STAT3在腫瘤侵襲轉移中的作用

弓磊 綜述 吳志浩 周清華 審校

作者單位：300052 天津，天津醫科大學總醫院，天津市肺癌研究所，天津市肺癌轉移與腫瘤微環境重點實驗室（通訊作者：吳志浩，E-mail: zwu2ster@gmail.com；周清華，E-mail: zhouqh1016@yahoo.com.cn）

腫瘤轉移是指惡性腫瘤細胞脫離原發腫瘤，通過各種轉移方式，到達繼發組織或器官得以繼續增殖生長，形成與原發腫瘤相同性質的繼發腫瘤的全過程。腫瘤的轉移對腫瘤的發病率和死亡率起著很重要的作用[1]。雖然近些年來在癌癥治療方面有長足的進步，但是腫瘤轉移仍然是臨床工作中的一個巨大的難題。由于我們并不了解腫瘤細胞是如何從原位癌中散播開的，所以對于轉移瘤的治療目前尚存在很大的困難[2]。通常在轉移瘤被確診前腫瘤細胞已經從原位擴散到區域淋巴結，同時也有可能轉移至遠處器官[3]。雖然腫瘤轉移每步過程的具體分子生物學機制尚未闡明，但其大體機制已經被初步認識[4]。第一步是腫瘤細胞獲得侵襲的表型從而可以從原位癌中逃逸。腫瘤細胞還需要突破間質組織的邊界，而這一過程又需要腫瘤細胞間黏附性降低以及細胞外基質的水解。之后還需介導新生血管生成并穿透血管內皮進入血液循環，一旦腫瘤細胞進入血液循環中，它必須要適應各種新的環境，如物理損傷，免疫監督以及因缺乏基質而產生的凋亡。最后又要穿過血管內皮而到達遠端器官，適應不同的微環境從而最終形成轉移灶[5]。其具體分子生物學基礎包括相關基因的調控，黏附因子的改變，血管生成，基質金屬蛋白酶與組織抑制劑和機體免疫狀態的改變。

信號轉導和轉錄激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3, STAT3）是轉錄因子家族中的一員[6]。STATs家族由7個成員組成[7]：STAT1-STAT4、STAT5a、STAT5b及STAT6L[8]。研究表明，STATs家族在調節細胞增殖、存活、凋亡、分化及轉移等方面都有很重要的作用，如STAT1可以通過抑制血管生成來產生抗腫瘤生成以及腫瘤轉移的作用；STAT4、STAT6在腫瘤免疫逃逸方面有重要作用；STAT3持續活化又與多種腫瘤有關，如：卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌、肺癌等等。近些年，其在轉移中發揮的作用也漸漸得到重視。

1 STAT3的結構及其活化

STAT3在1994年作為一種DNA的結合因子而被發現，它可以結合在經過白介素-6（interleukin-6, IL-6）處理的肝細胞上與IL-6反應有關的急性期基因啟動子上[9]。STAT3同時也被確定是一種結合在表皮生長因子啟動子上的轉錄因子[10]。編碼STAT3的基因定位于染色體17q21上，其DNA全長4 815 bp，含24個外顯子。STAT3蛋白由750個-795個氨基酸組成，分子量約為89 kDa-92 kDa。其結構可分為6個功能區：N端的氨基酸保守序列、螺旋區、DNA結合域、連接區、SH2 結構域和C端的轉錄活化區[6]。在C端存在705酪氨酸位點和727絲氨酸位點，它們磷酸化后可以處于激活狀態。而STAT3又可以被很多細胞因子、生長因子、甚至是癌基因所激活，其中包括表皮生長因子[11]、血小板源性生長因子[12]、IL-6[9]、Src[13]和Ras[14]；此外，很多致癌物都可以引起STAT3信號通路的激活[15]。在酪氨酸705位點的磷酸化主要是受到受體型及非受體型蛋白酪氨酸激酶的調控，如表皮生長因子受體[16]、Src、Janus激酶（Janus kinase, JAK）[17]、細胞外信號調節蛋白激酶（extracellular signal-regulated kinase,ERK）[18]。STAT3單體在胞漿中磷酸化后，磷酸化的STAT3單體二聚化形成二聚體，變成有活性的STAT3。活化的STAT3進入核內，與其他的核蛋白結合直接調節基因的表達，最終影響腫瘤細胞的多種生物學功能[19]。

