TGF?β/Smads信号转导途径与肿瘤发生发展的关系

转化生长因子?β(Transforming growth factor，TGF?β)信号传导通路在发育和生长过程中有重要作用。通路中任一环节的变化，都会导致信号转导异常，可能与肿瘤发生、及肿瘤的转移有密切关系［1］。Smads蛋白是TGF?β惟一的作用底物，能把TGF?β信号从细胞外传递到细胞核的中介分子，是该信号通路中的关键步骤［2］。因此深入研究TGF?β/Smads信号转导途径与肿瘤发生发展的相关性，对肿瘤转移的防治有重要意义。

    1  TGF?β超家族及其受体

    1.1  TGF?β超家族

    TGF?β超家族包含许多种结构上相关的多肽段生长因子，包括：TGF?β亚型，activins/inhibins(激动子/抑制子)，骨形态发生蛋白(Bone morphgenetic proteins，BMPs)，苗勒抑制素(Mullerrian inhibiting substance,MIS)等。TGF?β有5种异构体形式，哺乳动物体内只有TGF?β1～3 3种。大量［3-4］ 报道，TGF?β超家族在调节细胞的生长、分化、凋亡、黏附、细胞外基质合成与沉积、胚胎发生和组织修复、炎症反应及纤维化中起着重要的作用。信号转导异常与肿瘤的发生有着密切的关系。

    TGF?β在肿瘤组织中起到了一个复杂的双向作用。肿瘤发生早期，TGF?β通过其广泛的多细胞抑制起到一个肿瘤抑制子的作用，而在肿瘤形成后，则起到促其增殖作用［1］。这可能是由于TGF?β信号的胞内介导子在肿瘤组织中失活造成TGF?β的增殖抑制作用减低，导致肿瘤的发生，而TGF?β自身又反馈性的表达增高。增高的TGF?β虽失去了抑制肿瘤的生长作用，却没有丧失对免疫细胞(NK细胞，LAK细胞等)的抑制作用，因此造成肿瘤细胞发生免疫逃避，从而促进肿瘤细胞的浸润和转移［5］。

    1.2  TGF?β受体

    TGF?β与受体结合是信号传导的第一步，现在认为在细胞膜表面存在着4种TGF?β受体， 受体Ⅰ、Ⅱ具有丝/苏氨酸蛋白激酶的活性，其介导了两步磷酸化级联。TGF?β家族成员首先与受体Ⅱ结合并激活，再与受体I结合形成复合物，并通过磷酸化途径激活受体I。受体I、Ⅱ可通过其结构区分，如：受体Ⅰ有一个短的胞内片段和一个与激酶区域紧紧相连的GS区域。在这段约30个氨基酸的区域中包含一个甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸的序列TISGSGSG，GS区域的磷酸化和受体Ⅰ、Ⅱ的激活在TGF?β信号中有非常重要的作用［6］。受体Ⅲ是由853个氨基酸组成的蛋白多糖，具有特征性的膜镶嵌结构，可作为TGF?β的胞外储存库，调节活性TGF?β与受体复合物间的接触［7］。

    2  Smads蛋白在TGF?β信号转导中的作用

    2.1  Smads蛋白亚家族

    Smad是Mad和Sma蛋白及其类似物的统称。至今在哺乳动物已经分离鉴定的Smad蛋白有9种，用Smad1～9表示。Smad蛋白分子量为(4～6)×104，其一级结构分3个功能区：高度保守的N区(MH1)和C区(MH2)及富含脯氨酸(Pro)、序列长度不一的中间连接区(L)。MH2是功能效应区，MH1是MH2的功能抑制区。Smad蛋白的MH1与IVIH2以结合状态存在，当受体与配体结合被活化后两者解离，形成Smad复合体向核内移行，在此引起靶基因的转录［8］。

    根据其结构和功能不同可分为3类：①受体特异型Smad(receptor?specific Smad，R?Smad)，由受体Ⅰ所激活的Smad蛋白，包括Smad1、2、3、5、8等，他们在TGF?β超家族信号传递中发挥作用。②共同型Smad(common mediator Smad，Co?Smad)，在人类中是Smad4，当受体特异型Smad被磷酸化后即与受体Ⅰ分离，Smad4便与受体特异型Smad在胞质中结合形成杂聚体，然后转位至细胞核内调节靶基因的转录。③抑制型Smad(inhibitory Smad，I?Smad)，包括Smad6、7，在TGF?β信号传导过程中起到负调节的作用。Smad7与受体特异型Smad竞争性地与受体Ⅰ相结合，由于Smad7与受体Ⅰ的亲和力大于R?Smad，它可以完全抑制R?Smad与受体Ⅰ相互作用和磷酸化，从而抑制信号的传递。Smad6是TGF?β超家族中BMP信号系统的抑制因子，它除了可以抑制受体特异型Smad与受体I相结合，还可以通过与Smad1相互作用来阻止Smad1和Smad4的结合，抑制信号的传递。

