蘇 立,李 炯 綜述,徐健眾△ 審校
(重慶市中醫院:1.腫瘤科;2.呼吸科 400021)
腫瘤轉移是導致惡性腫瘤患者死亡的主要原因,因此成為當前腫瘤性疾病臨床診治中的難點和挑戰。不同組織來源、病理類型的腫瘤在轉移過程中其驅動基因、微環境信號、遵循的解剖路徑各不相同,轉移機制的復雜性和異質性給防控腫瘤轉移帶來巨大困難。但不同腫瘤在侵襲轉移中也存在一些共同的細胞事件,共用一些分子通路。細胞的遷移運動就是各種腫瘤轉移中共有的細胞事件。靶向細胞運動及其中關鍵的分子或信號通路,有可能成為多種腫瘤轉移防治的有效策略[1]。Rho GTPase家族作為調控細胞骨架和細胞運動的重要分子家族被深入研究,該家族及相關信號通路在腫瘤侵襲轉移中的作用也逐漸被揭示。近年來隨著各種Rho信號通路抑制劑的發現,尤其是靶向Rho下游主要效應分子ROCK的多種抑制劑的研制成功,靶向Rho/ROCK信號通路成為抑制腫瘤轉移研究中的熱點之一。本文擬簡要介紹Rho/ROCK信號通路的組成及特點,重點綜述該信號通路在腫瘤中的異常,腫瘤轉移中的作用及針對Rho/ROCK信號通路靶向治療的現狀及研究進展。
Rho GTPase家族是屬于Ras GTPase超家族的信號傳導蛋白,1985年在無脊椎動物中作為Ras的同系物(Ras homology)被發現并得名[2]。目前已知哺乳動物的Rho GTPase家族包含22個成員,這些信號蛋白通過在活化(與GTP結合)與失活(與GDP結合)兩種狀態間切換,作為分子開關負責多種胞內信號的傳導,通過調控細胞骨架的改構,從而影響細胞形態、運動、極性及細胞分裂和增殖等多種重要的細胞事件。Rho GTPase中研究得最多的是Rho(A、C)、Rac(1、2、3)和Cdc42。Rho相關鳥核苷酸交換因子 (guanine nucleotide exchange factors,GEFs)介導Rho GTPase和GTP結合使之活化,相反Rho相關GTP酶激活蛋白(GTPase-activating proteins,GAPs)水解GTP成為GDP使其失活[3]。通常認為:Rac1 介導細胞板狀偽足的生成,Cdc42誘導絲狀偽足形成,而Rho亞家族主要促進應力纖維的形成,肌動蛋白收縮并介導細胞阿米巴樣的遷移[4]。
RhoA和RhoC的下游主要效應分子是Rho相關激酶(Rho-associated coiled-coil kinase,ROCK)。ROCK家族為絲蘇氨酸蛋白激酶,包含2個成員:ROCK1和ROCK2,兩者在蛋白結構上高度同源,因此其作用底物也相互重疊。活化的RhoA或RhoC激活ROCK1/2,后者可直接磷酸化肌球蛋白輕鏈 (myosin light chain,MLC);或抑制性磷酸化肌球蛋白磷酸酶(myosin phosphatase) 亞單位MYPT1,從而間接增強MLC的磷酸化;也可通過磷酸化激活LIMK1/2 (LIM domain kinase 1/2)使其下游底物cofilin被磷酸化抑制,進而阻斷cofilin對肌動蛋白絲的切割作用。通過上述多種機制,活化的ROCK1/2總的作用是穩定肌動蛋白絲,增強其張力,從而調節細胞運動、形態、極性和收縮力[5]。因此抑制ROCK活性可以減弱細胞運動,提示Rho/ROCK信號通路可以作為抑制腫瘤轉移的靶點。
人類腫瘤中Rho/ROCK信號通路在多個層面上存在著異常,包括基因異常、表達異常及信號通路活性調控的異常。Rho/ROCK通路異常與腫瘤的發生、發展關系密切,并且與患者疾病的嚴重程度及預后相關。
