上皮细胞间质化与间质细胞上皮化相互转化机制

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  上皮细胞间质化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是上皮细胞通过特定程序从黏附细胞形态向具有间质表型游离细胞形态转化,并获得侵入细胞外基质能力的一系列转化过程。这种后天获得运动能力的细胞在移行过程中可再次向上皮细胞或其他细胞类型转变,即间质细胞上皮化(mes-enchymal-epithelial transition,MET)。EMT与MET的相互转化与肿瘤的发生、发展、转移关系密切[1-2].目前,EMT与肿瘤关系及其临床应用已成为研究热点。

  1 EMT在生理过程中的作用

  1.1上皮细胞和间质细胞的特点

  根据上皮细胞和间质细胞在形态和功能上的不同,参与EMT过程的这两种类型细胞有以下特点:(1)上皮细胞由单层/多层立方细胞或柱状细胞有规律的排列,它们由细胞间黏附复合体紧密黏附在一起,其基底膜具有使上皮细胞与其他组织分离的特性,显示出顶端-基底极性。(2)间质细胞由于缺乏细胞间连接和极化作用,以个体细胞的形式存在于基质中[3].

  1.2 EMT的功能分型EMT过程根据不同的功能影响分为3种类型

  Ⅰ型EMT与胚胎形成、器官发育相关,包括在胚胎发育时期原始的上皮细胞向移行的间充质细胞转变的过程。

  着床后第1次EMT发生在胚层分化清楚后的原肠胚,初级EMT分化产生不同的细胞类型,中胚层细胞沿着胚胎中轴线压缩形成不同的细胞。除脊索以外,所有来源于早期中胚层的胚胎结构都将通过连续的EMT和MET改变最后形成不同的器官和组织[1,4].Ⅱ型EMT与创伤修复,组织再生和器官纤维化有关[5-6].
  
  在创伤和炎症损伤刺激下,组织中成熟上皮或内皮细胞转化形成成纤维细胞及其他相关细胞,导致组织重构,这种EMT过程在刺激消失后终止[2,7].Ⅲ型EMT与肿瘤形成及转移相关,发生转化的上皮癌细胞在基因(特别是与克隆产物相关的基因)和表观遗传学方面与正常上皮细胞不同,在局部肿瘤的发展过程中起重要作用:癌细胞向间质细胞表现转化而具有侵袭性并向肿瘤发展[5].成人生理的EMT是一个形态学过程,特征是从上皮表型到间质特性的转变,细胞凋亡和替换比率与组织功能保持着平衡,从而维持内环境的稳态。上皮细胞保持着动态结构,在组织生长和分化过程中,有大量的分子机制保证其最后的完整性,伴随着E-钙黏蛋白(E-cadherin)等上皮标志物及波形蛋白(vimentin)等间质性标志物的不同表达[8].

  2 EMT发生的主要信号调控途径

  在细胞水平,参与EMT生理和病理调节的效应分子及信号转导通路相类似,在上皮细胞向间质细胞重建的复杂过程中,有许多诱导信号和转录因子及多个正反馈环路发生,刺激因素包括生长因子信号,肿瘤间质细胞相互作用和缺氧等,主要信号途径有转化生长因子-β(TGF-β)信号通路、Wnt信号通路和PI3K/AKT信号通路等[9].

  EMT一般通过不同的信号诱导上皮细胞转化,这些信号通常由正常组织和肿瘤组织的间质细胞释放。

  EMT可以被细胞外基质成分和生长因子诱导,TGF-β是比较重要的因子,调控着下游多个信号通路,通过β-整合素信号传导途径促进smad依赖的转录过程而发挥作用。TGF-β可通过自分泌而作用于肿瘤细胞本身,也可通过旁分泌而调节细胞外基质,导致肿瘤细胞通过EMT而发生形态学改变,使侵袭和转移能力增强。

  Wnt信号途径由Wnt蛋白、卷曲蛋白(frizzled,Fz)、APC蛋白、糖原合成酶激酶GSK3、Axin蛋白、β-连接素(catenin)、T细胞转录因子/淋巴增强因子 (T cell transcription fac-tor/lymphoid enhancer factor,TCF/LEF)家族组成,可激活下游靶基因,诱导EMT发生。

  PI3K/AKT通路可下调E-cadherin和β-catenin,上调波形蛋白,发生EMT.

