细胞骨架在肿瘤侵袭转移中的研究进展*

肖英 程爱兰

·国家基金研究进展综述·

细胞骨架在肿瘤侵袭转移中的研究进展*

肖英 程爱兰

肿瘤转移是肿瘤导致死亡最主要的原因之一，细胞骨架与肿瘤的侵袭转移密切相关，但细胞骨架各组分在肿瘤侵袭转移中作用的研究均较独立、分散，且随着细胞骨架相关研究的不断深入，微管在肿瘤转移中的重要性开始凸显，微管关键相互作用蛋白和微丝细胞骨架间的交互作用也越来越受到关注，这可能给转移性肿瘤的治疗带来新的思路。本文就细胞骨架的结构功能、重要信号通路、新进展及相关抗肿瘤药物研究进行综述，并探讨细胞骨架蛋白相互间的联系以及细胞骨架相关的潜在抗肿瘤药物新思路。

细胞骨架 肿瘤转移 信号通路 抗肿瘤药物

肿瘤转移是导致患者死亡的主要原因之一，转移性肿瘤的发生是一个复杂的过程，它需要细胞骨架重组和改建的参与。尤其是微丝和与其相互作用蛋白间存在的一些经典信号通路对肿瘤转移具有重要意义，如Rho GTP激酶信号通路。微管在肿瘤转移中的部分新作用也已被阐明，这可能给转移性癌的治疗带来新的思路。加强对肌动蛋白和微管在肿瘤转移上的信息交流和相互作用的探索可能会给肿瘤转移性疾病的治疗带来新的临床意义。

1 细胞骨架结构和功能

细胞骨架由微管、微丝、中间丝构成。微丝由肌动蛋白和与其结合的蛋白组成。肌动蛋白纤维由两条线性排列的肌动蛋白链形成螺旋，大部分的微丝包含一个原肌动蛋白复合体，他们沿着微丝的螺旋凹槽排布［1］。细胞运动及分化、胞质分裂、细胞器运动和质膜的流动等都需要肌动蛋白纤维的协调流动和重建，肌动蛋白在细胞生命活动中发挥重要作用。肌动蛋白纤维如此显著的多样化功能源于其与微丝相互作用蛋白间的选择性作用，即这些功能也部分被组成微丝的肌动蛋白和原肌球蛋白复合体所调节［1］。微管由α/β-微管异二聚体组成并以头尾相连的方式聚合。微管的羧基端有着显著的不同，而这个区域连接特定的微管相关蛋白。因此，会影响微管的稳定性和功能［2］。微管为高活力的结构，在细胞生长、膜泡运输和分裂中均具有重要作用。微管聚合以及解聚的能力对于有丝分裂中染色体的分离是必不可少的，他通过α/β微管复合体中β-微管亚单位上的GTP水解来进行组装和水解［3］。在细胞间期，微管产生于中心体，形成一个中心然后依此形成辐射状的网络，该微管网络参与膜泡运输；在细胞分裂期，该网络进行彻底的改建形成细胞分裂的纺锤体，染色体依此反复的过程被均分到子细胞。细胞分裂完成以后纺锤体解聚，在细胞间期微管网络再次重组［3］。中间丝是细胞结构最主要的决定因素，与微管微丝不同，它由高度稳定的球蛋白组成，中间丝与细胞外基质相关，甚至扩展到胞质内的核周，这样广泛的一个网络使中间丝能通过传递细胞表面的信号到细胞内各细胞器而调节细胞骨架的活动［4］。同时，中间丝还影响着其他众多的生物功能，如微管和微丝的组织结构、调节核结构和活性，调控细胞周期和调节信号转导通路等［5］。

2 细胞骨架在肿瘤细胞侵袭转移中的作用与调节

细胞迁移是很多生命活动过程中所必需的，如胚胎形成、免疫应答和损伤组织修复等，细胞迁移的异常调节则能促进很多疾病的发生，尤其是在促进肿瘤的侵袭和迁移中发挥重要作用。而细胞迁移需要细胞骨架重组和改建的参与，这使得细胞骨架在肿瘤转移中发挥至关重要的作用。

