1、转化生长因子 及其受体Smad 信号通路与大肠癌研究进展【关键词】 肠肿瘤；转化生长因子 ；信号传递转化生长因子（transforming growth factor,TGF ）是一类功能复杂的多肽类细胞因子超家族，包括 TGF1 5，几乎体内的所有细胞都能产生并存在其受体。它不仅具有抑制上皮细胞和造血细胞的增殖，促进细胞凋亡的功能，还对多种上皮性肿瘤细胞（如肝癌、肺癌、大肠癌、胃癌、乳腺癌及前列腺癌等）的体外增殖起负向调控作用1 。体内多种细胞都可合成 TGF ，并通过自分泌或旁分泌方式与细胞表面的膜受体结合而起作用。研究发现不同的细胞株对 TGF 的反应不同，并且存在着逃逸 TGF 负调控
2、的现象。因此，TGF 在肿瘤的发生、发展中是一把“双刃剑” ，虽然 TGF 从抑癌作用转成促癌作用的机制以及转变阶段仍不十分清楚，但发现大肠癌患者存在 TGF 的高表达，与侵袭转移和预后密切相关14 。本文就近年来 TGF 及其受体Smad 信号通路对大肠癌的调控作用作一综述。TGF 及其受体与信号传递 TGF 最初是从人血小板、人胎盘中分离纯化而来，由于其可诱导正常大鼠肾成纤维细胞（NRN）转化为肿瘤细胞，因而命名为TGF 。TGF 的活性结构是 25 KD 的二聚体，由两条相同的 12.5 KD肽链依靠二硫键连接而成。TGF 是一类具有多种生物学功能的多肽类生长因子超家族，包括 TGF 家
3、族、Vg 相关家族、抑制素/激活素家族。其中 TGF 家族有五种异构体，分别为TGF1 、TGF2 、TGF3 、TGF4 、TGF5 。目前研究最为深入和活跃的是 TGF1 ，其在细胞增殖与分化、间质形成、组织损伤修复、胚胎发育中均起重要作用。TGF 存在于人和哺乳动物的多种正常体细胞、造血细胞和胚胎细胞中，许多转化细胞和肿瘤细胞均有TGF 表达，其中 TGF1 占 90%以上，活性最强。TGF 受体（TGF receptor,TR）广泛分布于正常和肿瘤细胞表面，是一种跨膜糖蛋白，由胞外配基结合区域、信号跨膜元件和胞内 Ser/Thr激酶区域组成。TGF 糖蛋白受体有 3种亚型，分别为TRI
4、 、TR 、TR 型。TRI 型受体分子质量为 65 KD；TR 型受体分子质量为 85110KD ；TR 型受体分子质量为600 KD，由 2个分子质量为 280300 KD 的亚基组成，对受体克隆和定序分析后发现，I 型受体和型受体具有丝氨酸/苏氨酸激酶部位。I型受体要有型受体同时参与才能与 TGF1 结合，而型受体不需要I型受体的存在即可与 TGF1 结合，但要有 I型受体同时参与才能进行信号传递。型受体为 糖蛋白，其与 TGF1 有高亲和性，是TGF1 的异侧复合体，负责将 TGF1 呈递给受体分子，型受体不直接参与信号的传递过程5，6 。TGF1 作用机制与 Smad蛋白结构 TGF
5、1 无论是通过自分泌途径还是通过旁分泌途径，都要与 TGF受体结合才能发挥作用。TRI 型和 TR 型受体都是由细胞外配体结合区和细胞内参与信号传递的具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性结构的区域所组成。有研究表明，TRI 型和 TR 型受体形成的异二聚体在 TGF 信号传导中起主导作用。TGF1 首先直接与 TR 型受体结合，形成二元复合物。此时 TGF1 构象发生改变，从而可被TRI 型受体所识别并结合，形成 TRTGFTRI 复合物。TR 型受体胞内区高度保守，具有使自身磷酸化的激酶功能，可将胞内区的丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化，磷酸化的 TRI 型受体将信号放大并进一步向后传递，从而进一步作用于下游
6、的 Smad蛋白，产生相应的生物学效应6，7，8 。Smad 蛋白是由 Smad基因编码的相对分子质量为 4260 KD 的蛋白质分子，是 TGF 受体复合物的下游信号调节蛋白，存在于胞质中，可将信号由胞膜传导至胞核调节转录8 。目前，在哺乳动物中已发现 8种 Smad蛋白，从结构和功能上分为 3个亚型。受体调节性 Smads（RSmads ） ，包括 Smad1，2，3，5，8，作为TRI 激酶的底物，磷酸化活化后入核，转导特异性信号，调节特异基因的表达；其介导性 Smad（COSmad 即 Smad4） ，是不同亚型 TGF诱导基因表达调控和随后抑制生长必需的关键转录因子，能与 RSmad
