肿瘤转移的分子生物学基础

肿瘤转移的分子生物学基础肿瘤转移的分子生物学基础中山大学基础医学院生物化学教研室中山大学基础医学院生物化学教研室前前言言肿瘤播散是恶性肿瘤的生物学特征之一，严重影响肿瘤患者的治疗和预后。一、一、肿瘤转移的基本过程肿瘤转移的基本过程肿瘤转移是多步骤、多因素的复杂过程，是多阶梯瀑布过程。（一）原发瘤增殖和扩展（一）原发瘤增殖和扩展n增殖导致肿瘤内部压力增加n接触抑制丧失n增殖只是肿瘤细胞转移的基础（二）肿瘤血管的形成（二）肿瘤血管的形成n肿瘤超过1～2mm时，新生血管形成是维持其生长所必需。n宿主毛细血管网进入肿瘤组织。n是血管生成刺激因子和抑制因子共同调控的结果。（三）肿瘤细胞脱落并进入基质（三）肿瘤细胞脱落并进入基质n肿瘤细胞分离倾向与细胞膜结构的变化和粘附力的下降有密切关系。n恶性肿瘤细胞E­钙粘连素表达降低。n癌细胞表面负电荷高、与钙离子结合能力差以及桥粒发育不全也与之有关。n癌细胞可以产生多种水解ECM的酶类。n定向移动（migration）在癌细胞侵袭过程中起重要作用。细胞运动参与许多正常生命活动肿瘤细胞具有类似白细胞的运动方式（四）进入脉管系统（四）进入脉管系统n肿瘤血管为侵入基质的游离肿瘤细胞进入循环系统提供条件。n肿瘤组织的血管与正常血管差异显著。（五）癌栓形成（五）癌栓形成n侵袭进入循环的癌细胞大部分死亡。n转移能力高的细胞在循环中相互聚集形成小的癌栓才能抵抗易损因素。（六）肿瘤细胞锚定黏附（六）肿瘤细胞锚定黏附n肿瘤细胞­血小板簇与靶器官内皮细胞的粘附并锚定在内皮细胞表面。n微小脉管对癌栓的截获也是锚定粘附的方式。n影响粘附的因素：碳氢类配子与选择素透明质酸裂解酶受体CD44v与整合素（七）逸出循环系统（七）逸出循环系统n肿瘤细胞诱导脉管基底膜的降解和穿透。n肿瘤细胞穿透脉管后细胞外基质中的移行。（八）转移后结局（八）转移后结局侵入靶器官的肿瘤细胞形成转移瘤并进行性长大才真正完成了转移。n转移后生长n转移之转移n转移的休眠（黑色素瘤、乳腺癌切除后多年后的复发）处于G 0 期，逃避机体杀伤作用；分裂和死亡处于动态平衡；肿瘤血管形成缺如；正常的机体免疫功能状态。二、二、肿瘤转移的分子生物学基础肿瘤转移的分子生物学基础（一）基因调控下的肿瘤转移（一）基因调控下的肿瘤转移肿瘤转移与促进基因和抑制基因之间表达失衡相关。不是所有的肿瘤都有转移表型，同种肿瘤细胞不同个体转移能力也不一样。nn促进肿瘤转移的基因促进肿瘤转移的基因u与肿瘤转移相关的基因有很多种，但还没有严格意义上的转移基因u ras基因•基本生物学特性•效应蛋白：IV型胶原酶、组织蛋白酶和与细胞运动相关的细胞因子u CD44v：肿瘤转移促进基因 • CD44是广泛分布跨膜糖蛋白分子，能与细胞外基质中透明质酸、血管内皮细胞的粘附。 • 其正常功能是作为受体识别透明质酸（HA）和胶原蛋白Ⅰ、Ⅳ等，主要参与细胞­细胞，细胞­基质之间的特异性粘连过程。 • CD44V6高表达的癌细胞可能获得淋巴细胞“伪装”，逃避人体免疫系统的识别和杀伤，更易进入淋巴结，形成转移。 • 可促进ras基因表达nn抑制肿瘤转移基因抑制肿瘤转移基因u抑制肿瘤转移基因是近年来倍受关注的研究领域。u nm23基因：肿瘤转移抑制基因•产物为NDPK（核苷酸二磷酸激酶），生成ATP以外的三磷酸核苷。•影响细胞内微管系统的状态而抑制癌的转移：提供GTP而调节微管的聚合与解聚。•能与G蛋白结合，本身也具有G蛋白的某些特性，可能通过细胞跨膜信号传递调节肿瘤细胞转移。u TIMP: 金属蛋白酶组织抑制剂•参与基质胶原酶的代谢，使其失活。•对肿瘤转移的抑制作用主要在侵袭阶段。•还具有抑制血管增生的作用。u Kiss­1基因：编码产物为G蛋白偶联受体的内源性配体，能使胞内Ca2＋浓度增加，同时能明显抑制肿瘤细胞的迁移和侵袭。（二）粘附分子与肿瘤转移（二）粘附分子与肿瘤转移粘附因子是一类介导细胞与细胞、细胞与细胞外基质间粘附作用的膜表面糖蛋白。