   2.2  TGF?β信号通路传导过程

    TGF?β首先与受体Ⅱ结合并将其激活，再与受体I结合通过磷酸化途径激活受体Ⅰ，活化的受体Ⅰ依次磷酸化Smad2、3羧基端的SSXS模序，从而激活Smad2、3，受体Ⅰ的L45环与Smad2、3的MH2区的L3环决定了Smad2、3是受体Ⅰ的惟一底物［9］。活化的Smad2、3形成同型复合体，并与Smad4结合形成异型复合体，后易位于胞核，单独或(和)其他转录调节因子协同调节靶基因的表达［10］。在TGF?β信号传导通路中Smad6、7通过与Smad2、3竞争相结合受体Ⅰ以及干扰Smad2、3和Smad4的结合来抑制TGF?β信号的传导。Smad4在信号转导过程中起到瓶颈作用。

    3  TGF?β/Smads对细胞周期的调控作用

    TGF?β通过细胞周期G1期抑制不同类型细胞的增殖，其抗增殖效应是多重机制，具有细胞特异性，例如：在人类角化细胞系，TGF?β正调控CDK抑制因子p15、p21的表达，其抑制CDK4/6?cyclin D和CDK2 cyclin E介导成视网膜母细胞瘤的磷酸化。然而在其他类型细胞中，TGF?β可有效的增加p15的转录。p27结合cyclin D1?CDK4，其复合物可结合并抑制cyclin E?CDK2。TGF?β是通过Spl结合位点正调控p27和p15的表达。Spl是维持p15转录的基本因素［11］。TGF?β诱导的Smad2、Smad3、Smad4与Spl结合形成复合体，促进p15的表达。

    C?Myc可通过与Smads相互作用而连接到p15基因启动子上的Sp1.Smad复合物［12］。近期研究［13］证实，c?Myc TIE由抑制性Smad连接元件(RSBE)和E2F重叠组成，至少与Smad3、Smad4、E2F4和p107连接。有研究［14］发现，c?Myc抑制TGF?β激活p15启动子的过程。Myc相关转录因子(Miz?1)，可与CDK抑制因子p15启动子转录起始元件(Inr)结合，促进p15表达，在缺乏TGF?β对c?Myc的抑制时，c?Myc和Max与Miz?1形成复合物，阻断了Miz?1与Inr结合而激活的转录作用。

    4  TGF?β/Smads信号传导通路与肿瘤

    肿瘤分子生物学研究表明，TGF?β/Smads与肿瘤的发展密切相关。在早期，对肿瘤的生长呈抑制作用，通路中任一元件发生突变都将会影响信号的传递，使细胞逃避TGF?β介导的生长抑制作用，从而具有选择性生长优势，导致肿瘤的发生与发展［1］。但对于进展期和晚期肿瘤呈促进作用，并能增强其侵袭力和恶性程度［15］。4.1  TGF?β/Smads在肿瘤中的突变

    多项研究证明多种不同病理类型实体瘤细胞(如胃肠道癌、肝癌、肺癌、食管癌)存在着多种TGF?β/Smads信号传导通路的突变。TGF?β受体和Smads的突变可使肿瘤细胞对TGF?β诱导的生长抑制和凋亡作用有抗性。TGF?βⅠ型受体基因位于9p22，恶性肿瘤中TGF?βⅠ型受体缺失或突变相对少见。TGF?βⅡ型受体基因位于3p22， 已在人头颈部、胃、结肠、乳腺、卵巢多种肿瘤中鉴定了TGF?βⅡ型受体的不同形式突变。目前已证实，肿瘤细胞逃避TGF?β负调控的常见机制是TGF?β受体表达受抑制。如在口腔鳞癌中TGF?β受体表达下降［16］。将dnTGF?βⅡ型受体cDNA转染到TGF?β抑制的口腔鳞癌细胞系，促进肿瘤细胞的生长和肺转移［17］。由此可知TGF?βⅡ型受体基因的改变及因此造成的mRNA及蛋白质的变化，是造成癌细胞逃避TGF?β的自分泌及旁分泌控制的机制之一。