2.1Rho-GTP酶-细胞骨架在细胞迁移中的重要调节者

Rho家族GTP酶信号通路是调节肌动蛋白和微管细胞骨架一个很重要的信号通路，细胞通过膜表面的整合素、受体络氨酸激酶、G蛋白三聚体和钙黏蛋白接受胞外信号，然后影响Rho GTP酶鸟嘌呤核苷酸交换因子的活性，最终影响Rho GTP酶的活性。Rho GTP酶是一个有着20个小G蛋白的家族，它通过调节下游效应蛋白调节细胞骨架从而影响细胞周期、细胞极性和细胞迁移［6］。在多种肿瘤中都发现Rho GTP酶基因高表达与肿瘤侵袭迁移的生物学特性相关［7］。RhoGTP酶作为分子转换器存在与GDP酶结合的无活性形式和与GTP结合的活性形式。GTP酶活性的调节是一个复杂的过程，哺乳动物通过67GTP酶超家族的活化蛋白使Rho GTP酶的失活，通过82GEFs超家族激活Rho GTP酶。82GEFs能作用于很多细胞表面受体的下游，如整合素、细胞因子受体和钙黏素。普遍认为，Rho能招募到ROCK激酶超家族，它能使众多细胞骨架蛋白磷酸化促进肌动蛋白压力纤维的形成并形成可收缩能力［8］。Rac通过改组肌动蛋白细胞骨架促进大量膜突起的形成，被称为板状伪足，板状伪足在很多细胞中均具有驱动运动的作用［6］。Eitaki等［9］证明微管在调节肿瘤细胞运动方式中的重要作用。同时有研究认为微管张力的改变是通过释放Rho GEF-H1影响细胞的运动方式［10］。在运动模式的调节上，肌动蛋白的组成对微管张力的影响主要体现在微管和激动蛋白微丝的相互作用上，一些生物学和临床数据显示这个串联信号通路的破坏是转移性癌的一个共同特征［11］。

2.2切丝蛋白在细胞运动和转移中的作用

Rho GTP酶通路下游的切丝蛋白由ARP 2/3复合体组成，并且切丝蛋白在生成肌动蛋白纤维末端中发挥最主要的作用，通过使板状伪足重组和解聚实现肌动蛋白微丝的重构［12］。Arp 2/3复合体不仅与细胞的定向运动相关还与细胞的膜泡运输相关。Arp 2/3复合物的调节蛋白WAVE2在一些实验中被观察到表达，有研究认为这与很多类型的肿瘤的高转移风险密切相关［13］。同时，通过RNAi介导的WAVE2基因沉默表明WAVE2表达下调能显著降低黑色素瘤细胞的肺转移和侵袭，但也在很多恶性肿瘤中观察到切丝蛋白表达的上调，这也与肿瘤的化疗和侵袭转移性疾病相关［14］。LIMK使切丝蛋白失活，磷脂酶C使切丝蛋白活化，二者从空间上同步调节切丝蛋白的活性。切丝蛋白的作用及其相应的调节凸显切丝蛋白的活化调节在肿瘤转移中可能存在作用［15］。为了论证上述说法，有学者观察到在很多侵袭性肿瘤中，调节切丝蛋白激活和失活的配置原件均过表达［16-17］。很显然，肿瘤细胞的侵袭和转移行为是需要肌动蛋白重建的支持，也要求切丝蛋白和它的调控组件间的理想平衡，这有可能成为肿瘤治疗潜在的有效途径。

与LIMK1活性调节肌动蛋白细胞骨架动力学的作用一致的为大量的证据表明LIMK1在肿瘤细胞的侵袭和转移中发挥重要作用。在许多类型的肿瘤中都观察到LIMK1的高表达，体内外试验也验证出LIMK1在肿瘤进程中具有作用。LIMK1活性下调将降低侵袭表型，相反，LIMK1活性升高则与更强的肿瘤侵袭性相关。此外，提高LIMK1水平对细胞运动性和侵袭性的影响能被切丝蛋白的过表达所颠覆。因此，很显然LIMK1/切丝蛋白的比率决定细胞的应答以及肌动蛋白动力学上小的改变能够增加或减少侵袭性［18-21］。抑制LIMK1激酶的活性可能是LIMK1活性的潜在靶点并可能降低肿瘤细胞的运动性和侵袭性。

LIMK1蛋白的活性很大程度上受Rho GTP酶的效应蛋白-Rho相关激酶1和Rho相关激酶2磷酸化的调控。除了LIMK和切丝蛋白的磷酸化，活化的ROCK也通过影响MLC磷酸化及其活性来发挥它在细胞迁移过程中的作用。ROCK使MLC磷酸化的作用是即时的，尽管ROCK在MLC磷酸化上最主要的影响是通过磷酸酶抑制作用来防止MLC去磷酸化的发生。MLC通过ROCK诱导的磷酸化增加促使肌动蛋白重建和纤维的形成，这对细胞移动和侵袭性细胞的侵袭行为都非常重要［22］。

