TGF-β信號通路在腫瘤進展中的作用

齊元富，李慧杰，劉寨東

(山東中醫藥大學附屬醫院腫瘤科，山東 濟南250014)

轉化生長因子- β(transforming growth factor-β，TGF-β)信號通路是一條重要的細胞內信號轉導途徑，參與胚胎發育、腫瘤發生、創傷愈合及炎癥反應等生理或病理生理過程。TGF-β 信號通路與腫瘤發生密切相關，并可通過增強侵襲性質、影響腫瘤微環境及抑制免疫功能等促進腫瘤轉移，在其進展中發揮重要作用，且在不同腫瘤、同種腫瘤不同亞型及腫瘤的不同階段均可產生不同反應，并呈現不同調控機制［1］。

1 TGF-β 信號通路組成及調節機制

TGF-β 信號通路由TGF-β 家族成員及其受體組成，TGF-β 超家族包括TGF-β、激活素、骨形態發生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)及抑制素等，TGF-β 有5 種異構體形式，哺乳動物體內有TGF-β1、TGF-β2 與TGF-β3 等3 種亞型。TGF-β 家族受體為受體絲氨酸/蘇氨酸激酶兩者形成的異源二聚體，包括TβRI、TβRⅡ、TβRⅢ等3 種，TβRⅡ胞外端首先與配體結合，其胞內段的Ser/Thr 激酶被活化，進而TβRI的GS 結構域磷酸化，TβRI活化后將信號向細胞內轉導;TβRI、TβRⅡ在TGF-β 信號轉導中缺一不可，而TβRⅢ缺乏信號傳遞結構，為附屬受體，但可影響TβRI、TβRⅡ［2］。TGF-β 信號通路通過兩條途徑發揮生物效應，一條即經典的Smad 依賴性信號轉導途徑，另一條是同G 蛋白、有絲分裂原蛋白相關聯的非Smad依賴性信號轉導途徑。

TGF-β 信號通路調節機制較為復雜，首先，TGF-β與TβRⅡ結合形成復合物，改變TGF-β 構象，進而被TβRI所識別并結合形成TβRⅡ-TGFβ-TβRI三聚體復合物，復合物中的TβRI被TβRⅡ磷酸化，磷酸化的TβRI將信號放大進一步向后傳遞，啟動經典Smad信號通路和非Smad 信號通路［3］。TGF-β 受體作用于受體調節型Smad 的HMH2 區的SSXS，使之磷酸化，Smad 被激活，通過MH2 結構域與Co-Smad 結合形成異源復合物，并移位至核與其他轉錄因子結合，進而調節TGF-β 靶基因的表達［4］。此外，絲裂原活化的蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)等信號通路相關因子可與Smad 共同調節轉錄，TGF-β 活化的MAPK 通路亦可調節細胞的生長、分化及凋亡等［5］。

2 經典TGF-β/Smad 信號轉導途徑

經典的TGF-β/Smad 信號轉導途徑是一復雜過程，其組成除TGF-β 家族成員及其受體外，Smad 蛋白尤為重要，其是細胞質內TGF-β 信號轉導分子，可直接將TGF-β 信號由細胞膜轉導入胞核內。因結構和功能不同Smad 蛋白被分為3 類，受體調節型Smad，主要包括Smad1、Smad2、Smad3、Smad5 及Smad8;共同介導型Smad，目前僅發現Smad4;抑制型Smad，主要包括Smad6 與Smad7，兩者主要通過競爭性與I型受體結合發揮抑制受體激活R-Smad 的磷酸化作用［6］。受體調節型Smad 與共同介導型Smad 均含MH1、MH2結構域，后者具有轉錄激酶活性，存在于所有Smad 分子中，可介導Smad 蛋白之間相互作用;而TGF-β1 等受刺激后可誘導抑制型Smad，其在TGF-β/Smad 信號轉導途徑中是一自身負反饋調節信號［7］。

