轉(zhuǎn)化生長因子β1信號傳導(dǎo)抵抗在結(jié)直腸癌的作用

1、轉(zhuǎn)化生長因子1信號傳導(dǎo)抵抗在結(jié)直腸癌的作用    【關(guān)鍵詞】  轉(zhuǎn)化生長因子 受體 轉(zhuǎn)化生長因子 DNA結(jié)合蛋白質(zhì)類 信號傳導(dǎo) 結(jié)直腸腫瘤    結(jié)直腸癌的發(fā)生、發(fā)展是結(jié)腸黏膜上皮受遺傳和環(huán)境等多種因素作用、多基因參與并經(jīng)歷了多階段的演變過程。轉(zhuǎn)化生長因子1(TGF?1)信號傳導(dǎo)抵抗的發(fā)生在結(jié)直腸腺瘤癌變及最終發(fā)生轉(zhuǎn)移過程中可能具有重要的作用1。TGF?1是黏膜上皮細胞分泌的一種細胞因子,在體內(nèi)多種組織中均可表達,對細胞增殖、分化和轉(zhuǎn)化起著十分關(guān)鍵的作用,作為腫瘤抑制因子在結(jié)直腸癌變中發(fā)揮著重要的作用。其信號傳導(dǎo)途

2、徑中的多種組成元件,如TGF?受體(TR?、)、Smads(mothers against DPP homolog )蛋白等失活性改變,致使信號通路阻滯,抑制細胞生長和惡變的功能喪失。筆者就TGF?1信號傳導(dǎo)抵抗的分子基礎(chǔ)與結(jié)直腸腺瘤癌變的發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系作一綜述。    1TR?的突變在結(jié)直腸癌中的作用    TGF?1作為配體,首先與跨膜TR?結(jié)合,活化的TR?進而使TR?的絲?甘氨酸(GS)序列結(jié)構(gòu)域磷酸化,并進而與TR?形成異源復(fù)合物。由于TR?的磷酸化,從而可以招募下游Smads分子,調(diào)控細胞應(yīng)答。TR?基因定位于3q22,

3、其編碼蛋白的相對分子質(zhì)量約為55 kD,為跨膜絲/蘇氨酸激酶受體。該基因中含有一段10 bp的多聚A重復(fù)序列,編碼受體胞膜外區(qū)的二個微衛(wèi)星區(qū),該重復(fù)序列發(fā)生插入或缺失都將導(dǎo)致TR?變構(gòu)而失活 2。而在TR?的胞內(nèi)激酶區(qū)域,常因高度保守位點發(fā)生錯義突變,明顯減低了絲/蘇氨酸激酶的活性,自身無法磷酸化而引起信號傳導(dǎo)中斷。    有作者研究發(fā)現(xiàn),在結(jié)直腸癌中TR?的失活性突變率大約為20%25%3，這說明TGF?基因的缺失及變異將影響到受體蛋白的表達和功能。TR?在此途徑中可能也具有重要作用,但因TR?基因突變引起TGF?1信號傳導(dǎo)抵抗僅見于少數(shù)非結(jié)直腸癌的研究報道中。

4、上皮源性的腫瘤細胞表面丟失TGF?受體和/或失去對TGF?1抑制作用的敏感性,可能是其逃避負性生長調(diào)節(jié)的一個共性4。結(jié)直腸瘤細胞逃逸 TGF?1的負調(diào)控作用后,TGF?1即通過自分泌和旁分泌作用而大量表達,促進基質(zhì)血管的生成,即具有上皮?間質(zhì)躍遷的特性,為腫瘤細胞的浸潤和轉(zhuǎn)移創(chuàng)造良好環(huán)境5。    2Smads蛋白失活性突變在結(jié)直腸癌中的作用    TGF?1與跨膜受體結(jié)合,通過胞內(nèi)Smads復(fù)合物的形成并在核?漿穿梭的介導(dǎo),啟動信號傳導(dǎo)。各種Smads蛋白失活性突變,將導(dǎo)致信號傳導(dǎo)阻滯,這是獲得性TGF?信號傳導(dǎo)抵抗的另一常見機制1