在肿瘤转移的每个环节均包含粘附与分离（粘附解聚）两个方面。u细胞与细胞间的粘附•同源细胞间的粘附：E-钙粘连素；在肿瘤转移的某些环节上发挥重要作用。•异源细胞间的粘附：选择素；肿瘤细胞与血小板、内皮细胞和基质细胞的结合。u细胞与细胞外基质的粘附•细胞外基质•肿瘤细胞主要通过整合素（integrin）受体与细胞外基质结合u钙连接素（cadherin）•是跨膜糖蛋白家族，主要介导同源细胞间的连接。•E型：分布于上皮细胞，负性调控肿瘤侵袭。P型：分布于上皮组织和胎盘的基底层。N型:分布于神经组织和肌肉组织。u选择素（selectin）•该类粘附分子主要通过碳氢键连接•P型：肿瘤细胞与血小板的粘附结合E型：肿瘤细胞与内皮细胞的结合L型：存在于白细胞表面，白细胞与其他细胞结合肿瘤转移的一些关键步骤如循环肿瘤细胞的聚集和癌栓的形成，以及肿瘤细胞与特定脏器脉管内皮的粘附结合都有选择素的参与。u整合素（integrin）•一组细胞表面糖蛋白受体，配体为细胞外基质（ECM）成分，由a和b两个亚基组成•主要功能是参与不同细胞间的粘附、介导细胞与ECM的结合等•直接介导肿瘤细胞与基质的粘附；通过信号转导调控细胞骨架变形和能量代谢；诱导蛋白溶解酶活化；启动细胞逃逸机制抑制细胞凋亡。u免疫球蛋白类粘附分子：结构上具有同源性，主要参与细胞之间的粘附。•ICAM-1（内皮细胞粘附分子-1）：ICAM-1从肿瘤细胞表面脱落进入循环系统成为可溶性分子后，可协助肿瘤细胞逃逸细胞毒T细胞和NK细胞的免疫监视杀伤效应，促使肿瘤发生转移•VCAM-1（血管细胞粘附分子-1）：参与协助肿瘤逸出循环系统，进入继发脏器。•NCAM（神经细胞粘附分子）：它的功能为信息传导和调控细胞生长，其缺失可能导致细胞生长失控和高度转移倾向。（三）血管生成与肿瘤转移（三）血管生成与肿瘤转移n肿瘤的生长和转移与血管形成密切相关。n肿瘤新生毛细血管是在周边组织原有的血管基础上延伸扩展形成的n肿瘤本身能诱导血管的形成。n血管新生包括以下步骤：血管内皮基质膜溶解内皮细胞向肿瘤组织迁移内皮细胞在迁移前沿增殖内皮细胞管道化、分支形成血管环形成新的基底膜n血管新生是血管生长因子和血管生长抑制因子均衡作用的结果血管生成刺激因子：VEGF、 FGF、 EGF 、 angiogenin 、TNF­α等血管生成抑制因子： angiostatin、endostatin、 PEDF、γ干扰素等（四）纤溶酶及其调节因子与肿瘤转移（四）纤溶酶及其调节因子与肿瘤转移纤维蛋白溶解酶能水解大多数细胞外基质物质，在血管形成、肿瘤细胞脱落、基质浸润、侵入和逸出循环系统、继发脏器移行和微环境改造等发挥重要作用。由纤溶酶原（plasminogen）在PA和PAI调节生成。u PA包括组织型（t­PA）和尿激酶型（u­PA）两类，二者均激活纤维蛋白溶解酶原的作用u t­PA可促使肿瘤细胞降解细胞外基质，u u­PA促进肿瘤侵袭和转移的效应主要表现在参与血管生成、细胞迁移、细胞外基质降解和组织结构重建等过程，在肿瘤转移中发挥更重要作用。nnPAPA的分类和功能的分类和功能u PAI可抑制PA的活性，从而起到控制和阻断肿瘤侵袭转移的作用。u PAI­1存在于血小板、血浆，为u­PA的主要抑制剂。PAI­1也广泛存在于肿瘤细胞周围组织中以及肿瘤实质内，阻断肿瘤转移。u PAI­2（46.6KD）主要表达于单核巨噬细胞系统，在部分肿瘤中高表达，但对不同肿瘤其意义有所不同。u PAI­3属蛋白酶连接素，功能不清。nn PAI PAI的分类和功能的分类和功能（五）基质金属蛋白酶及其抑制剂与肿瘤转移（五）基质金属蛋白酶及其抑制剂与肿瘤转移细胞外基质的溶解酶系统由一个庞大的蛋白溶解酶家族组成，称为MMPs MMPs及其抑制剂（TIMP）在肿瘤侵袭和转移过程中担任重要角色u MMPs可分为胶原酶、明胶酶、基质溶解酶和膜类MMPs u特征性结构域：氨基末端多肽 — 参与MMPs激活催化区域片段羧基末端血凝乳酶样结构nn MMPs MMPs的种类和结构的种类和结构uTIMP1: 糖蛋白，能抑制所有活化的胶原酶uTIMP2: 非糖蛋白，结合 MMP­2的前体，明显抑制MMP­2的活性。