肿瘤转移的分子生物学

肿瘤转移的分子生物学目前，肿瘤治疗最棘手的问题，莫过于肿瘤细胞对传统治疗药物的抗性和肿瘤转移。因此，进一步研究肿瘤转移的分子机制，有助于我们寻找预防措施以及早期诊断和有效治疗的新靶点。肿瘤转移的过程受诸多因素影响，近年来肿瘤分子生物学方面的研究提示，许多基因直接/间接的参与/影响肿瘤的转移。我们首先按照肿瘤转移的过程，作一个大体的介绍。肿瘤细胞发生转移，必须要克服多个障碍。肿瘤细胞都必须要逃脱宿主的免疫监控。在转移的起始阶段，肿瘤细胞从原发部位扩散并迁移，这一过程涉及到：（1）细胞间作用的调节（2）细胞－基质粘附的调节（3）肿瘤细胞的迁移及侵入周围组织。肿瘤细胞如果要通过全身循环系统就必须先通过血管内皮进入瘤内血管或者进入淋巴管，这个过程称作“内渗”（intravasation）；然后，再从全身循环中逃逸出来，这个过程称作“外渗”（extravasation），并最终到达继发部位。在“外渗”过程中，肿瘤细胞处在与原发灶差别很大的微环境中。因此，若要在继发组织中生存并增生，肿瘤细胞必须具有相当强的适应能力。Chamber实验室的研究表明，从单个细胞转移到微小转移（micrometastases）直至产生最终肉眼可见转移的这个过程中，主要限速步骤在“外渗”过程之后。因此，单个细胞转移或微转移在发展成为肉眼转移之前，可数月甚至多年处于休眠状态。转移的最终形成受诸多因素/基因的调控。1癌基因、抑癌基因与肿瘤转移许多癌基因被证明与肿瘤的转移过程有关。例如，在一些人类肿瘤中，经常可以观察到小GTP结合蛋白中的Ras家族存在有突变，在多种细胞类型出现这种突变时会发生转移。除Ras以外，其他一些癌基因诸如丝氨酸/苏氨酸激酶Mos和Rof，以及酪氨酸激酶Src，Fms和Fes的异位表达也可以在受体细胞中诱导出具有转移特性的表型。此外，在人类肿瘤中，Met和（或）肝细胞生长因子/扩散因子（HGF/SF）的异常表达经常与肿瘤的转移及较差的预后有关。最近，从人类肾乳头状癌中分离出的活化了的Met基因突变使小鼠细胞发生转化，并在小鼠模型系统的体外实验中介导了小鼠细胞的癌变及转移。当把这种突变基因转入小鼠后，小鼠发生了乳腺的肿瘤。在HGF/SF－Met转导途径被发现并证明在转移中起核心作用后，研究者正在寻找可用于治疗肿瘤的HGF/SF－Met转导途径抑制剂。许多基因通过抑制转移级联中的不同作用点来抑制肿瘤的转移。例如，组织特异性基质蛋白酶抑制物（Tissuespecificinhibitorofmetalloproteinases,TIMP）及纤维蛋白溶酶活化抑制剂（plasminactivatorinhibitor,PAI）都显示具有抑制转移的能力。一些较传统的肿瘤抑制物被证明参与肿瘤转移的后期阶段。（1）Nm23被发现在转移的黑色素瘤细胞中下调表达，后来这一现象又在很多其他人类肿瘤的转移过程中被发现。（2）PTEN酪氨酸磷酸酶的突变可以在诸如脑、乳腺、前列腺等部位的癌瘤中发现，而该酶功能的缺失在转移表型的产生过程中起一定作用。（3）Nf2基因是一种编码Nf2细胞膜/细胞骨架连接蛋白的抑癌基因。Nf2基因的丢失被证明与肿瘤的转移有关。例如，Nf2基因缺失的小鼠易患多种具有转移特性的恶性癌肿。（4）p53功能的丢失促进肿瘤的进展，不仅是因为它在血管生成中的作用，而且还与其在保持遗传稳定性中的重要作用有关。因此，p53的丢失导致了遗传上改变的积累，而这些改变可以促进肿瘤的转移。（5）肿瘤转移分子C4.4A是一类与尿激酶型纤维酶原激活物受体（urokinasetypeplasminogenactivatorreceptor,uPAR）有某些共同特性的分子。采用RT－PCR及Northernblot的方法检测，人类胎盘组织、皮肤、食管及外周血中的白细胞都有C4.4A的表达。虽然脑、肺、肝、肾、胃、结肠及淋巴器官起源的肿瘤经常可以找到C4.4AmRNA的存在，但在以上组织器官中却不能观察到C4.4A的表达。