5、。    2.1Smads蛋白的種類、結(jié)構(gòu)及各自功能在哺乳動物中已經(jīng)分離鑒定的Smads蛋白有8種。根據(jù)各個因子在TGF?1信號傳導(dǎo)中所起的不同作用分為 3個亞族:(1)受體激活型Smad(R?Smad),在體內(nèi)作為TGF?型受體底物的是Smad2、3;(2)共同調(diào)節(jié)型 Smad(Co?Smad)即Smad4,能與所有活化的Smad蛋白形成異聚復(fù)合體,參與TGF?信號傳導(dǎo);(3)抑制型Smad(I?Smad)包括smad6、7,可與活化的受體或受體激活的Smads結(jié)合,抑制轉(zhuǎn)錄作用。其中,R?Smads和Smad4在氨基端和羧基端各有1個結(jié)構(gòu)域:MH1 和MH2

6、(mad homology regions 1，2)。MH1區(qū)的功能主要為直接或間接地結(jié)合DNA,MH2區(qū)具有磷酸化位點SSXS基序,主要參與受體相互作用以及Smads的寡聚化,是信號傳導(dǎo)的功能性結(jié)構(gòu)域6。二者由富含脯氨酸的中間連接區(qū)(Linker)連接。而I?Smad的結(jié)構(gòu)差異較大。Linker包含有MAPK的作用位點,還含有1個PY片段(Smad4除外),能特異性地與E3泛素連接酶相互作用,可能與Smads蛋白地降解有關(guān)7。    2.2Smads蛋白的核穿梭和基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控各種Smad因子進入核內(nèi)地方式并不相同。Smad2的核?漿穿梭需要其MH2結(jié)構(gòu)域與核孔蛋

7、白 CAN/Nup214和Nup153相互作用;而Smad3的核輸入則是由其MH1結(jié)構(gòu)域中賴氨酸富集區(qū)的核定位系統(tǒng)NLS(nuclear localization signal)所賦予的;Smad4由于結(jié)構(gòu)上有活躍的NLS系統(tǒng)和Linker的NES(nuclear export signal),從而能在核?漿持續(xù)地穿梭。I?Smad在TGF?信號刺激時定位于胞核。    R?Smad/Smad4異聚體進入核內(nèi)后,首先與靶基因啟動區(qū)的特異性結(jié)合元件SBE(Smad binding element)結(jié)合,由于該位點親和力較低,故Smads常與多種核內(nèi)因子形成復(fù)合體被轉(zhuǎn)

8、運至特定啟動子并與之牢固結(jié)合8。此外,靶基因的轉(zhuǎn)錄還需要轉(zhuǎn)錄輔助激活因子和輔助阻遏因子。I?Smad是信號傳導(dǎo)的拮抗因子,能夠牢固地與TR?結(jié)合,使之無法將R?Smad磷酸化,從而與TGF?1 協(xié)同發(fā)揮抑制作用。體內(nèi)的局部因素和細胞內(nèi)環(huán)境的變化決定了活化的Smads與某幾種轉(zhuǎn)錄因子相互作用而導(dǎo)致不同的效應(yīng)。    2.3細胞內(nèi)Smads蛋白的降解由于Smads是TGF?1信號傳導(dǎo)途徑的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,胞內(nèi)Smads蛋白水平的改變必將影響信號級聯(lián)反應(yīng)。泛素蛋白酶體通路(UPP)廣泛參與細胞內(nèi)Smads蛋白因子的降解。UPP是ATP依賴性的能特異降解胞內(nèi)調(diào)控蛋白的主要途

9、徑,由泛素、泛素連接酶和26s蛋白水解酶復(fù)合體共3部分組成。在此通路中,E3連接酶對底物蛋白的識別和降解起關(guān)鍵作用。其中,Smurf1，2是E3連接酶中HECT結(jié)構(gòu)域家族的成員,定位于細胞質(zhì),其功能涉及對Smads信號通路的調(diào)節(jié)9。    在TGF?1信號刺激下,Smurf2能夠通過與Smad2的脯?酪氨酸(PPXY)模序緊密結(jié)合,通過HECT結(jié)構(gòu)域催化降解Smad2; Smurf1，2均能與Smad7蛋白PPXY模序直接結(jié)合,被招募至TGF?受體復(fù)合物處,協(xié)同Smad7發(fā)揮阻斷TGF?信號傳導(dǎo)的作用,同時自身也被泛素化而降解。而在Smad4分子的序列中沒有PPX