TGF-β/Smad 信號通路中各型Smad 分子之間精密協調，共同完成生理及病理狀態下TGF-β 的生物學效應。TGF-β/Smad 信號途徑發揮效應受到SARA 等多種細胞因子及相關基因的調控，SARA 通過Smad 結合結構域和MH2 與受體調節型Smad 和TGF-β 受體相互作用，其與未磷酸化的Smad2/3 結合，通過相關結構域固定Smad2/3，并將其遞給TβRI而磷酸化，隨后SARA 與之解離，Smad2/3 則與Smad4 結合并向核內轉位，而STRAP 可以加強Smad7 與TGF-β 受體的作用而發揮負性調節功能［4］。目前研究發現，TGF-β/Smad 通路可對細胞周期調節基因、細胞黏附分子、細胞外基質、同源基因、凋亡等多種基因的轉錄進行調節，進而參與病理、生理過程發揮其生物學功能［8］。

3 TGF-β 介導誘發腫瘤上皮間質轉化

上皮間充質轉化(epithelial to mesenchymal transition，EMT)是指上皮細胞在特定的生理和病理情況下向間充質細胞轉化的現象，存在于多種慢性疾病的發病過程及腫瘤浸潤轉移過程中［9］。在EMT 過程中伴有多個細胞分子標志改變，其中E -鈣黏蛋白的減少或丟失是EMT 最重要的標志性變化，同時也是促進腫瘤轉移的重要表現;N -鈣黏蛋白在EMT 發生后表達增加，具有促進腫瘤細胞運動和轉移的作用［10］。

EMT 可被多種信號分子所誘導，TGF-β 是其誘導發生的關鍵因子，TGF-β 參與腫瘤EMT 過程的主要機制是通過Smad 途徑和非Smad 途徑完成的。首先，TGF-β 與腫瘤細胞膜上的TβRⅡ結合，通過TβRⅡ激酶使TβRI磷酸化，進一步激活下游的Smad2/3，磷酸化的Smad2/3 再與胞內Smad4 結合形成三聚體，進入細胞核與DNA 結合而發生相互作用，促使EMT 形成［11］。TGF-β 還可通過非Smad 依賴途徑對腫瘤EMT 調節，如MAPK 途徑，TGF-β 通過MAPK 途徑激活下游的細胞外調節蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase，ERK)，從而誘導腫瘤EMT 發生［12］。TGF-β/Smad 通路與多條通路間進行“交談”，與Wnt通路的“對話”可上調EMT 誘導因子Snail 和Twist，抑制E-鈣黏蛋白表達，同時激活β-catenin/TCF/LEF 復合物，間接導致vimentin 等間質標志物的表達，共同協調完成對腫瘤EMT 的調節［13］。

4 TGF-β 信號通路與腫瘤轉移

TGF-β 信號通路對腫瘤的發生有重要影響，在信號轉導途徑中，任何一個轉導成員表達異常、突變或失活都將使機體細胞喪失TGF-β 對細胞增殖調控的生物學效應而導致腫瘤的發生、發展，且與腫瘤細胞的浸潤及轉移密切相關。盡管在腫瘤發生的某些階段，轉化的細胞部分或者完全抵抗了TGF-β 的生長抑制作用，可導致腫瘤的發生;但在腫瘤發展的晚期，TGF-β卻促進腫瘤細胞的生長、浸潤和轉移，而對于腫瘤是起抑制作用還是促進作用主要依賴于腫瘤細胞的特性，以及對腫瘤細胞內相關蛋白的調節作用［14］。

TGF-β/Smad 信號途徑介導細胞生長抑制效應，其配體、受體、Smad 蛋白、轉錄調節的靶基因組成一腫瘤抑制通路，通路異常致使信號轉導紊亂，進而影響TGF-β 的生物學效應，促進腫瘤的發生發展、侵襲轉移。在人類腫瘤中TGF-β 過表達與腫瘤的發展、轉移、血管生成及惡化程度相關，且TGF-β1 水平增高與腫瘤細胞的增殖、轉移、侵襲力增強呈正相關［15］。TGF-β 升高會喪失對腫瘤細胞增殖的抑制作用，但不會喪失對宿主免疫系統的抑制功能，淋巴系統增殖被抑制可抑制機體對癌細胞的免疫監視，促進腫瘤侵襲轉移［16］。TGF-β1 可以通過促進血管平滑肌細胞增生和分化，促使新生血管形成，使未成熟的血管樣結構成為結構穩定的、功能成熟的血管床，導致腫瘤轉移［17］。TGF-β 可通過促進EMT 的發生提高腫瘤細胞的黏附、運動能力，并可抑制E-鈣黏蛋白的蛋白表達，導致上皮間連接的破壞，癌細胞間黏附性減弱，并通過表達N-鈣黏蛋白而獲得間質特性，進而易于脫離原發灶而發生侵襲轉移［18］。此外，TGF-β 還可誘導基質金屬蛋白酶- 2(matrix metalloproteinases-2，MMP-2)、MMP9的表達，促進基底膜降解，為腫瘤細胞快速生長、轉錄提供良好的環境，導致腫瘤發生與發展［19］。