有研究表明，恶性黑色素瘤中C4.4AmRNA的表达与肿瘤的转移相关。即使在痣中找不到C4.4A的存在或者在原发黑色素瘤中仅有一小部分瘤细胞表达C4.4A，但在所有转移灶中，C4.4A都为阳性。鉴于人类与大鼠C4.4A的高度同源性，及大鼠C4.4A的表达与肿瘤转移的密切关系，人类C4.4A极有可能成为某些肿瘤的预后指标及潜在的治疗靶点。2肿瘤细胞的播散与相关因子粘附分子中的钙黏着蛋白及相关蛋白如β－联蛋白、α－联蛋白及plakoglobin构成了在转移过程中介导细胞间粘附的粘附联接。E－钙黏着蛋白介导的粘附作用的丢失与膀胱、胰腺及胃部癌肿浸润/转移有密切关系。许多参与转移扩散的生长因子部分通过受体－酪氨酸蛋白激酶转导途径和钙黏着蛋白/联蛋白复合物之间的结合及其随后发生的连接蛋白酪氨酸的磷酸化来调控E－钙黏着蛋白/联蛋白介导的粘附过程。例如，HGF/SF介导的内皮细胞的“扩散”（scattering）就与β－联蛋白的酪氨酸的磷酸化及钙黏着蛋白/联蛋白的内部作用有关。细胞内粘附分子（Intracellularadhesionmolecules,ICAM）中的免疫球蛋白家族如ICAM－1和ICAM－2也是细胞间粘附的重要介质。这些蛋白表达的丧失或因突变而失活将有利于肿瘤的播散。高水平的ICAM常常是乳腺癌预后良好的标志物。3肿瘤细胞的运动和侵袭（一）在肿瘤播散过程中，肿瘤细胞的运动和侵润是必须的。多种生长因子对肿瘤细胞的迁移具有趋化和（或）化学激动（chemokinetic）的作用。这些因子可以由肿瘤细胞、周围间质细胞和（或）浸润性白细胞产生，并被这些细胞以自分泌或旁分泌的形式排出进而刺激细胞的迁移。例如，（1）自分泌运动因子（autocrinemotilityfactor,AMF）是由某些肿瘤细胞分泌并结合到同一细胞上的AMF受体（gp78），通过自分泌的方式刺激细胞的运动。AMF和（或）gp78的过度表达已被证明与肺、胃、食管及结肠癌的转移有关。（2）HGF/SF能有力的促进具有Met受体表达癌细胞的迁移和侵润。它主要是由间质起源的细胞合成并以旁分泌的形式排出的。因此，在很多癌肿，特别是那些具有侵润/转移特性的肿瘤中，经常可以观察到HGF/SF和（或）Met水平升高的现象。例如，高水平的HGF/SF和Met可以在多形性胶质母细胞瘤中，特别是在侵润的边界区域里被发现。而低水平的HGF/SF和Met通常是在较低恶性度的肿瘤，如低恶性度的星形细胞瘤中被观察到。（二）在细胞外基质（Extracellularmatrix,ECM）蛋白水解过程中，尿激酶型纤维酶原激活物（Urokinasetypeplasminogenactivator,uPA）/纤维蛋白溶酶网络及基质金属蛋白酶（Matrixmetalloproteinase，MMP）的活化在肿瘤细胞的侵润过程中是关键。因此，在患有诸如乳腺、肺、肾脏、结肠、胃部及软组织等部位恶性肿瘤的病人体内，uPA、uPAR和（或）纤维蛋白溶酶活化抑制剂PA－1的活性增高或过度表达与肿瘤的进展与较差的预后相关。在脑肿瘤中，高水平表达uPA和（或）uPAR可以在高恶性度的肿瘤中，特别是在肿瘤浸润的边缘区域被观察到，而通过运用抑制uPAR合成的反义基因治疗，可以抑制裸鼠体内胶质母细胞瘤的形成。uPAR还可以与ECM中的玻基结合素相结合，从而参与ECM所介导的粘附过程、细胞内信号转导、细胞运动及浸润。uPAR的这些作用与它在ECM蛋白水解中所起的作用是相互独立的。基质金属蛋白酶（matrixmetalloproteinase，MMP）家族中的多种成员及其抑制剂（TIMP）的异常表达可在多种癌肿观察到，并且常与癌肿的浸润及转移相关。例如，MMP-2与MMP-9都参与胶质细胞瘤的进展及其浸润。许多可以诱导肿瘤转移的生长因子已被证明可以调控uPA-纤维蛋白溶酶网络和（或）MMP的活性/表达。