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上皮细胞间质细胞转换机制—上皮细胞获得干细胞表型或恶性变的途径上皮细胞-间质细胞转换在胚胎发育过程中具有十分重要的地位。现在,越来越多的数据表明该过程在调控正常人体组织和肿瘤组织的细胞可塑性(cellularplasticity)方面也起到了关键作用。通过上皮细胞间质细胞转换过程能够形成多个各不相同的细胞亚群,即形成了肿瘤细胞异质性(intratumouralheterogeneity)。这些亚群细胞都具有各自的特点,有一些可能分化程度较高,但还有一些则表现出了干细胞的特征。而这些特征又都与肿瘤相关表型,比如肿瘤转移或致死率等有关,因此,如何针对肿瘤细胞的这种干细胞特征(即可塑性)来设计治疗方案、寻找治疗药物已经成为了临床研究中的一大热点。虽然还有很多问题需要我们去解决,但这的确是一个非常有希望的发展方向。细胞从上皮细胞表型转变成间质细胞表型的过程被称作上皮-间质转换(epithelial-mesenchymaltransitions,EMT)而相反的转变过程则称为间质-上皮转换(mesenchymal-epithelialtransitions,MET),这些转变过程在胚胎发育(embryonicdevelopment)过程中都起到了关键性的作用,不过最近科研人员们又发现他们在肿瘤形成及致病过程中也起到了至关重要的作用。EMT过程是一个非常复杂的分子过程,上皮可以通过EMT过程“褪去”已分化细胞的特性,比如细胞间的粘附(cell–celladhesion)现象、细胞极性(polarity)现象、细胞缺乏运动能力等等这些表型,获得间质细胞的特征,比如细胞具备移动能力(motility)、侵袭能力(invasiveness)、抗凋亡(resistancetoapoptosis)能力等。EMT转分化过程(transdifferentiation)最开始是在细胞培养过程中被发现的,不过一直以来学界对该过程与体内生理过程之间的关系还存在争议。随着科研工作者们对人体肿瘤和实验动物模型的观察越来越深入,他们逐渐发现EMT过程不仅与正常的胚胎发育过程有关,还与肿瘤发生过程有关。因此,与对胚胎发育过程(详见背景知识框1)的作用相类似,EMT过程和MET过程似乎也都参与了肿瘤发生的过程。尤其是EMT过程对于肿瘤浸润(invasion)、转移播散(metastaticdissemination)以及对药物或治疗的抗性等性状都有关系,而与EMT过程相对的MET过程则似乎是在肿瘤细胞播散之后形成转移灶的过程当中发挥作用。胚胎发育与肿瘤形成之间有一个本质的区别,那就是肿瘤形成过程中基因异常的细胞会逐渐失去对正常生长调控信号的反应性,获得了进化的能力。这种进化现象是因为大部分赘生性细胞(neoplasticcell)所固有的遗传和表型因子不稳定性所造成的。这种不稳定性还能在肿瘤组织中形成多个细胞亚群,这也是造成肿瘤细胞具有异质性(heterogeneity)的一个原因。肿瘤细胞还可能会因为它们所处间质微环境(stromalmicroenvironment)释放的一些信号而造成细胞生物学方面的改变,比如与EMT过程和MET过程有关的一些改变。正如在图1中所示的那样,在体内多处生长的肿瘤细胞都可能会接触到能够触发EMT过程的信号。更重要的是,在多种临床肿瘤中都发现,EMT过程与患者预后不良有关,这似乎是因为EMT转换可以赋予原发瘤细胞更大的侵袭能力(aggressivetrait)。自从我们发现了EMT转换过程之后,科研工作者们就开始对该过程背后的分子机制展开了研究,也逐渐取得了一定的成果,最近有几篇非常精彩的综述对EMT研究领域进行了很好的总结,读者可以查阅这些文献获取更多有关EMT方面的信息。在简略介绍有哪些分子机制能够激活EMT过程之后,在本文中我们会将重点放到向读者介绍最近一段时间刚刚发现的,那些能够调控EMT过程后续表达过程的调控机制,还将就EMT转换和MET转换在肿瘤异质性中的作用,以及肿瘤进展和治疗抗性中的作用展开讨论。