TGF-β 通路促進腫瘤轉移的機制主要有3 個方面:1)TGF-β 可從抑癌因子轉化為促進癌轉移因子，且由Smad 介導在腫瘤轉移中發揮作用;2)TGF-β 通過增加癌細胞與胞外基質的相互作用、抑制免疫系統和增加血管生成等促進腫瘤的侵襲和轉移;3)EMT 是腫瘤浸潤、轉移的重要機制，而TGF-β 在誘發EMT 中起關鍵作用，被認為是誘導組織纖維化的“控制開關”。

5 TGF-β 與腫瘤進展的相關研究

TGF-β 信號通路與腫瘤發生發展密切相關，在多種腫瘤中均有證實。李志章等［20］研究發現，Smad4 介導的TGF-β1 信號通路異常參與了喉鱗癌的發生、發展過程，TGF-β1 蛋白的高表達、TβRⅡ蛋白的低表達與喉鱗癌進展相關，Smad4 蛋白的低表達或表達缺失促進了喉鱗癌的侵襲轉移。有研究［21］表明在乳腺癌中TGF-β1 的表達率隨浸潤性乳腺癌的TNM 分期升高而升高，其表達水平在0 期明顯高于Ⅱ、Ⅲ期，表達水平的增高與乳腺癌的臨床進展密切相關。TGF-β1亦參與胃癌、結腸癌的發生發展。萬珍玲等［22］的研究表明TGF-β1 可通過ERK 信號通路調節胃癌細胞MMP-2 和MMP-9 的表達，促進胃癌侵襲轉移。TGFβ1 與大腸組織穩態的維持密切相關，TGF-β 信號異常可促進炎性病變的發生，在大腸癌癌變早期起作用［23］。TGF-β 信號通路在肝癌細胞的增殖與穩定中發揮重要作用，破壞肝癌細胞TGF-β 信號通路可抑制肝癌細胞的增殖及促進其凋亡［24］。

6 小結

TGF-β 是機體正常細胞及上皮性腫瘤細胞生長的負調控因子，其參與了腫瘤的發生、進展和轉移等各個環節，并扮演不同的角色。隨著對TGF-β 信號傳導通路與腫瘤關系研究的不斷深人，對其在腫瘤進展中的作用與機制也逐漸闡明，兩者關系研究的明朗化及針對此通路的靶點藥物研究有可能為腫瘤的預防與治療開辟一個新的途徑。

［1］Akhurst RJ，Hata A.Targeting the TGFβ signalling pathway in disease［J］.Nat Rev Drug Discov，2012，11(10):790 -811.

［2］Massagué J.TGFβ signalling in context［J］.Nat Rev Mol Cell Biol，2012，13(10):616 -630.

［3］Gulubova M，Manolova I，Ananiev J，et al. Role of TGF-beta1，its receptor TGFbetaRII，and Smad proteins in the progression of colorectal cancer［J］.Int J Colorectal Dis，2010，25(5):591 -599.

［4］Cheng X，Alborzinia H，Merz KH，et al.Indirubin derivatives modulate TGFβ/BMP signaling at different levels and trigger ubiquitinmediated depletion of nonactivated R-Smads［J］. Chem Biol，2012，19(11):1423 -1436.

［5］Min S，Li L，Zhang M，et al. TGF-β-associated miR-27a inhibits dendritic cell-mediated differentiation of Th1 and Th17 cells by TAB3，p38 MAPK，MAP2K4 and MAP2K7［J］. Genes Immun，2012，13(8):621 -631.