2.3中间丝和转移

巢蛋白是一种中间丝蛋白，它已被报道在多种肿瘤中过表达。在胰腺癌、前列腺癌、恶性黑色素瘤以及恶性胶质瘤中，巢蛋白的表达与肿瘤的侵袭性、转移性和差的预后相关［23］。除此之外，巢蛋白在肿瘤中的作用还不是很明确。在很多肿瘤中过表达并与肿瘤的侵袭转移和差的预后相关的中间丝蛋白是波形蛋白，虽然它与巢蛋白的作用类似，但其在肿瘤发展中的作用尚不清楚。除此之外，Satelli等［24］发现一个与波形蛋白相连的小分子肽，这可能成为以波形蛋白胃靶向的肿瘤特异性疗法［24］。中间丝蛋白在肿瘤细胞迁移、侵袭和转移中的生物学功能知之甚少，未来需要更多的研究来阐明其在肿瘤靶向化疗药物中的潜能。

3 微管系统-肿瘤转移中的新角色

除了有大量的文献讲到肌动蛋白细胞骨架及其调控系统在肿瘤细胞侵袭转移中的重要作用外，有越来越多的证据表明微管系统也参与其中。甚至像Rho GTP酶这样的信号通路是他们所共同的或重叠的通路，以调节微管和肌动蛋白结构来介导细胞运动和其他的细胞行为［31］。常有独立的研究表明这两种细胞骨架系统是被共同调节的。微管由众多α/β微管亚基构成，β微管是细胞重要的抗癌靶点，特定的β微管亚型的改变与抗微管相关型化疗药物和疾病进展相关，尤其是在上皮肿瘤中表达βⅢ型［25］。有研究发现，用RNAi技术沉默βⅢ的表达可以降低肿瘤的发生，可能是这种微管亚型在上皮来源肿瘤的转移中发挥作用［26］。另一项临床研究发现，在Ⅱ期非小细胞型肺癌中βⅢ的表达可能与患者总生存率和淋巴结转移相关。最近的研究表明，Rho家族中GTP酶也调控微管的力度，并且在另一方面，微管影响Rho家族中GTP酶的活性。Rho家族中GTP酶-Cdc42在细胞迁移的方向性上具有重要作用［25］。定向的细胞迁移通常是对胞外刺激应答的初始阶段，在细胞转移进程中至关重要，可能会通过信号通路分子和细胞骨架的不对称性分布导致具有高度极性的细胞形成。值得注意的是，在细胞迁移过程中Cdc 42朝着迁移的方向控制微管的结构中心和高尔基体的再定位，稳定微管正端的产生［27］。

4 细胞骨架与抗肿瘤药物

肌动蛋白细胞骨架的基本特性使其在肿瘤侵袭和转移中具有多方面的重要作用，靶向肌动蛋白细胞骨架本可能是有前景的肿瘤转移性疾病治疗策略，但肌动蛋白的抑制剂药物在临床应用中并没有成功，很大的原因在于并未发现有效的肌动蛋白特异性的靶点，这导致肌动蛋白抑制剂常带来高水平的细胞毒性［28］。但最近有研究提示利用高通量筛选的方法发现一些小分子能够特异性靶向参与肌动蛋白组装的关键蛋白-Fascin，同时证明抑制Fascin的活性能够阻断丝状伪足形成，抑制肿瘤的迁移和侵袭［29］。另一方面，一些肿瘤中出现对靶向微管的抗肿瘤药物的抵抗，而肌动蛋白γ可能在某种程度上通过影响微管的张力来改变这一现象，并且这种蛋白的调节能通过影响ROCK信号通路来改变定向细胞的迁移［30］。上述研究提示去探索肌动蛋白和微管在肿瘤转移上的信息交流和相互作用，以及探索如何运用双向靶向肌动蛋白和微管相互作用中的特异位点来避免药物抵抗的发生。

