细胞信号转导与肿瘤的研究

细胞信号转导与肿瘤的研究

摘要：细胞信号转导的存在及其过程是近年细胞生物学、分子生物学和医学领域的研究热点之一。细胞信号转导异常与肿瘤等多种疾病的发生、发展和预后直接相关。综述细胞信号转导和与肿瘤发生相关的几条主要信号通路，阐明它们的作用机制对于探索肿瘤发病机制并最终攻克肿瘤具有重要的意义。

关键词：细胞信号转导；肿瘤；信号通路

生物细胞每时每刻都在接受来自细胞内外的各种各样的信号,细胞信号转导(cellsignal transduction, CST)是生命活动的一种最基本最主要的方式。相同的信号作用于不同的细胞可以引发完全不同的生理反应；不同的信号作用于一种细胞可引发相同的生理反应。随着癌基因和抑癌基因的发现，细胞信号转导通路的阐明，极大地丰富了人们对细胞癌变机制的认识。通过对癌基因产物(癌蛋白,oncoprotein)功能的分析，发现许多癌蛋白位于正常细胞信号转导通路的不同部位，对促进细胞分裂增殖起着重要的作用。在肿瘤发生发展的过程中，由于正常的基因调控紊乱，可导致细胞信号传递网络的异常。与正常细胞相比，往往一些通路处于异常活跃状态，而有一些通路却传递受阻。了解CST的机制及与肿瘤相关的信号通路对于加深认识生命过程和揭示生命的本质具有重要意义。

1细胞信号转导的概念

细胞信号转导系统由能接受信号的特定受体( recep tor) 、受体后的信号转导通路以及其作用的终端所组成。细胞信号通过受体或类似于受体的物质激活细胞内的信号转导通路，触发离子通道的开放、蛋白质( p rotein) 可逆磷酸化反应以及基因( gene)表达改变等变化，进而导致一系列生物效应。不同的信号转导通路间具有相互的联系和作用，形成极其复杂的网络，主要包括物理信号、化学信号和生物信号[1]。

2细胞内信号分子

2.1 G蛋白G蛋白(Gprotein)是由一种分子量10万的可溶性膜蛋白，G蛋白分为典型G 蛋白和小分子量G蛋白。典型G蛋白是由γ、β、r三个亚单位共同构成异源性聚体，其中Gα是G蛋白的主要功能亚单位。Gα主要包括两个结构域：三磷酸乌苷( guanosine triphosphate, GTP)酶结构域和螺旋结构域。GTP酶结构域包括核苷酸结合口袋、受体、效应物以及Gβγ亚单位的结合位点。G蛋白在静息状态下处于GV - GDP /Gβγ的无活性三聚体状态。当刺激信号被GPCRs识别后，核苷酸结合口袋发生构象转变， GTP与GDP交换，G 、蛋白激活，Gα - GTP与Gαβγ分离，调节下游分子的生物活性。Gα亚单位含有的GTP酶水解GTP，Gα - GDP与Gβγ又重新结合成无活性的三聚体。小分子量G蛋白的分子量在2万左右，分子量亚基约为20～26 kDa。小分子量G蛋白由单条肽链(亚基)构成，可根据序列同源性以及生物学特性，将小分子量G蛋白分成不同的亚家族( subfamily)。小分子量G蛋白能与GDP或GTP结合，并具有GTP酶活性，但GTP酶活性比三聚体的G蛋白低。小分子量G蛋白参与了细胞的生长、分化、增殖、黏附、变形运动、细胞骨架调整、蛋白转运、膜泡运输，以及细胞的胞吞和胞吐等一系列重要的细胞生命活运过程。

2.2 联结蛋白联结蛋白( connexin, CX)在介导细胞内蛋白质与蛋白质的相互作用中起着非常重要的作用，CX本身不具有催化活性，含有一些特殊的结构，如蛋白结合结构域(p rotein binding domains, PBD) 。因此，具有使细胞内不同功能的蛋白相互结合，甚至形成多个蛋白组成的复合体的作用。

2.3 第二信使第二信使是指细胞外刺激信号，如生长因子等与受体结合后，在细胞内产生的具有生物活性的一些小分子化学物质，主要包括cAMP、环鸟苷酸( cyclic

guaninemonophosphate, cGMP) 、二酰基甘油( diacylglycetol, DAG) 、肌醇三磷酸( inosifol triphosphate, IP3)和Ca2 +等。除了激活胞浆激酶外，几个重要的第二信使，如cAMP、DAG、Ca2 +等还可以通过结合一些小G蛋白交换因子，激活IP，抑制Ras蛋白的活性，使得信号通过重要的Ras蛋白进一步传递下去。