7、s相互作用，形成异聚体；抑制性 Smads（ISmads ） ，包括 Smad6，7，作用为阻断 RSmads 磷酸化活化或干扰 RSmads 和 COSmad 形成异聚体，抑制和削弱 TGF 信号传导，对 Smad的信号转导通路发挥负调控作用。当 TRI 型受体被激活后，抑制性 Smad才能与 TRI 型受体结合。抑制性 Smad与通路限制性 Smad竞争性地与 TRI 型受体结合，干扰通路限制性 Smad与 TRI 型受体的相互作用和磷酸化，从而抑制信号转导。TGF 等刺激细胞后，抑制性 Smad的 mRNA转录被诱导，故在 TGF 信号转录中抑制性 Smad系一种自身调节的负反馈信号9
8、。TGF 及其受体与大肠癌发生的关系 前面提到 TGF 是一种抑癌因子，其表达或激活方面的缺陷及 TGF 受体（TR）或受体后 Smad蛋白水平缺陷，都可导致生长抑制作用消失而使细胞恶性增殖。TGF 在肿瘤的早期阶段，由于其具有阻断生长周期的作用，可作为肿瘤抑制物；在肿瘤进展过程中，TGF 可由肿瘤细胞和（或）其周围基质细胞产生，且细胞因 TGF 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，TGF 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10 。TGF 可依据浓度和环境的不同通过以下通路对靶细胞发挥抑制或刺激的调
9、节作用。活化的 TGF （配基）与细胞膜上的 TR结合后被呈递给 TR 或直接与 TR 结合，形成 TR 配体 TRI 稳定的复合物并使受体激活，激活的受体具有激酶活性，将信号放大并可使细胞内受体调控的 RSmads 磷酸化，磷酸化的 RSmads与 COSmads 形成异聚体，可进入细胞核与特异性 DNA调控序列结合，活化特定靶基因的转录和表达，并通过介导 G1期阻滞，促进分化和凋亡，抑制细胞生长。而抑制型 Smads可阻断受体对 RSmads 的磷酸化，抑制RSmads 与 COSmads 聚合，使配体 受体复合物降解，抑制信号的传导11 。也就是说 TGF 信号从细胞膜传入细胞核，要经历
10、配体 受体 细胞内信号转导分子 调控基因表达 细胞生长抑制、分化或凋亡组成的信号转导通路。该通路中任何组份的失活都会导致细胞对TGF 诱导生长抑制和凋亡信号失调，使细胞的生长分化失去控制，诱发细胞癌变。TGF 异常表达与大肠癌侵袭转移 大肠癌患者血清及组织中存在 TGF1 的异常表达。Dinberg 等12的研究发现，TGF1 的前体在大肠癌中表达水平较癌周组织明显降低，聚合酶联反应分析 TGF1 的基因表达水平在大肠癌和正常组织中无明显差异，表明在 TGF1 基因转录水平前或 TGF1 蛋白翻译水平后存在某些机制控制 TGF1 的前体蛋白表达，此过程可能与大肠癌发生有关。Narai等13的研
11、究结果显示，大肠癌患者血清 TGF1 水平明显高于健康者(P0.01),并发现 TGF1 在 DukesI、型的患者中均高于Dukes、型(P0.01)，、型患者行根治术 7 d和 14 d后，TGF1 水平逐渐降至正常。唐华等14采用免疫组化 SP 法检测了大肠癌组织和正常肠黏膜的 TGF1 表达，结果显示癌组织 TGF1阳性表达率为 52.9%，显著高于正常肠黏膜的 10%(P0.01)；有无区域淋巴结转移者其阳性表达率分别为 65%和 36.7%(P0.05)；Dukes型患者 TGF1 阳性表达率(64.3%)明显高于 I型（27.3%）和型（41.2%） ，与 GuzinskaUst
12、ymowicz 等15的研究结果一致。统计显示TGF1 阳性表达率与淋巴结转移、远处转移差异有统计学意义(P0.01)，提示 TGF1 促进了大肠癌的浸润和转移，表明 TGF1可作为反映肠肿瘤侵袭转移的参考指标14 。Chakrabarty 等16对 3株结肠腺瘤细胞株和 5株结肠癌细胞株进行 TGF1 生长调控的研究表明，3 株腺瘤细胞株在低浓度 TGF1 （0.050.5 g/L）条件下生长即受到抑制；而 5株结肠癌细胞株在同样条件下对较高浓度的TGF1 （2.010.0 g/L）则表现出对生长抑制的拮抗，表明TGF1 具有调控人肠上皮细胞生长的作用。当肠上皮细胞从良性向恶性表型转化时，可
13、出现对 TGF1 生长抑制作用的反应性下降。研究还发现 TGF1 受体，尤其是 TR 的表达减少，是机体细胞逃逸TGF1 负调控作用的一个重要机制，可能是大肠癌形成的一个重要因素17 。Nagayama 等18通过对 32例广泛浸润型结直肠癌(DICC)和60例普通结直肠癌（CCC）的对比研究，发现前者 TGF1 表达显著增加而 TR 的表达显著降低，提示 TR 失表达有助于提高组织对TGF1 的生长抑制作用的抵抗，也增强了癌细胞的侵袭力。表明除了TGF1 本身的异常表达外，TR 失表达也参与结肠癌的进展与转移。临床随访发现，TR 阳性表达者其 3年和 5年生存率显著高于阴性表达者19 。由此