［6］Zi Z，Chapnick DA，Liu X. Dynamics of TGF-β/Smad signaling［J］.FEBS Lett，2012，586(14):1921 -1928.

［7］劉成敏，張成仁，王秀梅. Smads 介導的TGF-β 信號轉導通路與腫瘤關系的研究進展［J］.中華腫瘤防治雜志，2010，17(8):631 -634.

［8］Watanabe Y，Itoh S，Goto T，et al.TMEPAI，a transmembrane TGFbeta-inducible protein，sequesters Smad proteins from active participation in TGF-beta signaling［J］. Mol Cell，2010，37(1):123-134.

［9］王靜，姜達.EMT 與腫瘤的關系及其相關機制［J］.腫瘤基礎與臨床，2011，24(1):83 -85.

［10］Sabe H. Cancer early dissemination:cancerous epithelial-mesenchymal transdifferentiation and transforming growth factor β signalling［J］.J Biochem，2011，149(6):633 -639.

［11］Vincent T，Neve EP，Johnson JR，et al.A SNAIL1-SMAD3/4 transcriptional repressor complex promotes TGF-beta mediated epithelial-mesenchymal transition［J］. Nat Cell Biol，2009，11(8):943-950.

［12］Secker GA，Shortt AJ，Sampson E，et al.TGFbeta stimulated re-epithelialisation is regulated by CTGF and Ras/MEK/ERK signalling［J］.Exp Cell Res，2008，314(1):131 -142.

［13］Xu J，Lamouille S，Derynck R.TGF-beta-induced epithelial to mesenchymal transition［J］.Cell Res，2009，19(2):156 -172.

［14］Talar B，Czy˙z M.TGF-β signaling pathways in cancers［J］.Postepy Hig Med Dosw (Online)，2013，67:1008 -1017.

［15］Bierie B，Moses HL. Transforming growth factor beta (TGF-beta)and inflammation in cancer［J］. Cytokine Growth Factor Rev，2010，21(1):49 -59.

［16］Nagaraj NS，Datta PK.Targeting the transforming growth factor-beta signaling pathway in human cancer［J］. Expert Opin Investig Drugs，2010，19(1):77 -91.

［17］Pisarev MA，Thomasz L，Juvenal GJ. Role of transforming growth factor beta in the regulation of thyroid function and growth［J］.Thyroid，2009，19(8):881 -892.

［18］Kim AN，Jeon WK，Lim KH，et al. Fyn mediates transforming growth factor-beta1-induced down-regulation of E-cadherin in human A549 lung cancer cells［J］. Biochem Biophys Res Commun，2011，407(1):181 -184.

［19］Peng J，Li X，Feng Q，et al.Anti-fibrotic effect of Cordyceps sinensis polysaccharide:Inhibiting HSC activation，TGF-β1/Smad signalling，MMPs and TIMPs［J］. Exp Biol Med (Maywood)，2013，238(6):668 -677.

［20］李志章，李欽，耿玉艷，等.TGF-β1/Smad4 信號通路在喉鱗癌中的作用及意義［J］.山東大學耳鼻喉眼學報，2011，25(2):16 -18，22.

［21］Lenferink AE，Cantin C，Nantel A，et al.Transcriptome profiling of a TGF-beta-induced epithelial-to-mesenchymal transition reveals extracellular clusterin as a target for therapeutic antibodies［J］.Oncogene，2010，29(6):831 -844.

［22］萬珍玲，胡忠良，劉保安.TGF-β1 可通過ERK 信號通路調節胃癌細胞MMP-2 和MMP-9 的表達［J］. 腫瘤防治研究，2009，36(2):91 -94.

［23］Skeen VR，Paterson I，Paraskeva C，et al.TGF-β1 signalling，connecting aberrant inflammation and colorectal tumorigenesis［J］.Curr Pharm Des，2012，18(26):3874 -3888.

［24］袁方均，周文波，鄒燦，等.肝癌細胞系中Oct4 與Wnt/β-catenin和TGF-β 信號通路的相互影響［J］. 腫瘤防治研究，2011，38(1):21 -24.