最后,我们还将对相关的医疗实践进展做一个介绍。H/E(Spl),hairyandenhancerofsplit发状分裂相关增强子WNTR,Wntreceptor:Wnt蛋白受体图1参与调控EMT过程的信号通路网络简介。图中列举了几条参与EMT过程调控的信号通路,它们的下游效应因子,以及这些信号通路及细胞因子之间的相互作用。酪氨酸激酶受体(Receptortyrosinekinases,RTK)、转化生长因子β(TGFβ)、Notch蛋白、内皮素A受体(endothelinAreceptor,ETAR)、整联蛋白(integrin)、Wnt蛋白、缺氧以及基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinase,MMP)等这些信号都能通过各种信号通路诱发EMT转换过程发生。在不同的细胞内,这些信号通路的地位(重要性)各有不同。EMT转换和MET转换都与细胞骨架和细胞外基质,以及细胞间连接方式的改变有关。能诱发EMT转换的信号可以通过蛋白磷酸化机制(比如TGFβ信号通路导致的PAR6A蛋白磷酸化)破坏紧密连接和桥粒连接。还可以通过抑制某些蛋白的表达水平(比如ZEB1抑制血小板亲和蛋白3)来诱发EMT转换。细胞外基质的重构也能触发EMT过程,因为很多诱发EMT的因子都能上调细胞外基质蛋白(比如纤维连接蛋白fibronectin和胶原蛋白collagens)、蛋白酶(比如MMP)以及其他一些重构酶(比如赖氨酸氧化酶lysyloxidase)的表达水平。缺氧、RAC1B活化以及某些激酶途径(比如Akt激酶途径)的激活也都能够促进线粒体合成活性氧簇(reactiveoxygenspecies,ROS),包括缺氧诱导因子1α(hypoxia-induciblefactor1α,HIF1α))、NF-κB、糖原合成酶激酶3β(glycogensynthasekinase-3β,GSK3β)等,使细胞获得多效性(pleiotropiceffect)。除了各种信号通路之间的相互作用之外,促进EMT过程的细胞因子(图中紫色圆圈表示转录因子)和miRNA之间也存在着非常复杂的相互调控作用。背景小知识速览上皮细胞和间质细胞之间的转换是上皮细胞获得可塑性以及肿瘤得以进展和出现肿瘤异质性的分子机制之一。多种信号都能够触发上皮-间质转换(epithelial–mesenchymaltransition,EMT)过程,比如生长因子、肿瘤细胞与间质细胞间的相互作用以及缺氧等信号。各种能触发EMT过程的信号和转录因子构成了一个非常重要的信息网络。EMT转换能够赋予肿瘤细胞干细胞样的特征,比如能够侵润周围组织,或者对某些治疗措施或药物具有抗性等。间质-上皮转换(mesenchymal–epithelialtransition,MET)过程在将转移的间质肿瘤细胞逆转成为上皮细胞表型的过程中发挥了作用。最近发现microRNA也是一种EMT过程调控因子,这可能是由于microRNA可以调控能够诱发EMT过程的转录因子所致。1.EMT过程活化的机制有多种细胞外信号能够激活EMT转换过程,胞内的EMT下游信号通路与参与该过程的转录因子共同组成了一个复杂又意义重大的信号网络,该信号网络包含有多个正反馈回路(图1)。这个复杂的相互作用网络确保了细胞在EMT转换后所获得的间质细胞表型能够稳定的表达。最近有人对乳腺上皮细胞进行了研究,结果发现持续激活的EMT转换作用可以导致细胞进行性表观改变(epigeneticalteration),最终导致细胞发生永久的可遗传改变,使得细胞外诱导信号消失之后,细胞仍然能将间质细胞表型遗传下去。因此,在某些特定情况下,EMT转换过程能够形成稳定的表型改变,并且将这种表性遗传下去,形成特定的细胞谱系。1.1参与EMT过程的信号通路EMT过程通常都是在上皮细胞中发生的,该过程可以由多种信号诱导触发,其中尤以组成正常组织或肿瘤新生物组织(neoplastictissue)的间质细胞所释放的信号作用最为突出。