2.1腫瘤中Rho/ROCK信號通路的基因異常 關鍵基因遺傳上的突變是腫瘤發生的重要機制之一,Rho/ROCK通路的基因異常在眾多腫瘤中被發現。近期腫瘤全基因組測序結果顯示:在彌漫型胃癌中約25%的病例具有RhoA基因的重復性突變,突變熱點集中在RhoA鳥苷酸結合域周圍的Tyr42和Arg5,這些突變可能增強了RhoA的活性[6]。同時胃癌的某些病理類型也富含Rho相關GTP酶激活蛋白(GAPs)的突變[7]。此外Rho A基因突變還常見于頭頸部癌[8]、多種淋巴瘤[9-10]。作為RhoA/C下游主要效應分子的ROCK基因在腫瘤中突變也很常見,現已經發現約有600余種ROCK1/2基因的體細胞基因突變。比如發現在肺腺癌中ROCK1的外顯子倍增[11],而ROCK2基因突變在非小細胞肺癌病例中同樣占到很高的比例[12],在周圍神經鞘瘤中也發現了ROCK2基因拷貝數的增加和轉錄的增強[13]。這些ROCK基因的突變被認為與腫瘤的發生和惡性侵襲能力增強有關,但其他的ROCK1/2基因突變對腫瘤發生、發展的意義尚待明確。
2.2腫瘤中Rho/ROCK通路的表達異常 很多人類腫瘤中都發現了Rho/ROCK信號通路成分的表達異常,這些腫瘤包括肺癌、結直腸癌、胰腺癌、乳腺癌、卵巢癌、頭頸部鱗癌、睪丸癌等[14-15],通常認為Rho/ROCK通路的高表達與患者預后不良相關。如在結直腸癌中通過組織芯片的免疫組化檢測發現癌組織中ROCK1的表達較癌旁組織顯著增高,且ROCK1蛋白的表達水平與患者的生存期呈負相關[16]。卵巢癌中RhoC的mRNA和蛋白水平較正常組織明顯增高,高表達RhoC的病例其腫瘤分期晚,分化差[17]。遷移能力強的乳腺癌癌細胞中RhoA及ROCK1表達均增高,而乳腺癌組織中RhoA或ROCK1異常高表達的患者預后差。 GILKES等[18]研究發現缺氧可以在乳腺癌細胞中同時誘導RhoA和ROCK1的表達,而RhoA和ROCK1是缺氧誘導因子(hypoxia inducible factor,HIF)的直接轉錄調控的靶基因,腫瘤微環境缺氧信號通過HIF/RhoA/ROCK1信號軸增強了癌細胞的遷移能力。在腫瘤內部不同區域Rho/ROCK分子表達也存在差異,如在乳腺浸潤性導管癌中發現RhoA在癌組織邊緣的表達高于癌組織中央,而且腫瘤邊緣的ROCK及F-actin的表達均增高[19],這些表達的定位特點反映了在腫瘤侵襲性邊緣存在Rho/ROCK信號通路的激活。
2.3腫瘤中Rho/ROCK 信號通路的異常激活 除了表達異常,腫瘤微環境中多種信號可以異常激活Rho/ROCK信號通路的活性。比如在微環境中增高的骨形成蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)信號能在SMAD4突變缺失的結直腸癌細胞中激活ROCK信號通路,誘導腸癌細胞上皮間質轉化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)并增強其侵襲遷移能力,使用ROCK抑制劑處理腸癌細胞則能阻斷BMP信號誘導的EMT和細胞遷移[20]。乳腺癌組織中的缺氧信號在協同上調RhoA、ROCK1表達的同時也激活其活性,導致ROCK下游底物MLC的磷酸化增強,同時激活黏著斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)的活性,共同介導細胞的侵襲遷移[18]。雄激素能刺激前列腺癌細胞中的RhoA表達并激活其活性[21],而在胰腺癌中表皮生長因子(epithelial growth factor,EGF)能夠激活RhoA/ROCK,ROCK活化后能反作用于EGFR使之胞內化失活,形成了一種Rho/ROCK反作用于上游信號的負反饋調節機制。
腫瘤細胞中Rho/ROCK激活還具有空間上差異性調控的特點。如在乳腺癌中發現核內激活的ROCK2與高HER2、高Ki67、低雌孕激素受體表達相關,因而預后較差[22]。P53突變的小鼠胰腺導管癌中RhoA在癌細胞的前后緣激活,介導細胞遷移,小分子激酶抑制劑達沙替尼(dasatanib)能夠抑制Rho在細胞的兩極激活從而抑制癌細胞的運動[23]。而在乳腺癌和腦癌細胞中RhoA特異的鳥苷酸交換因子Syx,聚集到細胞膜下,在胞膜下激活RhoA下游效應分子Dia1并抑制ROCK活性,介導胞內微管結構的改變,從而調控細胞極性并促進細胞定向運動[24]。
