第三节 口腔颌面部肿瘤细胞迁移的机制 Section 3 Migration Mechanism of Oral and Maxillofacial Tumor Cells

口腔颌面部肿瘤作为全身肿瘤的一个分支,其肿瘤细胞的迁移机制与全身肿瘤细胞的迁移机制密切相关。
一、肿瘤转移基因
在细胞基因组中,具有促进肿瘤细胞浸润和(或)转移潜能的基因称为肿瘤转移相关基因。这类基因亦称为肿瘤转移促进基因。
1.CD44基因
CD44是一种由单一基因编码的具有高度异质性的多功能跨膜蛋白,分为标准型(CD44S)和变异型(CD44V)。CD44V主要表达于癌细胞,加强癌细胞的黏附和运动能力,通过CD44V分子的靠近、黏附作用,使瘤细胞很容易地穿透血管或淋巴管管壁,进入血液或淋巴液中,再穿出血管或淋巴管壁进入宿主靶组织、靶器官,促进肿瘤转移。有学者认为手术切除的肿瘤如有CD44V6蛋白阳性表达则预示术后复发率高,患者预后差。
2. c2erbB22
c2erbB22是一种原癌基因,其编码蛋白是一种表皮生长因子受体(epithelial growth factor receptor,EGFR),是一种具有酪氨酸激酶活性的跨膜糖蛋白,它与相应的配体结合后,启动刺激细胞增生的信号传递系统,促进细胞的过度分裂与增殖。当 c2erbB22基因被激活后,其编码蛋白表达水平显著上升,使EGFR蛋白介导的信号转导加强,从而导致细胞的生长加速,最终导致肿瘤浸润转移。有研究数据显示EGFR蛋白即 c2erbB22基因高表达的肿瘤显示其分化程度低、恶性程度高、进展快、复发转移率高和预后差。
3. maspin基因
maspin基因位于18q21.3,表达产物具有375个氨基酸。maspin与serpin超家族Ser蛋白激酶抑制物有重要同源性,与卵清蛋白也有31%同源性。maspin在恶性肿瘤细胞及浸润性癌中表达降低,转移灶中不表达。maspin分布在细胞外基质中,其活性与细胞膜相互作用有关。把 maspin基因转入MAD-MB-435哺乳动物肿瘤细胞,在体外maspin并不改变肿瘤细胞的生长特性,但能抑制裸鼠肿瘤细胞的产生、浸润和转移。目前研究认为maspin的RSL(reaction site loop)为扭曲的螺旋结构,对胰蛋白酶及胰蛋白酶样的蛋白水解酶的有限蛋白水解非常敏感,且RSL能与另一分子maspin形成二聚体或多聚体,提示RSL可能具有一种“开关”作用,即当RSL与一些直接参与细胞生长、浸润的因子结合,则发挥肿瘤抑制作用;但当它被水解时,则关闭maspin功能,使细胞生长及迁移。maspin的2个启动子Ets、Apl在原发肿瘤中功能降低,在转移、浸润癌中功能丧失。关于maspin的分子机制仍有待研究。
二、肿瘤转移抑制基因
肿瘤转移抑制基因亦称抗肿瘤转移基因,是近年来随着分子克隆技术的发展而认识和提出的一类与肿瘤有关的基因。由于此类基因在非转移肿瘤中呈高表达而在转移肿瘤中低表达,故认为其与抑制肿瘤的转移作用有关而得名。可见在细胞基因组中除存在肿瘤基因与肿瘤抑制基因外,同时存在肿瘤转移和抗转移两大正负调节的基因系统。但这两大系统是否亦存在像肿瘤基因与肿瘤抑制基因那样一种激活与灭活的关系,其具体的调控机制尚不清楚,尚待进一步探讨。目前认为具有肿瘤转移抑制作用的基因主要有 MHCnm23E- CadherinKAI1等。
1.组织相容性复合体基因
主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex,MHC),人类又称为HLA,MHC对免疫调节表现为T和B细胞限制性识别,即所有抗原只有经过MHC处理并和MHC结合才能为T、B细胞识别。大量的实验表明肿瘤细胞的MHC表达减弱,是肿瘤不呈现或仅呈弱的抗原性以及逃避监视而发生转移的主要原因。无论是自发肿瘤还是外源性物质引起的肿瘤均有异于正常细胞,肿瘤细胞异质性是肿瘤呈特异抗原的基础,这种抗原性物质必须在胞内由MHC识别、处理并与MHC结合后才能在细胞表达。大量实验表明肿瘤细胞MHC表达减弱,是肿瘤不呈现或仅呈弱的抗原性以及逃避其免疫监视而发生转移的主要原因。
2. nm23基因
nm23是发现的第一个肿瘤转移抑制基因。自从1988年首次分离出 nm23基因后,目前已发现了9个 nm23基因家族的成员。其编码蛋白具有多种生物化学功能,有些功能可能与它抑制肿瘤转移的作用有关。这些蛋白除了酶外,还与众多蛋白间有交互作用并可参与其他基因的转录。nm23在细胞中拥有多种生物学功能,这些功能主要取决于它在细胞中所处的位置:①它们与众多的蛋白间有交互作用;②核苷二磷酸激酶(nucleoside diphosphate kinase,NDPK)活性;③结合DNA、DNA核酸酶活性;④具有组氨酸、丝氨酸和苏氨酸,天门冬氨酸激酶活性。nm23在细胞中参与DNA和蛋白质合成、微管聚合/解聚、突触囊泡运输、信号转导。它能够调节细胞增殖、分化、迁移和凋亡,并影响胚胎的早期发育。这些功能,可能参与某些肿瘤的发展。但也有作者指出,nm23的重要生物学功能与其NDPK活性无关。
