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TGF综述
TGF-β信号通路在胰腺癌中的改变
陈颖1综述朱明华2审校
1:
第二军医大学附属长海医院病理科
2:
第二军医大学附属长海医院病理科,200433。
Tel:
86-21-25074604
E-mail:
mhzhu2000@
TGF-β信号通路在胰腺癌中的改变
陈颖综述朱明华*审校
长海医院病理科
摘要:
转化生长因子-β是一种功能极为复杂的细胞因子,在细胞增殖、分化、凋亡、胚胎器官发生、组织形成与更新、免疫反应等方面起着重要的作用。
现在研究发现,TGF-β参与了许多人类恶性肿瘤的发生、发展的演变过程,是关键的调控分子之一。
目前普遍认为胰腺癌是多种基因改变引起细胞恶性转化所致,甚至发生浸润、远处转移,其中TGF-β与胰腺癌的关系较为密切。
本文主要对胰腺癌中TGF-β信号通路改变情况及相关的研究进展作一简单的介绍。
关键词:
转化生长因子-β;胰腺癌;信号转导通路;
中图分类号:
R739.41,Q756;
文献标识码:
A;
文章编号:
1000-467X
AlterationofTGF-βpathwayinthepancreaticcarcinoma
CHENYing,ZHUMing-Hua
DepartmentofPathologyofChanghaiHospital,Shanghai,China.
Abstract:
Transforminggrowthfactor-β(TGF-β)isamultifunctionalcytokinethatregulatesawildspectrumofcellularactivitiessuchasproliferation,growthinhibition,immunosuppression,andupregulationofextracellularmatrixdeposition.Manycancers,includinghumanpancreaticcarcinoma,haborabnormalitiesinTGF-βsignaling.Pancreaticcarcinoma,regardedasadiseasewithpoorprognosis,possiblyresultingfromitsspeciallocationandlackingofhighlyspecificmarker,nowisthoughttobeassociatedwithsomegeneticalterationsofTGF-βsignalpathway.Thisarticlereviewstheselatestadvancesonthiscomplexfunctionalcytokinesignaling,especiallyitseffectonthepancreaticcarcinoma.
Keywords:
TGF-β,pancreaticcarcinoma,signaltransduction;
转化生长因子-β(transforminggrowthfactor-β,TGF-β)是一种具有广泛生物学活性的细胞因子,几乎作用于所有细胞,控制着细胞的一系列生命活动,包括增殖、分化、凋亡、信号识别以及胚胎发育过程中诱导特定的器官发生
(2)。
一旦TGF-β的信号通路发生改变,能引起多种人类疾病(24)。
近年来,有许多报道表明,TGF-β在人类多种肿瘤如胃肠道肿瘤(29)、乳腺癌(32)、卵巢癌(33)、神经内分泌肿瘤(30)的恶性转化、浸润及转移中起了重要的作用(28),还能影响肿瘤细胞对化疗的敏感程度(31)。
胰腺癌是一种预后很差的恶性肿瘤,由于胰腺位置特殊性以及缺乏特异性强、敏感性高的标志物,因而导致胰腺癌的早期诊断非常困难,从而大大降低了患者的生存率。
现研究发现,胰腺癌的发生发展与TGF-β信号通路的紊乱有关。
本文将着重阐述胰腺癌中TGF-β信号通路的改变情况。
1TGF-β信号通路
1.1TGF-β家族及其受体的结构特点。
人类TGF-β主要由42个开放阅读框架编码,带有特征性的保守的6个半胱氨酸残基,根据序列的相似程度以及活化的信号通路可分为2个亚家族:
TGF-β/Activin和BMP(bonemorphogeneticprotein,骨形态发生蛋白)
(1)。