    Smads基因突变或功能失活在人类肿瘤的发生中起着重要的作用。已经发现约50%胰腺癌存在Smad4/DPC4缺失和突变；直肠癌、头颈部肿瘤中发现Smad2突变，肝细胞癌有Smad2和Smad4基因突变。二者均定位于18q21，在Smad2和Smad4的MH2结构域经常发生点突变和移码突变，产生早熟的蛋白。Smad4的MH2结构域突变破坏了蛋白的核心结构，从而丧失了形成Smads蛋白复合体，阻断了受体依赖的R?Smad磷酸化作用或产生不稳定的Smads蛋白，并可以引发MH1和MH2亲和力增加，进而阻滞TGF?β对癌细胞的抑制作用［6］。在MDCK细胞系中，过表达两种Smad2的肿瘤突变体(Smad2.D450E和Smad2.P445H)可促进诱导的细胞浸润。两种突变体保留了部分TGF?β依赖的信号传导功能。Smad4蛋白MH1结构域的错义突变导致Smad4蛋白与DNA 结合能力明显降低，MH1结构域与DNA结合。一些突变引起Smad蛋白稳定性降低，特别是Smad4.R1ooT和Smad2.R133C迅速通过泛素?蛋白酶途径降解。有些Smad4突变蛋白(Smad4.G65V、Smad4.P130S)，TGF?β刺激后在核内积累，并不执行功能［18］。这样，Smad基因的错义突变通过不同的机制削弱或改变了TGF?β信号转导途径，诱导肿瘤的始动。

    4.2  TGF?β/Smads信号传导通路与肿瘤的浸润和转移

    对4NQO诱导的15个大鼠口腔癌细胞系TGF?β的自分泌状况的研究中发现，与正常对照组相比，有12个细胞系TGF?β的分泌减少，其中6个细胞系未检出TGF?β，而另外3个细胞系分泌了较多的TGF?β，还发现TGF?β分泌量的多少与肿瘤恶性程度无关。有人将TGF?β cDNA转染到人恶性口腔上皮角化细胞系(BICR31和H314)，可抑制细胞的生长和肿瘤的形成。同时有研究发现，TGF?β不仅抑制细胞的生长，同时还抑制肿瘤细胞的肺转移 。而Dunning等［19］研究发现TGF?β1基因的单核苷酸多态(single nucleotide polymorphisms)连锁不均衡可引起TGF?β1分泌增加，促使乳腺癌细胞侵袭力增强。

    对肿瘤的生长和浸润起重要作用的是肿瘤血管，血管提供肿瘤细胞营养和氧分。肿瘤细胞内渗到血液系统，导致肿瘤转移。TGF?β在正常的血管发生和保持血管完整性有重要作用。TGF?β在肿瘤细胞中可诱导表达血管内皮生长因子、金属蛋白酶MMP?2和MMP?9，负调控金属蛋白酶抑制因子，从而为蛋白酶提供丰富的微环境，有利于肿瘤细胞的迁移和浸润适当的血管上皮细胞，直接或间接的纵容了肿瘤细胞的转移。肿瘤细胞的浸润和转移，必然会引起血液中和继发灶的免疫应答反应。TGF?β是潜在的免疫抑制因子，同时也是免疫调控因子。激活的TGF?β信号系统还可抑制淋巴细胞的分化、增殖和功能的激活；TGF?β信号还可抑制B细胞免疫球蛋白的合成，TGF?β1在肿瘤细胞中过量表达破坏了宿主T细胞介导的细胞毒性作用，纵容了肿瘤细胞的进一步。

    5  展望

    TGF?β是机体正常细胞及上皮性肿瘤细胞生长的负调控因子。大量研究表明，TGF?β是重要的肿瘤抑制物，但也参与了肿瘤的发生、进展和转移等各个方面。其受体尤其是TGF?βⅡ型受体的表达缺失是肿瘤发生的一个重要原因。Smads是TGF?β家族中重要的细胞内介质，由胞膜上丝氨酸，苏氨酸激酶受体激活，将信号传导至细胞核，并在细胞核中起转录子的作用。不同的刺激可对Smads蛋白的活性起到正调控或负调控作用。Smads基因突变或功能失活与人类肿瘤的发生密切相关。随着对TGF?β/Smads信号传导通路及其与肿瘤关系研究的不断深入，人们对此通路在肿瘤演进过程中的作用机制的认识不断增加，这对阐明肿瘤的发生机制及对肿瘤预防和临床都将具有十分重要的意义。

