过表达也可以反过来激活TGF-β信号，进而在微环境中形成一个反馈循环促进结直肠癌发生、发展[23]。此外，在结直肠癌肝转移时，TGF-β信号通路在诱导EMT同时还能赋予细胞肿瘤干细胞表型[24]。

4.2Wnt信号通路 目前研究较为透彻的Wnt信号通路在结直肠癌的侵袭和转移中发挥着重要作用。首先，当Wnt/β联蛋白信号激活时，β联蛋白移位至细胞核，并与T细胞因子/淋巴增强子结合因子家族的DNA连接蛋白形成复合物，激活下游EMT相关基因(如Snail、Slug、Twist等)，促进结直肠癌细胞侵袭和转移；其次，研究发现Wnt信号通路参与调节紧密连接蛋白1，进而破坏细胞间紧密连接，使肠上皮细胞富有迁移性[25]；再次，Wnt信号通过上调EMT相关基因抑制miR-101的表达，而miR-101是结肠癌中一个重要的肿瘤抑制分子[26]；最后，Wnt信号通路在结直肠癌EMT过程中与NF-κB、PI3K/Akt等通路还存在协同作用。

4.3PI3K/Akt信号通路 研究证实，PI3K/Akt信号通路与结直肠癌EMT有密切关系。通路中Akt信号通过糖原合成酶3β的磷酸化，促进Snail在细胞核积聚，抑制上皮钙黏素的表达，进而诱导EMT。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是其下游另一个重要的效应分子，Gulhati等[27]通过实验发现沉默mTOR复合物(mTORC1、mTORC2)可以增加细胞间连接、下调间质标志物的表达，认为mTORC1和mTORC2是EMT的一个重要调节分子；而在TGF-β介导的EMT中，PI3K/Akt/mTOR通路与TGF-β通路还存在协同作用。此外，PI3K/Akt信号可以促进胞核中NF-κB抑制蛋白的降解，导致NF-κB p65蛋白核移位和环加氧酶2的表达上调，最终促进结直肠癌EMT的进展。

4.4丝裂原激活蛋白激酶信号通路 丝裂原激活蛋白激酶信号通路通过上游的癌基因鼠类肉瘤滤过性毒菌致癌性同源体B1或Ras的突变,以不同的方式诱导结肠癌发生EMT。在鼠类肉瘤滤过性毒菌致癌性同源体B1突变时，丝裂原激活蛋白激酶激酶通过特异鸟苷酸交换因子和鸟苷三磷酸酶激活蛋白激活Ras同族蛋白A,同时抑制上皮钙黏素，促进细胞迁移和侵袭；而在Ras突变时，丝裂原激活蛋白激酶/细胞外调节蛋白激酶激酶激活下游的Jun/Fos/激活蛋白1,上调波形蛋白和整联蛋白α6，最终诱导肠上皮细胞发生EMT[28]。研究还发现，在Ras突变的结肠癌细胞Caco-2中，组蛋白的修饰作用可以激活丝裂原激活蛋白激酶信号，进而下调细胞周期蛋白D和上皮钙黏素[29]，提示表观遗传改变在丝裂原激活蛋白激酶信号介导的EMT中发挥着重要作用，这将为未来靶向治疗研究提供的新切入点。

5 展 望

当今国内大多数研究将注意力集中在肿瘤本身，而忽视了肿瘤微环境的重要性。肿瘤微环境不仅在肿瘤起始、恶性进展和转移扩散中发挥极其重要的作用，而且是肿瘤抵抗化疗和放疗的主要因素之一。虽然肿瘤微环境是一个复杂的系统，但是正因为其复杂性及对EMT的调控作用，为结直肠癌的靶向治疗提供了许多可能的靶点和途径。在对结直肠癌微环境的最新研究中，发现了许多具有前景的治疗靶点，这都为针对EMT的分子靶向药物的研究提供了依据。然而仍面临问题很多，靶点的精确定位、药物的选择、患者的个体差异等，这都是结直肠癌靶向治疗可能存在的问题。但是，随着人们对肿瘤微环境研究的不断深入，通过靶向肿瘤微环境抑制EMT的新一代抗肿瘤药物将凭借其特有的优势，成为未来结直肠癌治疗的新方法。

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