TGF-β家族成员均享有一些共同的序列以及结构特征。
TGF-β常见的异构体有3种:
TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3。
TGF-β1则是TGF-β超家族中的经典成员。
TGF-β前体由信号肽、前在相关多肽以及成熟的TGF-β三部分组成。
成熟的TGF-β以二聚体的结构存在,每个单体由4个反向平行的β折叠和1个α螺旋组成,前者构成了两个指状结构,并由3个保守的二硫键所形成的“半胱氨酸结”固定。
单体的两个指状结构的内面与另一个单体的α螺旋疏水结合,并由二硫键坚固了这种作用
(2)。
TGF-β受体属于丝/苏氨酸激酶家族,分为I型和II型受体。
两类受体均带有约500个氨基酸,由氨基端的膜外配体结合区、跨膜区以及羧基端的丝/苏氨酸激酶区构成。
BMP/Activin/TGF-β的膜外配体结合区都呈三指结构,每指由一对反向平行的β折叠形成。
I型受体的近氨基端带有特征性的SGSGSG序列,被称为GS域,与激酶区域临近。
该区域是TGF-β信号通路中的关键调节区域,II型受体通过磷酸化该GS域而活化I型受体,并与配体共同形成受体-配体复合物。
Massague等1998年报道,某些变异型受体带有氨基端或羧基端的片断延伸,其大部分功能尚不明了。
TGF-β与II型受体具有高亲和力,但并不与游离的I型受体结合,提示了I型与II型受体的活化是一个有序的过程。
1.2Smad家族。
Smads作为TGF-βI型受体的下游底物,首次发现Drosophila(果蝇)中Mad基因和C.elegan(线虫)中Sma基因的编码产物是这些物种中类似BMP通路中受体-配体反应的下游分子。
而同时在人类基因组中也找到了功能相似蛋白产物,因而综合命名为“Smad”。
根据不同的作用,Smads可分为三大类:
受体激活型Smads(R-Smads—Smad1,Smad2,Smad3,Smad5,Smad8);通用型Smad(Co-Smad—Smad4);抑制型Smad(I-Smad—Smad6,Smad7)。
其中只有R-Smads是直接被I型受体磷酸化并活化的。
TGF-β亚家族的信号通路中涉及到的R-Smads主要为Smad2,Smad3,其余则参与BMP亚家族途径。
R-Smad与Co-Smad均包含两个保守的结构区域,氨基端的MH1区和羧基端的MH2区。
其中MH1区能表现出序列特异性的DNA结合活性,在核转位以及负性调控MH2区上发挥一定的功能。
R-Smad的MH2区还具有特征性的SXS基序,磷酸化该基序能激活R-Smad,并且与许多核内蛋白作用,影响转录。
而I-Smad的氨基端虽然与R-Smad存在较弱的同源性,但却不能与DNA结合(3)。
I-Smad也能发生磷酸化,但可能并不是由TGF-β受体激酶活化,具体由哪种激酶参与仍不清楚(4)。
Smad家族的所有成员的MH2区高度保守,可能与同受体相互作用,形成同源或异源寡聚体以及核浆转运有关。
尽管MH1区和MH2区之间的连接区域在Smad家族成员中变异很大,但该区域包含了多个磷酸化位点(能与其他信号通路之间形成交互)和PY基序(介导与Smurfs的作用)。
Smurfs是含有HECT区域的E3泛素连接酶,能通过26S蛋白酶靶向降解Smad以及Smad相关的TGF-β受体。
1.3TGF-β信号通路的经典途径。
TGF-β首先与II型受体的胞外区域紧密结合,活化了II型受体,引起其胞内区结构改变,暴露了I型受体的结合表位,磷酸化I型受体的GS域。
I型受体激活后,继而发挥丝/苏氨酸激酶活性,磷酸化下游分子(Smad2和Smad3)。
活化后R-Smads发生变构,不仅增加了同Co-Smad(Smad4)的亲和力,而且也暴露了自身的具有核转位功能的MH2区。
R-Smads与Co-Smad形成的复合物,由胞浆转入核内。
Co-Smad(Smad4)以及除Smad2以外的所有R-Smads都能与DNA特异性结合,最短的Smad结合元件(SBE)仅有4对碱基:
5’-AGAC-3’(5)、(6)。
Smad2之所以与DNA的结合能力差,是因为其MH1区中结合DNA的β发夹结构与H2螺旋之间插入了30个氨基酸,从而破坏了与DNA的高亲和力。
Smads复合物入核结合特定的序列,协同转录因子上调或下调靶基因的表达,产生生物学效应。
但是细胞受到TGF-β刺激后究竟会引起怎样的反应?