3. 与肿瘤发生相关的几条主要信号通路

3.1 Hedgehog 信号通路：Hedgehog 信通路是近年来备受关注的一个调控胚胎发育的信号转导途径，而且与人类肿瘤的发生与发展紧密相关。Hedgehog 信号通路的异常激活可以导致多种肿瘤的形成，如基底细胞癌、胰腺癌、前列腺癌、胃肠道恶性肿瘤等[2]。Hedgehog 信号通路主要由3 部分组成：Hh信号肽(Shh 、Ihh 、Dhh)、跨膜受体( Ptch、Smo )和下游转录因子(Gli)。在正常状态下，Hh 蛋白由其经过自我裂解产生的N末端裂解物( Hh-N) 与胆固醇或脂酰基结合，附着于细胞模表面。Hh信号通路的激活是通过配体Hh 与跨膜蛋白Ptch结合，进而解除Ptch 对另一跨膜蛋白Smo 的抑制作用，Smo再通过下游转录因子Gli 来调控基因转录。环靶明(Smo 受体特异性小分子抑制剂)对Smo 高表达细胞的生长有明显抑制作用,从而说明Hedgehog 信号通路可能在部分消化道肿瘤细胞中被活化[3]。环靶明可使Hedgehog信号转导通路各成员的表达出现不同程度的降低，从而说明原发性肝癌中Hedgehog 信号转导通路是活化的，并且环靶明有阻断Hedgehog 信号转导通路的作用[4]。3.2 Wnt 信号通路：Wnt 信号通路是一条在进化上保守的信号途径，在胚胎发育和中枢神经系统的形成中起关键作用，可调控细胞的生长、迁移和分化。目前研究表明，在乳腺癌、结直肠癌、胃癌、肝癌、黑色素瘤及子宫内膜癌、卵巢癌中都存在Wnt 信号通路异常[5]。Wnt 信号通路主要分为3 种类型：(1) 经典的Wnt 信号途径:通过β2连环蛋白(β2catenin) 核易位，激活靶基因的转录活性。(2) 细胞平面极性途径:此途径涉及RhoA 蛋白和J un 激酶，主要控制胚胎的发育时间和空间。在细胞水平上,此途径通过重排细胞骨架来调控细胞极性。(3) Wnt/Ca2 + 途径：此途径可诱导细胞内Ca2 + 浓度增加并激活Ca2 +敏感的信号转导组分，如信赖钙调蛋白的蛋白激酶Ⅱ、钙调蛋白敏感的蛋白磷酸酶和活化T 细胞核因子NF2AT。在Wnt 通路中任何一步发生障碍都可致癌。一是组成Wnt 信号途径的蛋白、转录因子或基因被破坏或变异导致该途径关闭或局部途径异常活跃；二是过多的Wnt 信号使整个途径都异常活化，细胞进行不必要的增殖；三是没有Wnt信号时。细胞内其他的活动也会通过Wnt 途径来刺激或诱发细胞乃至机体不正常反应[6 ]。在胃癌组织中Wnt 通路多呈活化状态；在癌前病变组织中，虽然存在Wnt 途径的部分因子的表达，但在这些组织中却几乎没有激活的Wnt 通路[7]。在人的大肠癌中，90 %是Wnt 信号活化的，并不全是通过活化Wnt 而导致的，其中70 %～80 %的肿瘤存在有大肠腺瘤息肉蛋白(APC) 的突变，其他的10 %～20 %有β2catenin 的分解抑制的突变[8]。大肠癌中β2catenin 的表达具有极大异质性，肿瘤中心区域分化良好的实质细胞与正常的大肠上皮β2catenin 的表达基本相同，主要表达在膜上，而β2catenin 的核累积大部分出现在与间质毗邻的侵袭前沿的肿瘤细胞内[9]。