  Hedgehog,Notch等信号转导途径及整合素信号途径也可协调EMT程序[10].分散因子/肝细胞生长因子 (SF/HGF),成纤维细胞生长因子(FGF),表皮生长因子家族(EGFs)和胰岛素样生长因子1和2(IGF-1、2)等均可通过相应信号途径促进EMT的发生[11].

  3 EMT发生的机制及其相关标记物

  癌细胞侵袭性是通过入侵和破坏基底膜而获得,并最终导致癌细胞转移传播。

  EMT过程的活化是上皮癌细胞获得恶化表型的关键机制。发生在上皮癌细胞的EMT属Ⅲ型EMT,它们从遗传学和表观遗传学上与正常上皮细胞不同。在肿瘤微环境中癌细胞间能够相互作用,通过自分泌和/或旁分泌生长因子、细胞因子和细胞外基质蛋白等而诱导EMT.在EMT表达下调的有E-cadherin、紧密连接蛋白-1(zonula occludens-1,ZO-1)细胞角蛋白、Ⅳ型胶原蛋白、层板蛋白1(laminin 1)等,上调的有N-钙黏蛋白、成纤维细胞特异性蛋白1(fibroblastspecific protein1,FSP-1)、α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscleactin,α-SMA)、细胞间丝波形蛋白、β-catenin等。这些癌细胞具有特定的基因突变以启动和维持EMT程序[12].

  癌细胞中激活的EMT程序中有许多功能步骤,与发育和生理过程中的EMT过程相同。在上皮癌中EMT导致细胞膜钙黏蛋白从E-cadherin到N-钙黏蛋白转换,E-cadherin表达的下调或者缺失是EMT典型特征,导致上皮肿瘤细胞侵袭和转移[5].EMT与其转录 因 子特别是Snail,Slug,zinc finger E-box binding homeobox 1and 2(ZEB1and 2),Twist,Goosec-oind and FOX2等表达水平和功能相关,Smad与DNA结合后可诱导对TGF-β信号的转录应答,与β-catenin/LEF-1信号通路共同维持上皮间质转化后间叶表型。

  Wnt信号异常激活后使游离的β-catenin累积,并形成β-catenin/LEF-1复合物,该复合物进入细胞核后调控靶基因转录,诱导EMT发生。Snail,Slug和Twist与E-cadherin的启动子E-box结合,抑制E-cad-herin表达,引起EMT发生[5-6].这些标记物在细胞发生EMT转变时出现,但其水平并不与参与EMT过程的上皮细胞的阶段相一致。

  用生长因子如TGF-β,HGF,表皮生长因子受体(EGFR)和IGF等可诱 导体 外乳腺癌细胞株发生EMT.这些细胞Twist和Snail的异位表达使间质细胞表型和干细胞标记物增加而诱导EMT,使乳腺癌干细胞获得侵袭和转移能力。

  Weng等[13]证明在乳腺癌小鼠癌症转移与EMT相关,发生EMT的乳腺细胞经FSP1/S100A4启动子激活获得转移能力,并在体内可被检测出。在基质特异和上皮特异的转基因小鼠体内肿瘤发展过程中可直接显示EMT.用3只不同癌基因控制的小鼠乳腺癌模型和细胞原基分布图方法,可证明体内乳腺癌中EMT存在及myc在这一过程中的作用。在视网膜母细胞瘤、骨肉瘤、小细胞肺癌、结肠癌、前列腺癌、膀胱癌和乳房癌中成视网膜细胞瘤肿瘤抑制蛋白(Rb)缺失或低水平表达,这在乳腺癌中更常见,诱导EMT部分依赖E-cadherin的减少,使乳腺癌转移增强。相应的,增加Rb可抑制EMT[14].在肿瘤-基质分界面和侵袭性乳腺癌中也有Snail1的表达。而Snail2的表达与肿瘤渗出、转移和复发有关。对乳腺癌模型的研究表明EMT不 是 单 一 的肿瘤类型,而是源于多种机制的多种表型[15].