现普遍认为,这主要取决于特定类型细胞中存在的Smad的伴侣蛋白(7)以及当时细胞所处的外环境。
1.4TGF-β信号通路的旁路途径。
TGF-β不仅存在Smad4依赖性的经典途径,Dai等在Smad4缺失的胰腺癌细胞株中发现TGF-β同样也能引起细胞的生长抑制以及其他一些促进基因转录活性,这种抑制增殖的反应并不是通过抑制Ras或c-Raf-1的活性形成的,而是由于TGF-β诱导产生了某种丝/苏氨酸磷酸酶,进而抑制了ERK2(extracellularsignal-regualtedkinase2,是一种被有丝分裂原活化的激酶)的活性,属于Smad4非依赖性途径(11)、(15)。
刘和华等发现TGF-β1能通过抑制p38MAPK的活性及神经酰胺的生成来抑制无血清诱导的NIH3T3细胞的凋亡,并且诸多研究表明,MAPK的激活是不依赖SMAD的,也说明了SMAD介导的信号通路并非TGF-β发挥效应的唯一途径(27)。
2.TGF-β信号通路的改变与胰腺癌发生、发展的关系。
正常体内TGF-β的主要作用是抑制上皮源性细胞生长,调节免疫反应,抑制免疫功能以及促进间质来源的细胞的增殖和细胞外基质的再生
(2)。
携带某些突变基因的细胞由于增强了对TGF-β的促基质生成和免疫抑制作用的敏感性,就能导致肿瘤的发生,并促进其浸润、转移。
Villanueva等发现多种基因改变引起TGF-β信号通路异常在胰腺癌的发生、发展过程中起了重要作用(9)。
2.1TGF-β1的异常表达。
胰腺癌中多见TGF-β1-3,EGF,FGF等多种生长因子的过度表达,而且与肿瘤分化程度较差及低生存率有关(17)。
现在普遍认为,TGF-β1在胰腺癌的发生发展过程中充当双重角色。
因为TGF-β1信号通路中的关键分子Smad4的失活多发生于较晚阶段(≥PanIN3)(20)、(21),因而早期(PanIN1~2),TGF-β1抑制细胞增殖仍处于主导地位,个别发生恶变的细胞也无法无限生长,此时TGF-β1相当于发挥了抑癌基因的作用;但随着恶性细胞的突变基因的积累,Smad4也发生了突变,抑癌基因的功能丧失,部分肿瘤细胞能表达内源性TGF-β1。
虽然TGF-β1依赖Smad4的抑癌通路被阻断,但它却能通过其他途径增加VEGF等的表达,影响间质及血管的生成,降低机体免疫力,为肿瘤细胞的浸润、转移提供了机会,这时TGF-β1又具有了癌基因的活性。
Hitoshi等对32例胰腺癌标本进行了TGF-β1的免疫组化标记,发现TGF-β1的表达高低与肿瘤组织的静脉浸润具有显著相关性,而且在肿瘤细胞的周围基质中呈强阳性,通过细胞实验也表明TGF-β1能增强胰腺癌细胞株Capan-2和SW1990中MMP-2和u-PA的表达(此两种蛋白能降解细胞外基质,加强肿瘤细胞的侵袭力),但对细胞增殖影响不大,也支持TGF-β的“双面性”学说(28)。
国内外均有报道,与正常胰腺、慢性胰腺炎相比,TGF-β1在胰腺癌呈过度表达,而且与肿瘤的临床分期有关,Ⅲ期和Ⅳ期的阳性率要明显高于Ⅰ期和Ⅱ期患者,也表明了TGF-β1在胰腺癌晚期能促进肿瘤的进展及转移(23)、(28)。
2.2TGF-β受体。
在关于TGF-β如何促进肿瘤形成、演变的各种假说中,有种观点认为,I型和II型受体缺失是肿瘤细胞抵抗TGF-β的生长抑制效应的重要方面、、(26),在胃肠道肿瘤多见(24)。