10、Y模序,在當(dāng)具有WW?HECT結(jié)構(gòu)域的其他E3連接酶,如WWP1等與I?Smad共同存在時,Smad4與Smad7通過各自的MH2區(qū)相結(jié)合,由Smad7介導(dǎo)其多泛素化而降解10。    2.4基因序列水平的改變    2.4.1Smads基因編碼序列的改變在結(jié)直腸癌中,有學(xué)者利用反義Smad4基因抑制內(nèi)源性Smad4的表達,從而阻斷TGF?1的信號傳導(dǎo),證明了Smad4是此通路中的一個重要組成元件11。Miyaki報道,結(jié)腸腺瘤Smad4的突變率位0,結(jié)腸腺瘤癌變后Smad4的突變率上升位 10%,而結(jié)腸癌伴轉(zhuǎn)移后其突變率高

11、達35%12。在癌細胞中Smad4通過錯義、移碼突變或整條染色體相關(guān)區(qū)域的缺失而失活。Smad4是人們研究最多,也是了解較為詳盡的一種。在Smad4的MH2結(jié)構(gòu)域中存在著一個突變密集區(qū),編碼第330370的氨基酸序列,是頻繁發(fā)生錯義突變的區(qū)域 13。而在MH1結(jié)構(gòu)域中,通過各種形式的突變增強了MH1與同源MH2結(jié)構(gòu)域間的親和力,導(dǎo)致Smad4分子處于受抑狀態(tài),或與DNA結(jié)合能力明顯降低。這樣,Smad4基因的突變通過不同的機制導(dǎo)致了細胞對TGF?1誘導(dǎo)的生長抑制和凋亡作用產(chǎn)生抵抗,造成結(jié)直腸腫瘤的始動。另有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),Smad3的羧基末端的磷酸化位點(pSmad2/3C)改變也可能是結(jié)腸腺瘤

12、癌變的機制之一。結(jié)腸腺瘤癌變后,JNK?依賴性Smad3中間連接區(qū)的磷酸化使Smad3在核內(nèi)積聚,降低了Smad3與TR?的接觸機會,同時pSmad2/3C明顯減少14。    2.4.2Smads基因啟動子序列的甲基化使相關(guān)基因沉默Smad基因序列的突變,將使TGF?1/Smad4信號傳導(dǎo)受阻。然而, Onwuebusi等通過實驗對Smad4基因編碼的11個外顯子測序后,并未發(fā)現(xiàn)存在基因序列上的突變。隨后又對Smad4的啟動子序列進行甲基化分析,卻發(fā)現(xiàn)啟動子序列的異常甲基化與Smad4蛋白的表達缺失明顯相關(guān),并推測基因表觀修飾方式使基因處于沉默狀態(tài),抑制了基因表

13、達,阻礙了TGF?1/Smad4信號傳導(dǎo)13。    DNA甲基化是基因表觀修飾的方式之一,甲基化能關(guān)閉某些基因的活性,而去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達,這種DNA修飾方式并沒有改變基因序列, 但卻調(diào)控了基因的表達15。DNA甲基化是在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的作用下使CpG二核苷酸的5?端胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)??甲基胞嘧啶。在抑癌基因的啟動子區(qū)域和/或第一外顯子區(qū)存在較密集的CpG島,當(dāng)結(jié)直腸腫瘤發(fā)生時,CpG島中的CpG則呈高度甲基化狀態(tài),以致染色體螺旋程度增加,抑癌基因處于沉默狀態(tài),表達產(chǎn)物丟失16。     3展望 

14、;   TGF?1調(diào)控作用的發(fā)揮依賴于其受體及胞內(nèi)中介分子的完整性,若TR?、基因突變、Smads分子變構(gòu)、降解,均將出現(xiàn)TGF?1/Smad4信號途徑的抵抗。近年來,雖然人們對結(jié)直腸腺瘤癌變的發(fā)病機制進行了多方面的探索,但仍有許多問題尚未解決,特別是早期發(fā)生的機制還不很清楚。TGF?1/Smad4信號傳導(dǎo)途徑的深入研究,將為結(jié)直腸癌的早期診斷、基因治療和預(yù)后判斷提供分子生物學(xué)上的理論依據(jù)。 【參考文獻】  1丁義濤,于成功,李天興,等. 消化系腫瘤學(xué)M. 南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社, 2004:38?59.2Shattuck B,Recca L. The

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