例如，HGF/SF可以在多种肿瘤细胞系中诱导uPA和uPAR的表达。在人类神经胶质细胞瘤受HGF/SF刺激后，MT-MMP-1及MMP-2的表达/活化都上升。（三）肿瘤细胞若要发生迁移及浸润就必须与细胞外基质粘附。细胞粘附分子中的整联蛋白家族在转移过程中可以介导ECM及基底膜的粘附。多种不同的整联蛋白的亚单位都参与肿瘤转移的过程。由于各种组织环境中ECM的差异，不同的肿瘤细胞在浸润及迁移过程中可以合成分泌多种不同的整联蛋白。以人类黑色素瘤为例，某些整联蛋白如α2β1，α3β1及α6β1表达的调高与肿瘤的进展程度及转移能力有关。（四）一旦与ECM发生粘附后，肿瘤细胞的运动、浸润及生存都由整联蛋白所介导的细胞内信号转导来调控。整联蛋白介导的FAK的活化引起多种信号转导分子如Src,PI3－激酶及MAPK1/2的激活。它们都是细胞运动及浸润的重要介导者。有趣的是，由肿瘤抑制剂PTEN编码的一种胞质酪氨酸磷酸酶可以使PI3激酶产生的肌醇脂（inositollipids）及其它的灶性接触成分（focalcontacts）如FAK及Shc等脱磷酸。因此，PTEN的过度表达可以抑制整联蛋白介导的信号转导。相反，PTEN功能的丧失将导致整联蛋白调控的癌变及转移的产生。许多非整联蛋白糖蛋白在肿瘤细胞的浸润及转移中也参与细胞－ECM的粘附以及其后信号转导途径的活化过程。由同一基因经不同剪接方式所产生的跨膜糖蛋白CD44的多种同工型蛋白是ECM成分之一的透明质酸酶的受体，并被证明参与了肿瘤的转移。尤其是CD44v3的同工型，它的胞外部分含有肝素硫酸盐（heparinsulfate），可以与肝素硫酸盐生长因子（heparinsulfatebindinggrowthfactor）结合，并被证明与肿瘤的进展及转移有密切的关系。CD44v3还可以与HGF/SF结合并且促进由HGF/SF所介导的Met受体的活化过程。4肿瘤细胞在循环系统内的存活肿瘤细胞进入血液循环后所面对的两大主要障碍是自身的凋亡及宿主的免疫监控。（1）如果上皮细胞由于整联蛋白所介导的信号转导的丢失而没有与ECM发生粘附作用，上皮细胞通常发生凋亡。这是因为，由整联蛋白介导的FAK，PI3激酶及AKT（蛋白激酶B，proteinkinaseB）的活化可以抑制细胞的凋亡。肿瘤细胞在与ECM粘附过程中不断发生自身的修饰，并通过改变整联蛋白、整联蛋白相关信号转导分子和（或）凋亡调控剂而避免凋亡的发生。（2）循环中的肿瘤细胞对宿主的免疫细胞特别易感。但在某些情况下，肿瘤细胞似乎可以击退某些参与肿瘤免疫监控的细胞。例如，某些结肠癌细胞可以通过表达Fas配体从而诱导具有Fas受体的T细胞发生凋亡。另外，肿瘤细胞可以通过掩盖其表面的抗原来逃避循环中淋巴细胞的识别。尤其是肿瘤细胞表面的糖类，他们经常发生改变，这使得肿瘤细胞能够逃脱宿主的免疫反应。淋巴细胞与肿瘤细胞的粘附在免疫识别过程中起着十分重要的作用。所以，包括ICAM－1等在内的嗜异染细胞粘附分子极有可能是肿瘤－淋巴细胞粘附过程的重要介体。5肿瘤细胞与内皮细胞的粘附当到达继发组织的毛细血管床后，肿瘤细胞便开始沿着内皮层移行。内皮细胞表达的选择蛋白（selectins）介导了内皮细胞与表达有某种唾液酸寡糖（sialylatedoligosaccharides）的肿瘤细胞之间的最早的细胞接触。整联蛋白也在转移过程中介导肿瘤细胞－内皮细胞间的粘附。肿瘤转移的模式不仅由循环系统的解剖所决定，还与扩散的肿瘤细胞到达的继发组织之特定部位有关，这一观点已被广泛接受。这个由Paget早在1889年就提出的“种子与土壤”假说直到最近才开始在分子水平上被充分理解。组织特异性的肿瘤细胞是决定转移的组织特异性的主要因素。已有噬菌体文库显示，某些多肽能够导向（homing）不同组织内的内皮层。最近，有研究证明，含有天冬氨酸－甘氨酸－精氨酸（NGR）序列的多肽通过与肿瘤血管所表达的氨肽酶N（CD13）结合，可特异性