胰腺癌中也发现TGF-β受体存在低频率的突变,I型受体约为1%(22),II型约为4%,提示它们并不是基因突变的热点,而是带有选择性的失活(29)。
部分肿瘤细胞能抵抗TGF-β的生长抑制效应,除了Smad4功能失活,其TGF-β受体功能失活也起了一定的作用。
有实验发现大部分胰腺癌细胞株低表达TGF-βI型受体,对TGF-β不敏感,但重新转染了I型受体基因后能大大提高对TGF-β生长抑制效应的反应性(24)。
Jonson等研究了14种胰腺癌细胞株中TGF-β各型受体及SMADs的表达情况,42%存在SMAD4基因重排,未发现TGFBR1或TGFBR2突变,其中4种出现I型受体启动子区域甲基化,9种为I型受体表达明显降低,12种为II型受体表达增强,提示TGF-βI型受体与SMAD4是TGF-β信号通路中失活的主要靶点(14)。
结肠癌中TGF-βII型受体基因出现MSI(微卫星不稳定性)所致突变较多见,而在胰腺癌中的发生率相对要低些。
Venkatasubbarao等也发现了TGF-βII型受体的多聚腺苷酸片段也能发生MSI,而且还能增加其他位点对MSI的敏感性(25)。
2.3Smad蛋白。
Smad2、Smad4作为新的抑癌基因,是TGF-β抗增殖应答中的重要组成分子,其功能失活能诱导肿瘤的发生。
同时,Smad4还能通过降低VEGF的表达抑制血管生成而阻滞肿瘤发展(16)。
接近50%胰腺癌能出现Smad4失活。
Smad4的羧基端(MH2区)是高度保守的,能诱导配体特异性反应以及与上游其他Smads形成异源复合物,此区域是突变的主要靶点(10)。
Wilentz等利用免疫组织化学研究了188例的PanIN(pancreaticintracepithelialneoplasia,胰腺上皮内瘤样病变)中Smad4的表达情况,发现所有的低级别导管病变(PanIN-1和PanIN-2)均有Smad4表达,而31%的严重异性增生病变(PanIN-3和原位癌)则表达缺失。
提示Smad4突变主要发生于恶变的较晚阶段,促进肿瘤的进展、浸润(12)。
相对而言,Smad2的失活在结肠癌中更为常见。
Xu等从结肠癌和胰腺癌中分别抽提出在MH1区带有一个错义突变的SMAD2和SMAD4,发现此突变并不影响SMAD蛋白的活性,却令它们比野生型蛋白产物更容易降解。
这一过程主要是通过泛素连接酶UbcH5家族来完成的(13)。
Maurice等截去了Smad4蛋白羧基端38个氨基酸,发现此突变体不仅更易降解,而且也无法与活化的Smad2形成异源多聚体,或是结合核内的转录因子促进基因转录,是不具备功能的蛋白质(18)。
部分Smad4表达阳性的胰腺癌患者的预后及生存时间都要优于阴性的患者(19)。
TGF-β信号通路是一个十分复杂的细胞因子网络,其中涉及了许多媒介蛋白和转录因子,具有多条旁路途径,能影响广泛的基因表达,生物学活性十分活跃。
胰腺癌现被认为是种基因病,它的发生发展是多种基因突变共同作用下产生的,与TGF-β信号通路改变关系密切,可能与TGF-β引起的血管生成、免疫抑制、增加细胞外基质表达等有关,但其中具体的机制仍不清楚。
了解TGF-β信号通路在胰腺癌中的改变情况,进一步明确胰腺癌发生的分子机制,对寻找胰腺癌的早期诊断的标记物、提高患者的生存率将有很大帮助。
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