上皮細胞間質化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是上皮細胞通過特定程序從黏附細胞形態向具有間質表型游離細胞形態轉化,并獲得侵入細胞外基質能力的一系列轉化過程。這種后天獲得運動能力的細胞在移行過程中可再次向上皮細胞或其他細胞類型轉變,即間質細胞上皮化(mes-enchymal-epithelial transition,MET)。EMT與MET的相互轉化與腫瘤的發生、發展、轉移關系密切[1-2].目前,EMT與腫瘤關系及其臨床應用已成為研究熱點。
1 EMT在生理過程中的作用
1.1上皮細胞和間質細胞的特點
根據上皮細胞和間質細胞在形態和功能上的不同,參與EMT過程的這兩種類型細胞有以下特點:(1)上皮細胞由單層/多層立方細胞或柱狀細胞有規律的排列,它們由細胞間黏附復合體緊密黏附在一起,其基底膜具有使上皮細胞與其他組織分離的特性,顯示出頂端-基底極性。(2)間質細胞由于缺乏細胞間連接和極化作用,以個體細胞的形式存在于基質中[3].
1.2 EMT的功能分型EMT過程根據不同的功能影響分為3種類型
Ⅰ型EMT與胚胎形成、器官發育相關,包括在胚胎發育時期原始的上皮細胞向移行的間充質細胞轉變的過程。
著床后第1次EMT發生在胚層分化清楚后的原腸胚,初級EMT分化產生不同的細胞類型,中胚層細胞沿著胚胎中軸線壓縮形成不同的細胞。除脊索以外,所有來源于早期中胚層的胚胎結構都將通過連續的EMT和MET改變最后形成不同的器官和組織[1,4].Ⅱ型EMT與創傷修復,組織再生和器官纖維化有關[5-6].
在創傷和炎癥損傷刺激下,組織中成熟上皮或內皮細胞轉化形成成纖維細胞及其他相關細胞,導致組織重構,這種EMT過程在刺激消失后終止[2,7].Ⅲ型EMT與腫瘤形成及轉移相關,發生轉化的上皮癌細胞在基因(特別是與克隆產物相關的基因)和表觀遺傳學方面與正常上皮細胞不同,在局部腫瘤的發展過程中起重要作用:癌細胞向間質細胞表現轉化而具有侵襲性并向腫瘤發展[5].成人生理的EMT是一個形態學過程,特征是從上皮表型到間質特性的轉變,細胞凋亡和替換比率與組織功能保持著平衡,從而維持內環境的穩態。上皮細胞保持著動態結構,在組織生長和分化過程中,有大量的分子機制保證其最后的完整性,伴隨著E-鈣黏蛋白(E-cadherin)等上皮標志物及波形蛋白(vimentin)等間質性標志物的不同表達[8].
2 EMT發生的主要信號調控途徑
在細胞水平,參與EMT生理和病理調節的效應分子及信號轉導通路相類似,在上皮細胞向間質細胞重建的復雜過程中,有許多誘導信號和轉錄因子及多個正反饋環路發生,刺激因素包括生長因子信號,腫瘤間質細胞相互作用和缺氧等,主要信號途徑有轉化生長因子-β(TGF-β)信號通路、Wnt信號通路和PI3K/AKT信號通路等[9].
EMT一般通過不同的信號誘導上皮細胞轉化,這些信號通常由正常組織和腫瘤組織的間質細胞釋放。
EMT可以被細胞外基質成分和生長因子誘導,TGF-β是比較重要的因子,調控著下游多個信號通路,通過β-整合素信號傳導途徑促進smad依賴的轉錄過程而發揮作用。TGF-β可通過自分泌而作用于腫瘤細胞本身,也可通過旁分泌而調節細胞外基質,導致腫瘤細胞通過EMT而發生形態學改變,使侵襲和轉移能力增強。
Wnt信號途徑由Wnt蛋白、卷曲蛋白(frizzled,Fz)、APC蛋白、糖原合成酶激酶GSK3、Axin蛋白、β-連接素(catenin)、T細胞轉錄因子/淋巴增強因子 (T cell transcription fac-tor/lymphoid enhancer factor,TCF/LEF)家族組成,可激活下游靶基因,誘導EMT發生。
PI3K/AKT通路可下調E-cadherin和β-catenin,上調波形蛋白,發生EMT.