3.3 酪氨酸激酶受体通路：酪氨酸激酶(protein tyrosinekinase ,PTKs)，具有催化ATP 的γ磷酸基转移到许多重要蛋白质的酪氨酸残基上，使酚羟基磷酸化而活化的作用[10]。PTKs 在细胞增殖甚至恶性转变过程中起着重要的作用。PTKs 包括受体型PTKs ( receptor tyrosine kinase ,PTKs) 和非受体型PTKs 两大类[11]。PTKs 具有酶活性的细胞膜受体(又称催化性受体)，是细胞内段具有酪氨酸激酶活性的跨膜结构的酶蛋白受体，其胞外区与生长因子配体结合，然后激活胞内段的酶活性区启动信号转导，大多数生长因子如表皮生长因子、血小板衍生生长因子、成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子等的受体均有PTKs 活性。有一些受体本身不具有酶活性，但在其胞内段有PTKs 特异结合的位点，配体与受体结合后，须通过该位点结合胞内PTKs再磷酸化胞内靶蛋白的酪氨酸残基，启动信号转导过程，

这类受体也称为细胞因了受体超家族，包括干扰素、白细胞介素、集落刺激因子等。PTKs 激活信号控制着细胞内众多靶分子活性,包括Ras/ MAPK、STAT、JN K、PI3K,还可调整转录因子的活性。其中一条PTKs 激活的细胞内信号通路是磷酸化后的受体与下游靶点结合，激活分裂原激活蛋白激酶(mitogen activa2ted protein kinase , MAPK) 和磷酸肌醇-3-2激酶( PI3 K) /A KT 激酶通路。MAPK 是促细胞分裂的信号，而PI3 K/A KT 激酶是促细胞抗凋亡、存活的信号，因此PTKs 催化受体磷酸化的最终结果是促使细胞增殖、抑制细胞凋亡，与肿瘤的发生和发展直接相关。已有研究结果表明，肿瘤患者体内bcr2abl 、EGFR、HER 和PKC 等蛋白激酶的表达异常增高，它们都属于PTKs 范畴,特别是EGFR 在多种恶性肿瘤如神经胶质细胞癌、乳腺癌、肺癌、卵巢癌、头颈部鳞癌、宫颈癌、食道癌、前列腺癌、肝癌、结肠癌、胃癌中都有过度表达。激活EGFR 会加快肿瘤细胞繁殖,促进肿瘤血管生长，加速肿瘤转移，阻碍肿瘤凋亡[12] 。

3. 4 转化生长因子-β通路：转化生长因子2β( transforminggrowth factorβ,TGF2β) 具有调节细胞生长、分化，调控细胞凋亡，促进细胞外基质合成和血管的新生，抑制机体免疫反应等多种生物学功能，与良恶性肿瘤的发生发展有密切的关系。哺乳类动物TGF2β有3 种异构体：TGF2β1 、TGF2β2 、TGF2β3，它们分别由3 个明确的基因编码，然后以L TGF2β形式(潜在前体分子) 分泌，但需要以成熟的活性形式才能与TGF2β受体结合发挥信号转导作用[13]。TGF2β受体( TβR)有3 种形式，TβRⅠ、TβRⅡ、TβR Ⅲ型。TβR Ⅰ和TβRⅡ是跨膜丝氨酸/ 苏氨酸蛋白激酶，可通过磷酸化转录因子Smad1～9 启动胞内信号转导[14]。随着研究的深入发现，TGF2β在肿瘤的发生、发展中表现为两种不同甚至截然相反的作用：在肿瘤的早期阶段,由于其引起生长周期阻断的作用，它可作为肿瘤抑制物；在肿瘤进展的过程中，TGF2β可由肿瘤细胞和(或) 其周围的基质细胞产生，且细胞因TGF2β的抑制增殖作用消失而出现优势生长；在肿瘤生长的晚期阶段，TGF2β作为肿瘤的促进因子，通过刺激血管生成、细胞播散、免疫抑制及合成细胞外基质等提供适宜肿瘤生长、浸润及转移的微环境[15] 。多项研究显示，,乳腺癌、胃癌、结肠癌、前列腺癌、膀胱癌、子宫内膜癌及宫颈癌等均有TGF-β的高表达。许多研究发现，TβR复合物及其下游信号介导肿瘤抑制通路的构建，使两条TβRⅠ/ Ⅱ丝氨酸/ 苏氨酸激酶链失活[13] 。对于晚期肿瘤，TGF-β促进肿瘤生长和侵袭，Grady 等研发现，在于20 %～25 %的colon 肿瘤中，存在TβR Ⅱ的失活突变，TβRⅠ突变也在乳腺、卵巢、胰腺等肿瘤中被发现[16]。