【】
  ［1］ Subramanian G, Schwarz R E, Higgins L, et al. Targeting endogenous transforming growth factor beta receptor signaling in SMAD4?deficient pancreatic carcinoma cells inhibits their invaaive phenotypel［J］. Cancer Res,2004,64(15):5200-5211.

［2］ Shi Y. Structural insights on Smad function in TGF?beta signaling［J］. Bioessays,2001,23(3):223-232.

［3］ Hatal A. TGF?beta signaling and cancer［J］. Exp Cell Res,2001,264(1):111-116.

［4］ Moustakas A, Souchelnytskyi S, Heldin C H. Smad regulation in TGF?beta signal transduetion［J］. J Cell Sci,2001,114(Pt 24):4359-4369.

［5］ 徐进，文继舫.SMAD4研究的新进展［J］.国外医学·生理、病理与临床分册，2002,3(3):310-312.

［6］ Miyakia M, Kuroki T. Role of Smad4 (DPC4) inactivation in human cancer［J］. Biochem Biophys Res Commun,2003,306(4):799-804.

［7］ Rich J, Borton A, Wang X. Transforming growth factor?beta signaling in cancer［J］. Microsc Res Tech,2001,52(4):363-373.

［8］ Rooke H M, Crosier K E. The Smad proteins and TGF?beta signalling: uncovering a pathway critical in cancer［J］. Pathology,2001,33(1):73-84.

［9］ Massague J, Chen Y G. Controlling TGF?beta signalling. Genes Dev,2000,14(6):627-644.

［10］Massague J, Blain S W, Lo R S. TGF?beta signaling in growth conlorl, cancer, and heritable disorders［J］. Cell,2000,103(2)295-309.

［11］Feng X H, Lin X, Derynck R. Smad2, Smad3 and Smad4 cooperate with SP1 to induce p15(Ink4B) transcription in response to TGF?beta［J］. EMBO J,2000,19(19):5178-5193.

［12］Feng X H, Liang Y Y, Dang M, et al. Direct interaction of c?Myc with Smad2 and Smad3 to inhibit TGF?beta?mediated induction of the cdk inhibitor p15(Ink4B)［J］. Molecular Cell,2002,9(1):133-143.

［13］Frederick J P, Liberati N T, Waddell D S, et al. Transforming growth factor beta?mediated transcriptional repression of c?Myc is dependent on direct binding of Smad3 to a novel repressive Smad binding element［J］. Mol Cell Biol,2004,24(6):2546-2559.

［14］Staller P, Peukert K, Kiermaier A, et al. Repression of p15INK4b expression by Myc through association with Miz?1［J］. Nature Cel Biology,2001,3(4):392-399.

［15］Maurice D, Pierreux C E, Howell M, et al. Loss of Smad4 function in pancreatic tumors: C?terminal truncation leads to decreased stability［J］. J Bilo Chem,2001,276(46):43175-43181.

［16］Logullo A F, Nonogaki S, Miguel R E, et al. Transforming growth factor beta1 (TGFbeta1) expression in head and neck squamous cell carcinoma patients as related to prognosis［J］. J Oral Pathol Med,2003,32(3):139-145.

［17］Huntley S P, Davies M, Matthews J B et al. Attenuated type Ⅱ TGF?beta receptor signaling in human malignant oral keratinocytes induces a less diferentiated and more aggressive phenotype that is associated with matastatic dissemination［J］. Int J Cancer,2004,110(2):170-176.

［18］Kang Y, Mariano J M, Angdisen J, et al. Enhanced tumorigenesis and reducedtransforming growth factor?beta type Ⅱ receptor in lung tumors from mice with reduced gene dosage of transforming growth factor?beta1［J］. Mol Carcinog,2000,29(2):112-126.

［19］Dunning A M, Ellis P D, McBride S, et al. A transforming growth factor beta1 signal peptide variant increases secretion in vitro and is associated with increased incidence of invasive breast cancer［J］. Cancer Res,2003,63(10):2610-2615.