[科研]国自然划重点:红透半边天的EMT机制研究及相关通路

2017-11-02 15:53:00
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摘要

来源:解螺旋公众号


在历年的国自然资助中,肿瘤研究一直是大佬;而在肿瘤研究中,肿瘤转移的研究就是大佬中的大佬。当然,即便光是肿瘤转移的过程,也是一个涉及了多种机制的复杂过程。所以,我们只能划重点的讲。


在肿瘤转移过程中,原发肿瘤的局部侵袭仅仅影响到周围的组织,尤其是基质细胞,脱落的肿瘤细胞通过內渗的方式进入循环系统,进入循环系统的肿瘤细胞要在流动的环境下生存。循环系统内的肿瘤细胞又会通过外渗的方式迁移出循环系统,进入远处转移的组织内,形成微小的转移克隆,再通过增殖形成可见的转移灶。


这里面研究的最多的机制就是上皮间质转化(EMT),检索下2017年EMT的资助情况,医学部资助了近40个相关面上项目。而医学七处,也就是肿瘤领域的资助有22项,占了50%以上。比如:


  • HOP/HSP90 复合物介导转录因子Snail核转位促进胃癌EMT的分子机制

  • AIBP通过HIF1-a介导的EMT抑制肝细胞癌侵袭转移的研究

  • ING4/miR-940/Snail1途径调控结直肠癌EMT和转移的作用及机制

  • MTDH通过Wnt/β-catenin和Wnt/PCP通路协同介导舌癌细胞EMT促进侵袭转移的分子机制研究

……

关于EMT



EMT最早是在胚胎发育中发现的一个现象,在成体的表皮细胞受到损伤之后,也会出现相应的EMT现象。但在肿瘤细胞的发生发展过程中,也会通过EMT,使肿瘤细胞丢失了部分上皮细胞的特性,来获得一些间质细胞的特性,也让肿瘤细胞获得了更强的侵袭和脱离能力。

在不同组织中、在肿瘤细胞不同的恶性条件下、不同的细胞内外通路中,EMT的作用机制都是有差别的。在EMT的发生过程中,上皮细胞极性丧失,与周围细胞和基质细胞的接触减少,细胞间的相互作用减少,细胞迁移和运动能力增强。


同时细胞表型发生改变,丧失上皮表型,如角蛋白丝、E-cadherin,E-cadherin水平下降可以导致细胞的粘附力降低,使细胞获得易于侵袭和转移的特性,E-cadherin表达的丢失已经被认为是EMT最显著的特征。同时细胞获得间质表型,如Vimentin,N-cadherin等表达升高。


总结下就是,EMT的过程是由一系列的相关转录因子进行调控:


表达减少:E-cadherin,Cytokeratin,ZO-1;

表达增多:N-cadherin,Vinmentin,Snail1,Snail2,Twist,MMP-2,MMP-3,MMP-9,Zeb1;

活性增加:ILK,Rho。


其中研究最多的是Snail和Twist,早在2015年的一篇Nature论文中,通过基因敲除胰腺癌小鼠模型中的Twist和Snail之后,发现对于肿瘤细胞的转移几乎没有影响。但到了2017年,又有研究发现,敲除了Zeb1后显著的影响了癌细胞的侵袭和转移。这两项相反的研究成果也在一定程度上证实了EMT的作用机制很可能与肿瘤类型相关。


其他EMT转录因子,例如Zeb2等虽然也有一些研究报道,但在肿瘤转移中的作用仍然不够明确,如果想深入研究肿瘤转移的机制,可以考虑上述非常见的EMT转录因子。


参与EMT的常见信号通路



由于EMT涉及的信号通路众多,只能介绍几种影响最大的通路:TGF-β信号通路、Wnt信号通路、Notch信号通路,都是些老朋友了。


TGF-β信号通路


TGF-β被认为是在发育过程、癌症以及其他病理状态下诱导EMT最重要的因子。在一些体外培养的上皮细胞系中,单纯的TGF-β刺激就可以诱发EMT。在TGF-β信号介导EMT可以通过经典的Smad通路实现,也可以通过非Smad通路发生。


在经典的smad通路中,TGF-β信号将通过一个四聚体复合物I型和II型受体(TbRI和TbRII)激活Smad2和Smad3,并与Smad4结合。而Smad复合物将转移到细胞核内与转录因子一起介导靶基因的抑制或激活。同时,Smad复合物也可以在细胞核诱导miRNA的表达,从而抑制上皮细胞的标志性蛋白表达,促进间充质细胞特性的蛋白表达,从而促进EMT。


在TGF-β信号介导的非Smad信号通路中,它可以激活PI3K-AKT-mTOR信号进行转录调控,而活化的AKT也可以通过抑制核糖核蛋白E1(hnrnpe1)进行转录调控从而达到触发EMT的效果。


另一方面,TGF-β将通过调控细胞骨架的变化,调节Rho GTPase使其泛素化和降解,从而降低细胞间的紧密连接。TGF-β同时也可以调控RhoA的活性,促进Rho相关激酶(ROCK)和磷酸化肌球蛋白轻链(MLC)对LIM激酶(LIMK)激活从而抑制cofilin。