Hedgehog,Notch等信號轉導途徑及整合素信號途徑也可協調EMT程序[10].分散因子/肝細胞生長因子 (SF/HGF),成纖維細胞生長因子(FGF),表皮生長因子家族(EGFs)和胰島素樣生長因子1和2(IGF-1、2)等均可通過相應信號途徑促進EMT的發生[11].
3 EMT發生的機制及其相關標記物
癌細胞侵襲性是通過入侵和破壞基底膜而獲得,并最終導致癌細胞轉移傳播。
EMT過程的活化是上皮癌細胞獲得惡化表型的關鍵機制。發生在上皮癌細胞的EMT屬Ⅲ型EMT,它們從遺傳學和表觀遺傳學上與正常上皮細胞不同。在腫瘤微環境中癌細胞間能夠相互作用,通過自分泌和/或旁分泌生長因子、細胞因子和細胞外基質蛋白等而誘導EMT.在EMT表達下調的有E-cadherin、緊密連接蛋白-1(zonula occludens-1,ZO-1)細胞角蛋白、Ⅳ型膠原蛋白、層板蛋白1(laminin 1)等,上調的有N-鈣黏蛋白、成纖維細胞特異性蛋白1(fibroblastspecific protein1,FSP-1)、α-平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscleactin,α-SMA)、細胞間絲波形蛋白、β-catenin等。這些癌細胞具有特定的基因突變以啟動和維持EMT程序[12].
癌細胞中激活的EMT程序中有許多功能步驟,與發育和生理過程中的EMT過程相同。在上皮癌中EMT導致細胞膜鈣黏蛋白從E-cadherin到N-鈣黏蛋白轉換,E-cadherin表達的下調或者缺失是EMT典型特征,導致上皮腫瘤細胞侵襲和轉移[5].EMT與其轉錄 因 子特別是Snail,Slug,zinc finger E-box binding homeobox 1and 2(ZEB1and 2),Twist,Goosec-oind and FOX2等表達水平和功能相關,Smad與DNA結合后可誘導對TGF-β信號的轉錄應答,與β-catenin/LEF-1信號通路共同維持上皮間質轉化后間葉表型。
Wnt信號異常激活后使游離的β-catenin累積,并形成β-catenin/LEF-1復合物,該復合物進入細胞核后調控靶基因轉錄,誘導EMT發生。Snail,Slug和Twist與E-cadherin的啟動子E-box結合,抑制E-cad-herin表達,引起EMT發生[5-6].這些標記物在細胞發生EMT轉變時出現,但其水平并不與參與EMT過程的上皮細胞的階段相一致。
用生長因子如TGF-β,HGF,表皮生長因子受體(EGFR)和IGF等可誘 導體 外乳腺癌細胞株發生EMT.這些細胞Twist和Snail的異位表達使間質細胞表型和干細胞標記物增加而誘導EMT,使乳腺癌干細胞獲得侵襲和轉移能力。
Weng等[13]證明在乳腺癌小鼠癌癥轉移與EMT相關,發生EMT的乳腺細胞經FSP1/S100A4啟動子激活獲得轉移能力,并在體內可被檢測出。在基質特異和上皮特異的轉基因小鼠體內腫瘤發展過程中可直接顯示EMT.用3只不同癌基因控制的小鼠乳腺癌模型和細胞原基分布圖方法,可證明體內乳腺癌中EMT存在及myc在這一過程中的作用。在視網膜母細胞瘤、骨肉瘤、小細胞肺癌、結腸癌、前列腺癌、膀胱癌和乳房癌中成視網膜細胞瘤腫瘤抑制蛋白(Rb)缺失或低水平表達,這在乳腺癌中更常見,誘導EMT部分依賴E-cadherin的減少,使乳腺癌轉移增強。相應的,增加Rb可抑制EMT[14].在腫瘤-基質分界面和侵襲性乳腺癌中也有Snail1的表達。而Snail2的表達與腫瘤滲出、轉移和復發有關。對乳腺癌模型的研究表明EMT不 是 單 一 的腫瘤類型,而是源于多種機制的多種表型[15].