14、推测 TR 表达水平越低，TGF1 表达水平越高，癌细胞浸润转移的能力越强，癌症相关的死亡率增高；并且这种联系与患者年龄、肿瘤大小无关。Smad 基因突变与大肠癌发生密切相关 TR 的失活与其基因突变密切相关6，7，18 。主要发现为该基因位于 790718 核苷酸间的 poly(A)10区腺苷酸(A)的插入或缺失，这种改变可使基因发生框架移位，后续的密码子改变，可表达出异常的TR 受体，使 TR 传递信号的功能丧失，从而使细胞失去对TGF1 的反应。Kim 等20认为，TR 基因启动子突变或 CPG岛的高甲基化，可使 TR 基因表达下降，也是导致肿瘤细胞逃脱TGF1 负调控的重要原因。Zan
15、etti 等17研究发现，存在TRI 、TR 受体部位缺失的结肠癌 CaCo细胞系在 10 g/L TGF1 作用下能诱导细胞凋亡，提示在整个 TGFTRSmads 信号传导通路中，除了以上 TGF 、TR 异常表达外，下游的 Smads蛋白表达也可发生异常5，6，10 ，尤其是 Smad4已成为研究的热点，认为 Smad4是 TGF1 信号通路中重要的胞质，其失活或突变同样可以导致 TGF 生长抑制作用消失，与肿瘤的发生密切相关。Smad4/DPC4 是最早发现的 Smad异常，大肠癌常伴有该染色体的缺失或突变。在大肠癌中常有 Smad2，4 基因的失活。Smad2 或 Smad4/DPC4
16、在肿瘤中通过错义突变，无义突变、小的缺失、移码突变或在条染色体相关区域的缺失或失活，Woodford 等21证实大肠癌中 18q21等位基因的缺失导致了Smad4的突变。Smad2，4 的失活导致 TGF 介导的细胞生长、凋亡过程受损。Muraoka 等22在大肠癌细胞中用基因同源重组设计删除Smad4基因后，导致 TGF 及 TGF 家族的活化素失活，从而使细胞对 TGF 信号传导无反应。Karolien23报道，结肠腺瘤 Smad4基因突变阳性率为 0，结肠癌变后 Smad4基因突变阳性率为 10%，而结肠癌伴转移后 Smad4基因突变阳性率高达 35%，显示中、低分化结肠癌中突变Smad
17、4的表达较高分化肿瘤显著下降(P0.05)。Dukes型和Dukes、型患者的 Smad4表达也明显减少(P0.05)，这表明 Smad4表达异常（突变或数量减少）与肿瘤分化程度及 Dukes分期相关。目前对 TGF 的研究，是基于 TGF 受体结构的确立，为针对TGF 受体进行的基因治疗，将 TGFRIcDNA 和TGFRcDNA 转入结肠癌 GEO细胞株，使受体得以正常表达，恢复了 TGF 的细胞抑制作用。这些研究结果为 TGF 作为肿瘤抑制因子，进入基因水平调控和治疗奠定了丰富的理论基础。虽然针对TGF 及其受体的治疗措施尚处于实验阶段，如何使大肠癌细胞恢复对TGF 生长抑制的敏感性或使
18、 TGF 失活已成为治疗的重要策略之一。可以设想，随着对该转导通路及其功能变化的深入了解，对于阐明肿瘤发病机制乃至预后判断都有重要意义，并将成为大肠癌预防和治疗的新靶点。【参考文献】1王勇，许建明.转化生长因子 Smad 信号通路与结肠癌研究进展J.中华肿瘤防治杂志，2008，15（13）：1036-1039.2李志刚.转化生长因子 信号转导与结直肠癌J.中国普通外科杂志，2007，16（4）：372-374.3Shiou S R,Singh A B,Moorthy K,et al.Smad4 regulates claudin-1 expression in a transforming g
19、rowth factor-beta-independent manner in colon cancer cellsJ.Cancer Res,2007,67(4):1571-1579.4Pasche B,Knobloch TJ,Bian Y,et al.Somatic acquisition and signaling of TGFBR* 6A in cancerJ.JAMA.2005,294(13):1634-1646.5李毅，程勇.TGFSmad 信号转导通路与大肠癌发生、发展相关性研究的现状J.中华肿瘤防治杂志，2008，15（15):1181-1184.6Fukushima T,Mas
20、hiko M,Takita K,et al.Mutational analysis of TGFbeta type receptor,Smad2,Smad3, Smad4, Smad6 and Smad7 genes in colorectal cancerJ.J Exp Clin Cancer Res,2003,22(2):315-320.7Munoz N M,Upton M,Rojas A,et al.Trasforming growth factor beta type inactivation induces the malignant transformation of intest