2 STAT3下游信號與腫瘤生物學

STAT3活化后可以激活很多其下游的基因表達。這些基因的表達對多種腫瘤的發病機制都有影響[20]。STAT3對腫瘤生物學的作用決定于STAT3的靶基因，它們都會在不同程度上調節腫瘤細胞的存活、生長、血管生成、侵襲以及免疫監督的逃逸[21]。STAT3的活化對于腫瘤細胞免于凋亡和促進增殖有重要的作用，它是通過調節抗凋亡以及促增殖的基因表達蛋白來實現的。這些基因包括Bcl-xL、Mcl-1、Bcl-2、Fas、cyclin D1、survivin和c-Myc[22,23]。研究[24]表明，STAT3還可以通過結合p53啟動子來抑制其轉錄從而影響p53介導的腫瘤細胞凋亡。此外還證實STAT3的激活還對核因子-κB（nuclear factor-kappaB,NF-κB）有調控作用[25]。

3 STAT3調控轉移的相關機制

3.1 STAT3與基質金屬蛋白酶 細胞外基質及基底膜的降解和破壞是腫瘤轉移多階段過程中的重要步驟之一，細胞外基質和基底膜主要組織結構可分為膠原、層粘素和纖維結合素等，這些組織結構的破壞和降解需要相應的溶解酶參加。因此基質金屬蛋白酶在腫瘤侵襲和轉移過程中擔任了重要角色。STAT3激活后可以調控黑色素瘤細胞基質金屬蛋白酶-2（matrix metalloproteinases-2,MMP-2）的基因轉錄活性[26,27]，其中MMP-2對基底膜有降解作用[28]，這對許多惡性腫瘤的轉移與侵襲都有著重要的作用。實際上，STAT3可以直接結合至MMP-2的啟動子上，從而上調MMP-2轉錄的活性和蛋白水平[27,29,30]。如果在-617至-610位點上誘變高親和性的STAT3位點，可以顯著的降低STAT3誘導的MMP-2啟動子的活性。經對比顯示，STAT3活性缺失可以顯著抑制MMP-2的表達、腫瘤侵襲、腦部和肺部的轉移[26,27]。最近研究[31]表明，在U87 MG人膠質瘤中，IL-6可以促進其侵襲性，高水平的STAT3可以增加MMP-2的表達與分泌。在膀胱癌中，可以通過調節基質金屬蛋白酶-1（matrix metalloproteinases-1, MMP-1）和基質金屬蛋白酶-10（matrix metalloproteinases-10, MMP-10）來發揮作用[32]。在乳腺癌中，通過基質金屬蛋白酶-9（matrix metalloproteinases-9,MMP-9）發揮調節作用[33]。還有研究[34]表明，在人肺腺癌A549細胞系中，IL-6可以通過JAK/STAT3信號通路來增加MMP-10在細胞中的表達。

3.2 STAT3與上皮間質化 上皮間質化（epithelial to mesenchymal transition, EMT）是上皮細胞獲得間質細胞特性的一種基本生物學過程[35]。EMT在腫瘤轉移初始階段有著重要的作用。最近的研究[36]表明，在MCF-7乳腺腺癌細胞系中，IL-6的異常表達和STAT3的激活可以使Twist持續表達，而Twist又與EMT有很密切的關系，從而激活乳腺癌細胞潛在的轉移能力。STAT3可以在轉錄水平上調控Twist的活性。Twist是EMT主要調控位點之一。STAT3可以結合至Twist啟動子近端第二個STAT3結合位點上，來調控它的轉錄活性。在晚期腫瘤中，p-STAT3（tyr705）與Twist水平有關[37]。另一項研究[38]表明，在胰腺癌細胞中，TGF-β誘導的腫瘤侵襲與STAT3的轉錄活性有關，且STAT3的活性受到Smad4的調控。Smad4可以引起STAT3的異常激活，從而導致轉化生長因子-β（transforming growth factorbeta, TGF-β）在胰腺癌中產生促進腫瘤的作用。EGFR通路也可以通過STAT3介導Twist基因表達來誘導EMT的發生，這也為我們針對表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor, EGFR）以及STAT3靶向治療提供了新的思路[39]。