Rac和Cdc42也参与了TGF-b信号介导的非Smad信号通路,TGF-β刺激导致的细胞骨架的变化通过p21活化激酶1(PAK1)和直接的片状伪足和丝状伪足的形成。这些都是已报道过的TGF-β介导的非Smad信号通路。TGF-β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。


国自然相关资助:


• 人附睾蛋白4(HE4)调控TGF-β表达介导上皮间质转化(EMT)促进肺癌转移的分子机制及临床意义

• 长链非编码RNA LINC01198在TGF-β 诱导的食管癌细胞上皮间质转化中的作用及分子调控机制

• TGFβ信号-OVOL2双负反馈环在乳腺癌上皮-间质转化(EMT)中的作用机制


Wnt信号通路


Wnt信号通路不仅在胚胎发育中发挥了一定的作用,而且与许多人类肿瘤的发生发展也有密切联系。例如在乳腺癌、大肠癌、肺癌、前列腺癌、黑色素瘤中均发现Wnt的过量表达。


当Wnt与其受体卷曲蛋白(Frz)结合后,Frz作用于胞质内蓬乱蛋白(Dsh),该蛋白能够抑制GSK-3β的活性,阻断β-catenin的降解途径,使β-catenin在细胞质中蓄积,并进入细胞核,与T细胞因子(TCF/LEF)相互作用,激活下游靶基因(如 c-myc,cyclinD1,WISP等)的转录。


其中,c-myc能够诱导哺乳动物上皮细胞形态变化,增强细胞的非锚定依赖生长能力;而WISP与结肠癌的发生具有一定的联系。因此,这些基因的活化能够促进EMT的发生,启动肿瘤生长和转移程序。


Wnt与其他信号通路相互整合,促进EMT的发生发展过程。RTK/Ras/MAPK通路中的MAPK 和PI3K/ILK/PKB通路中的PKB均具有抑制GSK-3β活性的功能,GSK-3β的活性受到抑制时,其对转录因子Snail的磷酸化作用减弱,导致Snail的降解途径被阻断,在细胞核内的蓄积增加。因此这两条通路能够与Wnt信号通路共同作用于GSK-3β,上调Snail的水平,进而降低E-cadherin的表达,促进EMT的发生和肿瘤转移。


国自然相关资助:


• Trop2激活β-catenin通过Wnt信号通路促进胃癌EMT和侵袭转移


Notch信号通路


Notch信号通路在肿瘤发展中发挥了重要的作用。Notch信号通路主要由Notch、Notch配体和CSL等组成。Notch配体Jagged1活化后,与相邻细胞的Notch结合,Notch被蛋白酶体切割,释放出具有核定位信号的胞质区ICN,ICN进入细胞核与CLS结合,调控基因表达。



人类许多肿瘤,如宫颈癌、头颈肿瘤、子宫内膜癌、肾癌、乳腺癌、黑色素瘤等,均发现Norch受体的异常表达。在大多数肿瘤细胞中,Norch具有促进肿瘤发展的作用。不过单独的Norch通路不足以作为有效的癌基因,因此,Norch通路更像是个辅助,必须同其他致癌通路协同作用才能导致细胞转化,诱导EMT过程。


国自然相关资助:


• 在肺纤维化中虎杖通过靶向结合ELA2削弱Notch剪切抑制Notch信号通路介导肺泡上皮细胞EMT的分子机制研究

• miR-224靶向Notch-1/Jagged-1途径介导胰腺粘液性囊腺癌细胞EMT的作用机制研究

• Notch3通过上调GSK3β介导Snail降解抑制乳腺癌EMT分子机制及其增强化疗敏感性的研究


EMT研究方向指南



上面介绍的都是经过科研人员的大量努力,给大家呈现的EMT背后的一些分子机制,也证明了它们对于临床肿瘤患者的重要意义,但是要根据EMT机制开发出相应有效的抗癌疗法,还有很多问题需要科研工作者解决。在今后申请国自然的时候也可以针对以下未解决的问题进行实验设计。


1、由于EMT机制极其复杂,在不同的肿瘤中,没有一种靠谱的方法可以预测到底是那种关键转录因子在发挥作用。是否能够在今后的研究中找到一种靠谱的研究方式,这对于EMT的研究将有重大的推动作用;


2、细胞内和细胞外的多种不同信号通路是如何协同作用在肿瘤细胞上的,并且激活了肿瘤细胞发生了EMT现象;


3、虽然已经知道EMT对肿瘤细胞的转移是非常重要的,但肿瘤转移是一个多步骤的阶段,那在不同阶段EMT所起的作用是一样的吗?如果不一样,那EMT在不同的肿瘤、转移的不同阶段中,作用有哪些不同,也不清楚;


4、不同组织来源的正常细胞的分化能力对于肿瘤细胞内EMT的激活,以及EMT过程中不同转录因子的表达是否有重大的影响;


5、EMT过程中包含很多转录因子,这些转录因子在不同的肿瘤类型中是如何相互协作,介导肿瘤细胞发生EMT现象的;


6、原发灶的肿瘤细胞内发生的T细胞突变是否可以影响EMT的发生和表达;


7、细胞内和细胞外的信号通路如何调控肿瘤细胞内已经发生的EMT现象。