腫瘤轉移是一個多步驟的復雜過程,腫瘤細胞、微環境間質及間質細胞、腫瘤血管都參與其中,每個環節都顯著影響轉移的最終結果。本文從這幾個方面分別介紹Rho/ROCK信號通路的作用。
3.1腫瘤細胞中Rho/ROCK 通路的作用 類似于Rho/ROCK信號通路在正常細胞運動中的重要作用,已有相當多的證據表明Rho/ROCK通路也是大多數腫瘤細胞運動所必需的,而ROCK1/2抑制劑可在多種腫瘤細胞中抑制腫瘤細胞的遷移運動[4,15]。EMT被認為是上皮來源的腫瘤細胞侵入周圍組織的起始環節,Rho/ROCK信號通路也被發現參與腫瘤細胞的EMT過程。如ROCK介導了微環境中BMP信號誘導結直腸癌細胞的EMT過程[20],而乳腺癌中RhoA及Rho相關鳥核苷酸交換因子均參與了癌細胞的EMT[19,25]。
完成EMT后進入間質的腫瘤細胞在其進一步的侵襲過程中,根據所處的周圍環境的不同,通常采用兩種不同形態的運動模式,即長梭形間質細胞樣運動,或者圓形的阿米巴樣的運動,這兩種運動模式的動態轉換是侵襲中的腫瘤細胞適應復雜多變的微環境所需要的,而這一轉化過程的調節機制是Rho/ROCK和Rac1間相互抑制的環路:一方面Rac1信號維持細胞的長梭形間質樣運動,并抑制Rho/ROCK的活性[4];另一方面Rho /ROCK信號維持細胞阿米巴樣的運動,并通過磷酸化激活2種Rac特異的GAP,即 ARHGAP22和FilGAP[26],滅活Rac1,從而使細胞運動模式轉變為阿米巴樣。所以腫瘤細胞在間質中的運動模式取決于Rac1和Rho/ROCK間的平衡,阻斷Rho/ROCK信號不僅能直接抑制細胞運動,而且影響癌細胞轉換運動方式以適應周圍環境的能力。
3.2腫瘤間質中Rho/ROCK 通路的作用 腫瘤間質及腫瘤間質細胞是影響腫瘤細胞生存、增殖、轉移的重要因素。Rho/ROCK的重要作用也體現在腫瘤間質或腫瘤與其微環境的相互作用中。膽管癌具有豐富的腫瘤間質,并且間質中富含腫瘤相關成纖維細胞(cancer-associated fibroblast,CAF),通常認為CAF由腫瘤細胞募集而來,但具體機制不明。近期研究發現膽管癌細胞通過分泌血小板源性生長因子D(platelet derivative growth factor D,PDGF-D),經由成纖維細胞膜上的受體FDGFR-β激活其胞內的Rac1、RhoA和Cdc42,進而介導其遷移至腫瘤間質成為CAF。使用各種Rho GTPase抑制劑處理成纖維細胞,都能顯著抑制PDGF-D誘導的成纖維細胞遷移[27]。
腫瘤轉移中需要發生細胞外基質 (extracellular matrix,ECM) 重構。CAF細胞是調控ECM重構的主要細胞,而這一功能依賴于CAF中肌動球蛋白的收縮力。和其他細胞一樣,CAF中肌動球蛋白收縮也由Rho/ROCK通路調控。研究表明腫瘤微環境中白血病抑制因子(leukemia inhibit factor,LIF)激活CAF中的JAK/STAT通路,其中JAK激活Rho/ROCK來增強肌動球蛋白收縮,以促進ECM的重構。同時增強的肌動球蛋白張力和激活的ROCK也促進STAT3的磷酸化,形成了CAF中JAK-ROCK的自身正反饋環路,其綜合效應是促進ECM重構有利于腫瘤細胞侵襲轉移[28-29]。TGF-β通過激活YAP(yes-associated protein)促使正常成纖維細胞向CAF轉化,并維持CAF促進ECM重構的表型,這一過程也依賴于成纖維細胞內肌球蛋白收縮,因此ROCK抑制劑能夠阻斷正常成纖維細胞向CAF轉化[30]。