21、inal neoplasms initiated by Apc mutationJ.Cancer Res,2006,66(20):9837-9844.8Suzuki H,Yagi K,Kondo M,et al.c-Ski inhibits the TGFbeta signaling pathway through stabilization of inactive Smad complexes on Smad-binding elementsJ.Oncogene,2004,23(29):5068-5076.9Kao JY,Gong Y,Chen CM,et al.Tumor-derived
22、TGF reduces the dfficacy of dendritic cell/tumor fusion vaccineJ.J Immunol,2003,170(7):3806-3811.10Tian F,DaCosta B S,Parks W T,et al.Reduction in Smad2/3 signaling enhances tumorigenesis but suppresses metastasis of breast cancer cell linesJ.Cancer Res,2003,63(23):8284-8292.11Derynck R,Zhang Y E,Sm
23、ad-dependent and Smad-independent pathways in TGFbeta family signalingJ.Nature,2003,425(6958):577-584.12Dinberg J,Hugander A,Sirsjo A,et al.A decreased levels of precursor transforming growth factor betal in human colorectal cancerJ.Int J MoIMed,2001,7(6):597-601.13Narai S,Watanabe M,Hasegawa Hi，et
24、al.Significance of transforming growth factor betal as new tumor marker for colorectal cancerJ.Int J Cancer ,2002,97(4):508-511.14唐华，张才全，向征.大肠癌组织中 TGF1 表达与癌细胞增殖活性的关系J.中华肿瘤防治杂志，2005，12(22):1735-1737.15Guzinska-Ustymowicz K,Kemona A.Transforming growth factor bera can be a parameter of aggressiveness
25、of Pt1 colorcctal cancer J.World J Gastroenterol,2005,11(8):1193-1195.16Chakrabarty S.Lin B R,Ragopal S.Disruption of transforming growth factor beta-regulated laminin receptor function by expression of antisense laminin,a chain RNA in human colon cancer cellsJ.J Cell Physiol,2001,186(1):47-52.17Zan
26、etti D,Poli G.4-hydroxynonenal and transforming growth factor-betal expression in colon cancerJ.Mol Aspects Med,2003,24(4-5):273-280.18Nagayama S,Onodera H,Toguchida J,et al.Altered expression of the receptor and ligand in the TGF beta signaling pathway in diffusely infiltrating colon carcinomaJ.Anticancer Res,2002,22(6B);3545-3554.19Jung B,Smith E J,Doctolero R T,et al.Influence of target gene mutations on surviva,stage and histology in sporadic microsatellite unstable colon cancerJ.Int J