uTIMP3:? uTIMP4: 最近从心脏组织中克隆出来，表现出明显抑制肿瘤侵袭和转移作用。nn TIMP TIMP的种类和功能的种类和功能u降解细胞外基质，促进肿瘤细胞进入脉管系统。u促进原发瘤和继发瘤的生长，创造肿瘤生长和扩散的微环境。u促进血管生长的作用，MMP­2在毛细血管末梢形成及内皮细胞基底膜形成中发挥重要作用。nn MMP MMP的的功能功能及其及其调节调节u MMPs在细胞外以非活性的酶原存在，需要活化后才能发挥生物学功能。u IL4 、10、生长因子（EGF、bFGF等）、细胞与细胞、基质之间的反应因子。u抑制调节包括特异性组织抑制剂如TIMP1～4和大量非特异性蛋白酶抑制剂，是目前发展最快的抗癌药物。三、三、关于肿瘤转移的理论关于肿瘤转移的理论（一）解剖学的观点（一）解剖学的观点以器官的血流、淋巴的引流方向解释转移乳腺癌腋窝淋巴结胃肠道恶性肿瘤肝脏阴茎癌腹股沟淋巴结卵巢癌髂区淋巴结（二）（二）““种子种子­ ­土壤土壤””学说学说肿瘤转移是特殊的癌细胞（种子）在适宜的环境（土壤）生长发展的结果ª心肌、主动脉、甲状腺和脾虽血供丰富，但很少有转移瘤。ª膀胱癌转移至脑、前列腺癌转移至骨组织、眼脉络膜黑色素瘤转移至肝、甲状腺癌转移至骨、LLC自发性肺转移（三）原发瘤抑制转移瘤（三）原发瘤抑制转移瘤原发瘤可通过产生血管增生抑制因子抑制转移瘤形成。ªO′ReillyMS,etal, FolkmanJ.Angiostatin:Anovelangiogenesisinhibitorthatmediatesthesuppressionofmetastasesbyalewislungcarcinoma.Cell,1994,79:315.ªO′ReillyMS,etal, FolkmanJ.Endostatin:anendogenousinhibitorofangiogenesisandtumorgrowth.Cell,1997,88:277.ªFolkmanJ.Angiogenesisincancer,vascularrheumatoid,andotherdisease.NatMed,1995,1:27.？（四）转移前微环境（四）转移前微环境（pre-metastaticniche） “癌细胞转移前的早期步骤很复杂” “肿瘤向新的部位派去特使，为癌细胞转移做准备” ªKaplanRN,LydenD.VEGFR1-positivehaematopoieticbonemarrowprogenitorsinitiatethepre-metastaticniche.Nature.2005Dec8;438(7069):820.潜在的问题和价值潜在的问题和价值ª没有解释特异性转移的问题ª转移前微环境产生黏附分子的机制ª检测循环中VEGFR1+HPCs数量或许能够预测肿瘤细胞的扩散ª拦截“特使”或阻止其活动可能预防癌细胞扩散。ª“为重新理解转移瘤的发生打开了一扇门”ª提供新的药物靶点四、四、阻止肿瘤转移的策略和手段阻止肿瘤转移的策略和手段u肿瘤转移抑制基因nm23基因治疗靶点u基因转染改变肿瘤细胞t PA/u PA的活性以阻断肿瘤转移uras基因表达阻断nn肿瘤转移的基因治疗肿瘤转移的基因治疗u抗生素、维生素D3衍生物、维甲酸类、多磺基化合物、肝素类似物及细胞外基质成分等u血小板因子4（PF4）：能使FGF丧失生物活性，并能增加TNF­α的功效u TNP­470 ：是烟曲霉素类似物。u血小板反应素­1（TSP­1）：能抑制血管生长因子。u姜黄素：能抑制新生血管的形成和促进微血管崩nn血管生成抑制剂与抗肿瘤转移血管生成抑制剂与抗肿瘤转移nn细胞粘附因子抑制剂与抗肿瘤转移细胞粘附因子抑制剂与抗肿瘤转移nn MMPs MMP