  研究表明EMT途径的活化与组织学分级有关,相对于低级别肿瘤,参与EMT的基因上调与低分化癌相关,Twist的高表达与高级别侵袭性肿瘤相关。相对于其他类型的侵袭性乳腺癌,基底样肿瘤其间质细胞标记物(波形蛋白,N-钙黏蛋白,钙黏蛋白-11)高表达,E-cadherin低表达的更易远端转移,预后差[16].临床上可通过找到EMT特定的基因特征鉴定EMT,帮助诊断并预测肿瘤患者的预后。

  4 miRNA对EMT的调控及临床意义
  
  miRNA参与肿瘤细胞表型转化的发生与调节,其异常表达与EMT相关:微阵列分析表明EMT过程中的细胞miR-200家族和miR-205表达下调,调节特定抑制蛋白ZEB1和ZEB2,从而抑制E-cadherin表达,引起EMT发生[17].ZEB和miR-200家族成员不仅有相反的功能,而且相互调节对方的表达,形成了一组因素的激活强烈影响另一组的表达的双负反馈环路,促进miR-200家族和ZEB分别维持EMT和MET转化[18].在EMT与MET转化过程中,CDH1是至关重要的基因,miRNA可直接靶向CDH1,也可直接调控相关转录因子而间接作用于CDH1,从而决定EMT/MET转换。

  miR-9、miR-23a和miR-25均可直接靶向CDH1而引起EMT的发生,分别促进乳腺癌、肺癌和食管鳞状细胞癌的转移[19].

  miR-138可靶向波形蛋白和ZEB2等基因,降低Snail和HDAC1/2的表达,进而间接抑制CDH1的表达,诱发鼻咽癌EMT[20].

  TGF-β、Twistl、E47、Snail1和Snail2等可与CDH1的启动子E-box结合而抑制其表达,促进肿瘤的转移[21].

  Ma等[22]发现与人乳腺上皮细胞或自然永生细胞MCF-10A相比,转移乳腺癌细胞株中miR-10b上调,在乳腺癌移植瘤模型中其高表达可诱导侵袭和转移。在恶性乳腺癌和乳腺癌细胞株中miR-21,miR-9和miR-155呈现高表达[23].与乳腺导管癌相比,基底部和化生的乳腺癌中miR-200水平下调,使其具有高侵袭性。原发癌和相应的转移癌相比较,在原发癌中miR-10b,miR-21和miR-155水平较低而miR-200水平较高,提示可通过操纵这 些EMT相关miRNA来控制转移过程[24].

  miR-200家族可成为肿瘤治疗的潜在靶点。在人乳腺癌中,miR-103/107在体外可增加癌细胞迁移能力,在体内可参与转移传播,高水平的miR-103/107与转移和不良预后有关,miR-103/107还可通过下调miR-200水平诱导EMT[25].因此,临床上可以通过了解癌细胞EMT状态和miRNA的表达情况来预测其侵袭和转移能力,判断患者的预后。针对参与EMT过程中的蛋白和miRNA这些潜在靶点,可开发特异性治疗方案,从而防止肿瘤侵袭、转移、复发和耐药。

  5结语与展望

  EMT改变在生理和病理方面扮演了重要角色,尤其在肿瘤迁移和侵袭过程,EMT是肿瘤转化瀑布中重要的一步。EMT和MET转换在肿瘤细胞可塑性调控机制中起到了非常关键的作用,对于肿瘤转移复发和肿瘤细胞的治疗耐受现象也有重要作用。随着研究的深入EMT的调控机制已经取得了一些进展,但其确切的调控机制还有待进一步研究证实。

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