3.3 STAT3與腫瘤血管生成 血管生成不僅對腫瘤原位生長有作用，而且對轉移灶的生長也是有很重要的作用[40]。活化的STAT3可以調控腫瘤細胞內多因子和腫瘤內皮細胞中一些與血管生成有關的信號通路。在小鼠黑色素瘤中，發現血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）是STAT3的直接靶點，這也第一次證實STAT3在血管生成中的作用[41]。在胰腺癌動物模型中，通過顯性缺失的STAT3來封閉STAT3的激活可以抑制血管內皮生長因子的表達，血管生成以及胰腺癌的肝轉移[42]。STAT3還可以間接通過缺氧誘導性因子1α（hypoxia induc-ible factor-1α, HIF-1α）調控VEGF的轉錄[43]。還有報道[26]稱STAT3可以調控其他血管生成因子，例如堿性成纖維細胞生長因子（basic growth fibroblast factor, bFGF），它可以在血管生成中參與腫瘤細胞的遷移、增殖以及內皮細胞的分化。在人黑色素瘤中調節STAT3活性可以在體內和體外明顯的影響bFGF、VEGF、MMP-2這些血管因子的表達，從而影響黑色素瘤細胞的血管生成以及腦轉移[26]。此外，STAT3還可以通過bFGF以及VEGF等在其受體發生的募集反應得到激活，將信號傳導到內皮細胞，可見STAT3對內皮細胞的增殖、遷移和微血管形成有很重要的作用[44,45]。IL-6可以通過活化STAT3促進血管內皮細胞遷移，從而使促進腫瘤血管生成及侵襲[46]。總之，許多促進血管生成的因子被證實是STAT3的靶基因，包括那些編碼HIF-1、bFGFR、HGF、MMP-2以及MMP-9的基因[47]。

3.4 STAT3與腫瘤免疫逃逸 腫瘤細胞的增殖、存活、腫瘤血管生成和轉移被視為評價腫瘤的幾個的重要標志[48]。但是有證據顯示免疫系統可以對腫瘤形成外部抑制[49]。侵襲與轉移的發生需要抑制免疫監視系統。因此，很多研究表明，在罹患腫瘤的患者中免疫功能已經受損，這種情況又與腫瘤微環境有關[50]。

研究[51]表明STAT3可以對腫瘤細胞與宿主免疫系統產生互相影響。T細胞的穩定對正常免疫反應是很重要的，STAT3便是其中一條激活T細胞的信號通路。在一項關于B16小鼠黑色素瘤的基因治療中，STAT3對腫瘤免疫逃逸的作用第一次得以證實[52]。含有顯性失活型的STAT3蛋白載體接種到B16黑色素瘤小鼠皮下，在接種了STAT3蛋白那組小鼠中，腫瘤生長被有效抑制。這些結果表明STAT3不僅可以作為腫瘤治療的靶點，還可以影響到與腫瘤細胞毗鄰的細胞，從而擴大治療作用并殺死腫瘤周圍組織[52]。

STAT3對炎性反應有負相調控作用，對于那些缺乏STAT3基因的小鼠，給予它們巨噬細胞以及中性白細胞可以增強炎性反應[53]。在STAT3缺失的免疫細胞譜小鼠中，STAT3的活性對腫瘤細胞免疫逃逸有重要作用[54]。

STAT3已被證實在與腫瘤相關的免疫細胞中是持續活化的[55]，這種活化的的信號共同存在于腫瘤細胞與免疫細胞中，因此便可以促進腫瘤免疫逃逸的發生。抑制免疫細胞中STAT3的活性，便可以使其產生多種抗腫瘤的免疫作用，從而抑制腫瘤生長以及轉移[54]。同樣的，在造血過程中的骨髓細胞除去STAT3會導致炎性因子的過量產生，過量的骨髓細胞產生以及克隆恩病樣的病理改變[56]。腫瘤相關巨噬細胞免疫抑制作用的增加與過表達的STAT3信號通路有很大關系[57]。總之，這些研究都表明STAT3信號通路在腫瘤細胞以及免疫細胞中激活，這樣可以促進腫瘤免疫逃逸，如果應用靶定STAT3的藥物可以產生抗腫瘤的免疫反應。

4 結語

總之，STAT3是一種可以介導多種細胞外刺激信號及酪氨酸激酶通路活性的轉錄因子，從而調控基因表達來影響細胞的多種重要功能。STAT3在許多生理過程中都扮演著重要的角色，如：細胞增殖、存活、自我更新及血管生成等。它是通過調節其他蛋白的表達來發揮在不同水平上調節作用的。但當正常調節過程遭到破壞時，STAT3則可能成為腫瘤轉移中一個重要介質。STAT3的活化可以在不同程度上破壞細胞外基質以及造成基底膜的降解和破壞，這些都是腫瘤細胞發生早期轉移時重要步驟。此外，STAT3還可以促進上皮細胞間質化的發生，從而促進腫瘤細胞由原位解離。同時，腫瘤血管生成在轉移灶的生長也是有很重要的作用的，很多研究都表明STAT3在不同程度上促進轉移灶腫瘤血管生成。最后，由于STAT3信號通路的特異性激活，影響了正常機體的免疫監督作用，得以使腫瘤細胞免于免疫系統的外部監視。因此，STAT3在腫瘤轉移過程中扮演著重要的作用，STAT3抑制物的研發將是我們未來研究工作中一個重要的目標。