转化生长因子β家族(TGFβ)成员是所有能诱导胚胎发育过程里EMT转换过程的细胞因子中最重要,也是被研究得最透彻的一大类细胞因子,它们可以治疗纤维变性性疾病(fibroticdiseases)和肿瘤性疾病。最近的研究结果还表明,TGFβ在调控乳腺癌干细胞(breastcancerstemcell)表型的过程中也起到了一定的作用,同时还发现TGFβ对于维持人胚胎干细胞(humanembryonicstemcell)多向分化潜能具有关键性作用。后面这样新发现说明TGFβ信号通路可能在所有肿瘤进程中为维持肿瘤细胞的干细胞状态提供了帮助。TGFβ信号能够通过多个不同的信号机制诱发EMT转换过程,比如通过直接磷酸化SMAD转录因子配体活化受体(ligand-activatedreceptorsofSMADtranscriptionfactor)的途径,以及通过某些能够调控细胞极性和细胞间紧密连接形成过程的胞质蛋白来触发EMT转换过程。比如在乳腺上皮细胞中,TGFβ因子II型受体就能够直接磷酸化SMAD2蛋白、SMAD3蛋白和细胞极性蛋白(cellpolarityprotein)PAR6A。PAR6A蛋白硫酸化之后,细胞会丧失垂直方向的极性(apical–basalpolarity),同时,相邻上皮细胞间业已形成的紧密连接(tightjunctions)也会解体。TGFβ还能影响其它多个EMT触发信号途径的活性,比如Notch、Wnt以及整联蛋白信号通路等。Wnt信号通路能通过抑制糖原合成酶激酶3β(glycogensynthasekinase-3β,GSK3β)介导的磷酸化作用以及抑制胞质中的β连环蛋白(β-catenin)降解等作用来诱发EMT转换。胞内丰度大量增加的β连环蛋白会转移进入核内,作为转录因子亚单位诱导大量基因的表达,这些靶基因的表达产物中有很多都是能够诱导EMT转换过程的转录因子。不过,β连环蛋白自身是不能够诱发EMT过程的。比如在大部分结肠直肠癌(colorectalcarcinomas)细胞中,APC基因的失活或β连环蛋白基因的激活都会提高胞内的β连环蛋白水平。不过这些肿瘤细胞并没有表现出间质细胞的特性,这说明β连环蛋白信号通路虽然在某些细胞中能够起作用,但是还不足以激活能触发EMT过程的转录因子的表达(表1)。多项研究都发现了人乳腺癌上皮细胞钙粘蛋白(epithelialcadherin,E-cadherin)的遗传突变失活与表观失活之间的差别,不过在乳腺癌细胞中很难观察到核内β连环蛋白积聚的现象。还有研究发现,Wnt信号通路的活性在结肠直肠癌细胞中也有所升高,而这是因为几个特异性沉默Wnt蛋白的关键基因,比如SOX17、SFRPs、DKK1等都被抑制的结果。这也从另一个方面进一步表明了Wnt信号通路的重要作用。表1在肿瘤细胞中与EMT转换相关的基因以及它们和肿瘤临床特征之间的联系Notch信号通路也在参与胚胎发生和肿瘤形成的EMT转换过程的调控工作中发挥了作用。Notch信号通路非常复杂,因为该通路中包含了多个受体、配体和下游调控因子。而且令情况更为复杂的是,Notch信号通路活化之后所造成的结果还具有细胞特异性,既有可能是促进肿瘤形成,也有可能会抑制肿瘤形成。Notch信号通路也能诱发EMT过程,它主要是通过激活NF-κB信号通路或者调控TGFβ信号通路的活性来发挥作用。Hedgehog信号通路也参与了EMT过程和肿瘤转移过程。综上所述,似乎参与了干细胞功能调控和生态位与干细胞间相互作用(niche–stemcellinteraction)调控的信号通路也都在EMT触发过程中起到了一定的作用。这也同时表明,EMT过程与细胞获得并维持干细胞样特征有一定的关系。大量的酪氨酸蛋白激酶受体(receptortyrosinekinases,RTK)也在和EMT过程相关的胚胎发育过程中起到了重要的作用,比如胚胎分支形态发生过程
本文标题:EMT的研究进展和具体信息
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