3.3Rho/ROCK通路在腫瘤細胞侵入血管中的作用 腫瘤細胞進入血管是轉移中的重要環節,近期研究還發現Rho/ROCK信號通路調控腫瘤細胞與血管內皮細胞相互作用,并參與腫瘤細胞跨血管壁的運動過程。在前列腺癌細胞中以RNAi敲低RhoC或ROCK1/2都能顯著地抑制腫瘤細胞與內皮細胞的黏附,并能抑制前列腺癌細胞誘導的內皮細胞間連接打開的作用。體內實驗也證實敲低RhoC,能顯著抑制前列腺癌細胞向免疫缺陷小鼠肺內的轉移[31]。在腫瘤侵入血管的過程中激活Rho/ROCK的可以是微環境中細胞因子信號也可以是腫瘤間質細胞,如化學趨化因子CXCL12/SDF誘導的乳腺癌細胞中RhoA激活,促進腫瘤細胞向血管黏附并跨血管遷移[32]。腫瘤間質中的巨噬細胞在與腫瘤細胞的接觸中,也可誘導腫瘤細胞內RhoA激活,使之形成富含肌動蛋白的侵襲性偽足,這有利于腫瘤細胞降解基質并穿透血管[33]。
研究發現肺癌細胞可以通過激活血管內皮細胞的Rho/ROCK通路,誘導內皮細胞的細胞骨架變化從而松解內皮細胞間連接,而凝血酶的刺激也可以使內皮細胞中Rho/ROCK活化從而導致血管內皮通透性增加[4]。使用ROCK抑制劑可以在腦出血動物模型中降低腦血管的通透性,并防止了內皮細胞間緊密連接的減少[34-35],雖然在腫瘤動物模型中尚未進行這樣的實驗,但可以推測腫瘤性血管內皮細胞中Rho/ROCK信號通路也有類似的功能并受到ROCK抑制劑的調節。
由于Rho/ROCK信號通路在腫瘤轉移多個環節中的重要作用,研發Rho/ROCK的抑制劑用于腫瘤轉移分子靶向治療一直是研究的熱點。現有的Rho/ROCK抑制劑主要是ROCK的抑制劑,早期發現的ROCK抑制劑包括fasudil、Y27632、hydroxyfasudil、H-1152P等,由于這些抑制劑都是針對ATP結合域附近的酶活性區域,所以它們沒有ROCK1/2的選擇性,而且在高濃度時對其他絲蘇蛋白激酶如PKA、PKC也有抑制作用。新近研發的ROCK1/2選擇性ROCK抑制劑,如KD-025/SLx-2119,其對ROCK2選擇性比對ROCK1高200倍以上[36]。
由于Rho/ROCK信號通路在血管平滑肌細胞收縮和張力維持中的作用,目前已經有多種ROCK抑制劑在控制血壓、治療缺血性血管疾病方面進入了臨床試驗階段。與這些非腫瘤領域的進展不同的是,雖然大量的實驗性研究已證實Rho/ROCK抑制劑在細胞或實驗動物中對腫瘤侵襲轉移的抑制作用[37-38],但至今僅有1種ROCK抑制劑,即AT 13148在2012年獲批開始針對進展期實體瘤的臨床Ⅰ期試驗(ClinicalTrials.gov identifier NCT01585701)。Rho/ROCK抑制劑在腫瘤臨床研究中進展緩慢的原因可能在于:Rho/ROCK信號通路分布廣泛,參與的生理功能復雜,而目前的ROCK抑制劑大多不具備理想的組織或靶點的選擇性,人體使用中具有不可預計的不良反應,這限制了該類藥物的臨床應用。此外目前對GTPase在腫瘤進展轉移中的作用和機制遠未闡明,但越來越清楚的事實是藥物抑制Rho/ROCK信號通路的結果高度取決于腫瘤細胞自身的種類、疾病的狀態及腫瘤內微環境,這些復雜性和不確定性給開發治療腫瘤的Rho/ROCK抑制劑也帶來了困難[39-40]。
綜上所述,Rho/ROCK信號通路作為調控細胞骨架和細胞運動的重要信號系統在腫瘤轉移的各個環節都發揮著重要的作用。該通路的遺傳異常、異常表達或激活既是人類腫瘤中常見的分子事件,也是導致腫瘤進展轉移的重要原因之一。因此Rho/ROCK也是抑制腫瘤進展和轉移的潛在的分子靶點,目前由于該信號通路認識及相關抑制劑的研發尚不夠完善,所以靶向Rho/ROCK的策略在腫瘤臨床治療中尚未能實現,不過相信隨著研究的深入,新型抑制劑的問世,靶向Rho/ROCK會成為防控腫瘤轉移的重要方法之一。
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