3.5 核因子-κB 信号通路：核因子-κ B ( nuclear factor-κ B ,NF-κB) 信号转导通路属于受调蛋白水解酶依赖的受体信号转导通路，与肿瘤细胞的发生、增殖、分化、凋亡、侵袭和转移有密切关系[17] 。NF-κB 是一种基因多显性转录因子，与多种基因的转录有关，其中也包括参与肿瘤发生发展的基因及因子。在多种肿瘤中存在NF-κB 的活化表达，NF-κB p65 是NF-κB 的活化组分。结构性活化的NF-κB 与肿瘤形成的几个方面有关，包括上调促细胞存活基因表达促进肿瘤细胞增殖分化、抑制促凋亡因子抑制肿瘤细胞凋亡、促进恶性转化、浸润转移和肿瘤血管形成等。NF-κB 的异常活化导致细胞周期调节失控，表现为细胞无限增殖和自主分裂，肿瘤形成。Hinz等[18]研究发现NF-κB 可以促进细胞周期因子D1(CyclinD1) 等基因的表达及G1 / S 期转换功能，从而加速细胞周期进行，并抑制细胞分化。在多种上皮起源的肿瘤中存的NF-κB表达的上调[19]，提示其高表达或过度激活在肿瘤的发生、发展中起重要作用[20,21]。Dejardin 等[24]报道NF-κ B 因子的持续活化可作为乳腺癌、卵巢肿瘤、结肠癌、胰腺癌、甲状腺癌、胆道肿瘤和前列腺肿瘤等实体肿瘤的标志。

3.6 整合素转导通路：整合素(integrin) 分布广泛，属于细胞黏附分子家族。研究发现整合素可以调节细胞—细胞、细胞—细胞外基质(ext racellular mat rix , ECM) 间的黏附。整合素所介导的肿瘤细胞与ECM 间的相互作用影响肿瘤的发生、增殖、侵袭和转移到其他组织的能力[23]。整合素以两种构型存在：潜伏型(低亲合力状态) 和激活型(高亲合力

状态) 。整合素通过胞外域与ECM，胞内段与细胞骨架、信号转导分子和其他一些蛋白相结合,介导细胞内外之间双向信号传递。一方面,细胞内信号通过整合素传导，使其活化，从而调节整合素与细胞外配体的亲和力，这是由内向外的信号传导过程(inside2out singaling)；另一方面，整合素与配体结合后把胞外信号传入细胞内，导致细胞骨架重组、基因表达和细胞分化等，这是由外向内的信号传导过程(out side-in signaling) [24 ] 。整合素表达于血管内皮细胞的有腔面和无腔面，介导内皮细胞的迁移和毛细血管管腔的形成。已发现表达于内皮细胞的整合素有8 种，包括α1β1、α2β1、α3β1、α5β1、α6β1、α6β4、αvβ3和αvβ5。肿瘤血管内皮细胞表面特异性地高表达整合素α5β3 分子，其被认为是诱导肿瘤血管形成的重要的细胞黏附分子，是判断肿瘤恶性程度及预后的可靠指示[25 ] 。肿瘤的侵袭转移中，肿瘤细胞与肿瘤细胞、血管内皮细胞及ECM之间的黏附与解离在转移扩散中起决定作用，而整合素可以使肿瘤细胞同质性黏附下降,同时也可以使肿瘤细胞异质性黏附增加[26] 。

4 信号通路之间的相互作用

细胞内众多的信息转导途径并非毫无联系，而是交联对话(cross talk)，是错综复杂的网络，共同协调机体的生命活动。信息转导途径的交联对话表现为：(1)一条信号途径的成员，可参与激活另一条信号途径；(2)两种不同的信号途径可共同作用于同一种效应蛋白，或同一基因而协同发挥作用；(3)一种信号分子可作用几条信息转导途径。

随着对肿瘤细胞信号转导通路研究的不断深入，人们对肿瘤细胞的信号转导机制及其对肿瘤生长、凋亡、转移等的影响也越来越了解。但是对于细胞内外信号转导的具体过程以及众多相关蛋白功能的认识还不够充分。因此，仍然需要深入研究它们的结构功能、表达调控及其在生理和病理环境下调控的分子机制，这样不仅可以为阐明肿瘤细胞的生存、增殖、黏附、分化、凋亡机制奠定基础，也将为更好地从分子水平上研究抗肿瘤药物提供保障。

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