靶向微管的抗肿瘤药物因其同时对有丝分裂和分裂间期的影响而逐渐被广泛接受，是临床中最有效的药物之一。靶向微管的抗肿瘤药物不仅被当作有效的抗肿瘤药物，也被认为是抗血管生成甚至某些情况下被认为是抗血管的药物，这使他们被运用于节拍化疗中来治疗抗肿瘤药物不敏感和转移性疾病［25］。埃博霉素是新一类的微管靶向抗肿瘤药物，其临床有效性已被证实，并且在美国已被批准用于药物不敏性转移性乳腺癌的治疗［31］。最近被批准的一个此类药物就是艾日布林，虽然艾日布林被认为是抑制微管张力的药物，但其在药物不敏感性和转移性疾病中是否也起作用尚不明确［32］。Yoshida等［33］发现艾日布林在人类乳腺癌的体内外模型中都表现出其对EMT和MET的影响。提示可能其他的微管靶向药物在肿瘤细胞的侵袭迁移和转移上也存在更广泛的影响，利用这些再联合肌动蛋白信号通路抑制剂或许是潜在的有前景的并转移性肿瘤的治疗思路。

ROCK信号通路在细胞侵袭转移中影响肌动蛋白细胞骨架重建的多个方面。有研究提出Rho-ROCK信号通路及其下游细胞骨架的改变通过全面促进出泡相关的细胞运动来促进转移［34］。同时，ROCK抑制剂被证实能减少肿瘤细胞的侵袭迁移行为［35］。因此，靶向Rho或ROCK功能的治疗可能对于抑制肿瘤细胞的侵袭迁移有效。除此之外，也有研究观察到肿瘤细胞能通过转换成不同的运动模式来克服抑制剂的作用。靶向多种运动模式的联合抑制剂可能出现协同作用来减少肿瘤的侵袭和迁移。尽管肿瘤细胞能克服老式的ROCK抑制剂，但肿瘤细胞能否有能力克服新一代的ROCK抑制剂还不清楚，与ROCK信号通路相关的靶向蛋白可能是潜在的用来直接靶向作用于ROCK的备选［36］。同样，许多LIKM抑制剂被报道能够抑制肿瘤细胞的侵袭，有关抗LIMK的靶向治疗药物的研究表明这可能是有前景的肿瘤治疗方法之一。

5 结语

肿瘤转移需要细胞骨架重组的参与。大量与肌动蛋白和微管细胞骨架相互作用的蛋白直接或间接地对肿瘤细胞的侵袭迁移产生重要影响。在肿瘤转移中细胞骨架不同组分间的信息交互表明微管、微丝和中间丝细胞骨架并不独立产生作用，而是不可避免地相互牵连。重要的是，细胞骨架的改变与肿瘤细胞迁移侵袭在临床上的密切关系表明细胞骨架可能是肿瘤转移性疾病的重要潜在治疗靶点。细胞侵袭和迁移高度复杂的特性给肿瘤的治疗带来挑战，而这些挑战同时也带来针对细胞骨架和肿瘤转移的靶向治疗的可能。

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（2016-07-13收稿）

（2016-09-22修回）

（编辑：杨红欣 校对：孙喜佳）

Cell cytoskeleton-the movers in cancer metastasis

Ying XIAO,Ailan CHENG
Correspondence to:Ailan CHENG;E-mail:ailan_cheng@hotmail.com

Cancer Research Institute,Key Laboratory of Tumor Cell and Molecular Pathology,University of South China,Hengyang 421001,China This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.81372894;81072198),Hunan Provincial Natural Science Foundation of China(No.10JJ6035),the Key Project of Hunan Provincial Education Department(No.10A104),and Hunan Province Youbo Foundifion Project(No.YB2010B026)

Metastasis is responsible for the greatest number of cancer deaths.Metastatic disease is closely related to the cell cytoskeleton,but studies on various cytoskeletal components are relatively separated and scattered.At the same time,an emerging role for microtubules(MTs)in tumor cell metastasis is being unraveled by numerous research studies.The crosstalk between key MT interacting proteins and the actin cytoskeleton has received increased interest,which may result in novel treatment avenues for metastatic diseases.In this review,we will discuss the structure and function of the cell cytoskeleton,the key signaling pathways between cytoskeletal-associated proteins,new related research,and anticancer drugs.In addition,we cite novel therapeutics and provide an overview of the mechanisms mediating the effects of the cytoskeleton and its interacting partners on tumor cell migration and metastasis.

cell cytoskeleton,cancer metastases,signaling pathway,anticancer drug

10.3969/j.issn.1000-8179.2016.22.828

南华大学肿瘤研究所（湖南省衡阳市421001）

*本文课题受国家自然科学基金面上项目（编号：81372894，81072198）、湖南省教育厅重点项目（编号：10A104）、湖南省自然科学基金项目（编号：10JJ6035）和湖南省优博资助项目（编号：YB2010B026）资助

程爱兰375355191@qq.com

肖英专业方向为病理学诊断、鼻咽癌发病机制及防治研究。

E-mail：1072693243@qq.com