研究表明EMT途徑的活化與組織學分級有關,相對于低級別腫瘤,參與EMT的基因上調與低分化癌相關,Twist的高表達與高級別侵襲性腫瘤相關。相對于其他類型的侵襲性乳腺癌,基底樣腫瘤其間質細胞標記物(波形蛋白,N-鈣黏蛋白,鈣黏蛋白-11)高表達,E-cadherin低表達的更易遠端轉移,預后差[16].臨床上可通過找到EMT特定的基因特征鑒定EMT,幫助診斷并預測腫瘤患者的預后。
4 miRNA對EMT的調控及臨床意義
miRNA參與腫瘤細胞表型轉化的發生與調節,其異常表達與EMT相關:微陣列分析表明EMT過程中的細胞miR-200家族和miR-205表達下調,調節特定抑制蛋白ZEB1和ZEB2,從而抑制E-cadherin表達,引起EMT發生[17].ZEB和miR-200家族成員不僅有相反的功能,而且相互調節對方的表達,形成了一組因素的激活強烈影響另一組的表達的雙負反饋環路,促進miR-200家族和ZEB分別維持EMT和MET轉化[18].在EMT與MET轉化過程中,CDH1是至關重要的基因,miRNA可直接靶向CDH1,也可直接調控相關轉錄因子而間接作用于CDH1,從而決定EMT/MET轉換。
miR-9、miR-23a和miR-25均可直接靶向CDH1而引起EMT的發生,分別促進乳腺癌、肺癌和食管鱗狀細胞癌的轉移[19].
miR-138可靶向波形蛋白和ZEB2等基因,降低Snail和HDAC1/2的表達,進而間接抑制CDH1的表達,誘發鼻咽癌EMT[20].
TGF-β、Twistl、E47、Snail1和Snail2等可與CDH1的啟動子E-box結合而抑制其表達,促進腫瘤的轉移[21].
Ma等[22]發現與人乳腺上皮細胞或自然永生細胞MCF-10A相比,轉移乳腺癌細胞株中miR-10b上調,在乳腺癌移植瘤模型中其高表達可誘導侵襲和轉移。在惡性乳腺癌和乳腺癌細胞株中miR-21,miR-9和miR-155呈現高表達[23].與乳腺導管癌相比,基底部和化生的乳腺癌中miR-200水平下調,使其具有高侵襲性。原發癌和相應的轉移癌相比較,在原發癌中miR-10b,miR-21和miR-155水平較低而miR-200水平較高,提示可通過操縱這 些EMT相關miRNA來控制轉移過程[24].
miR-200家族可成為腫瘤治療的潛在靶點。在人乳腺癌中,miR-103/107在體外可增加癌細胞遷移能力,在體內可參與轉移傳播,高水平的miR-103/107與轉移和不良預后有關,miR-103/107還可通過下調miR-200水平誘導EMT[25].因此,臨床上可以通過了解癌細胞EMT狀態和miRNA的表達情況來預測其侵襲和轉移能力,判斷患者的預后。針對參與EMT過程中的蛋白和miRNA這些潛在靶點,可開發特異性治療方案,從而防止腫瘤侵襲、轉移、復發和耐藥。
5結語與展望
EMT改變在生理和病理方面扮演了重要角色,尤其在腫瘤遷移和侵襲過程,EMT是腫瘤轉化瀑布中重要的一步。EMT和MET轉換在腫瘤細胞可塑性調控機制中起到了非常關鍵的作用,對于腫瘤轉移復發和腫瘤細胞的治療耐受現象也有重要作用。隨著研究的深入EMT的調控機制已經取得了一些進展,但其確切的調控機制還有待進一步研究證實。