3.E-钙黏附蛋白基因
钙黏附蛋白(E-cadherin),也称上皮钙黏附素或CAD120/180。人类E-cadherin基因定位于16号染色体q22.1附近,于1993年被克隆成功。人类E-cadherin基因组DNA全长达100kb,含16个外显子。基因编码蛋白质E-cadherin是一类重要的钙黏附蛋白,分子量为124kD。该蛋白是一类介导同种细胞互相黏附的钙依赖性跨膜蛋白,参与形成和维护正常细胞间的联结。通过联结素与细胞骨架形成复合物,其活性也影响紧密联结、缝隙联结和桥粒联结。E-cadherin是肿瘤转移抑制基因,当E-cadherin基因突变或甲基化时,E-cadherin黏附功能失调,使癌细胞发生脱离而转移。
4. KAI1基因
Kang Ai 1基因( KAI1基因)定位于人类染色体11p11.2上,基因全长约80kb,含有10个外显子和9个内含子。该基因的cDNA长2.4kb,具有单一开放阅读框架,编码含有267个氨基酸的蛋白质,分子量约29.61kD,有4个跨膜结构域和一个细胞外亲水性结构域,在胞外结构域有3个潜在的糖基化位点。根据KAI蛋白结构特点,其属于细胞膜糖蛋白,跨膜4超家族成员(transmembrance 4super family,TM4SF)之一。TM4SF在细胞膜上的定位和广泛的糖基化表明,它们在细胞与细胞及细胞内与细胞外基质相互作用不可忽视,这对于肿瘤的侵袭及转移是十分重要的因素。前列腺癌、胰腺癌、乳腺癌、肺癌、膀胱癌等恶性肿瘤的研究证明 KAI1基因是一个重要的肿瘤转移抑制基因。
三、信号转导通路
1.鞘氨醇磷酰胆碱
鞘氨醇磷酰胆碱(sphingosylphosphorylcholine,SPC),又称溶鞘磷脂(lysosphingomyelin),被怀疑是癌症转移的启动子。溶鞘磷脂是一种具有生物活性的胞内外信号转导物质,能诱导细胞移行。首先发现于A型尼曼-皮克病(Niemann-Pick disease type A)患者脑部,其受体是胞膜上的卵巢癌G蛋白偶联受体1(ovarian cancer G-protein coupled receptor 1)。研究发现患有卵巢癌患者的腹水SPC明显高于良性卵巢肿瘤患者。
目前,SPC被怀疑是癌症转移的启动子,是具有生物活性的胞内外信号转导物质,能诱导细胞移行。显微镜下观察胰腺癌细胞是否SPC活动和胞内角蛋白(keratin)分布,可以大概了解SPC在癌症转移中的作用。角蛋白属于中间纤维,其作用维护细胞稳定,赋予胞体一定硬度。未经SPC处理的胰腺癌细胞的角蛋白均匀分布在细胞质中,而SPC处理的细胞可以观察角蛋白集中分布于细胞核周围,而细胞膜角蛋白浓度降低。角蛋白的重新分布使得癌细胞外围变得更有柔韧性,让其更容易通过其在基底膜打开的狭窄孔洞。SPC在口腔癌细胞迁移作用机制不清。
2.Rho家族蛋白
Rho家族蛋白是Ras超家族中最早被克隆的蛋白,是一组相对分子质量为20~25kD的三磷酸鸟苷(guanosine triphosphate,GTP)结合蛋白,具有GTP酶活性,习惯被称为Rho GTP酶。Rho GTP酶在细胞骨架重组调控具有重要作用。近年研究发现Rho GTP酶在多种恶性肿瘤中高表达,并和肿瘤的发生、侵袭和转移密切相关。Rho蛋白下游Rho相关卷曲螺旋形成蛋白激酶(Rho associated coiled coil forming protein kinase,ROCK)可提升肌球蛋白轻链的磷酸化水平,增加肌动-肌球蛋白收缩力,促使细胞在细胞外基质的迁移。抑制Rho/Rock通路能抑制肿瘤细胞张力纤维的收缩和细胞侵袭,显性激活(dominant active)的p160ROCK的质粒转染的人卵巢癌细胞具有更强的侵袭和迁移能力,而反义寡核苷酸处理用p160ROCK的癌细胞侵袭和迁移能力显著减弱。
RhoA主要参与对细胞形态改变,细胞与基质黏附及细胞骨架重组的调控,调节肿瘤细胞的侵袭转移过程。RhoC参与恶性肿瘤的发生、发展及恶性肿瘤的侵袭转移。1996年发现的RhoE蛋白与其他激活/失活状态的蛋白不同,RhoE持续与三磷酸鸟苷(guanosine triohosphte,GTP)结合,一直处于激活状态。2007年报道RhoE在肺癌患者表达异常,而且还与患者吸烟史相关。此外,RhoE不仅在细胞增殖方面具有调节作用,而且在细胞迁移发挥其功能,甚至将某些癌细胞引向细胞凋亡。RhoE在生长因子刺激和DNA损坏的情况下表达增高,提示其可能成为癌症标志物。RhoE阻止肌动蛋白的聚合和应力纤维的形成,导致细胞迁移减弱。
四、细胞黏附分子
大量研究表明,细胞黏附分子在肿瘤细胞迁移中发挥着双重作用。细胞黏附分子是特定介导细胞与细胞之间的粘连。一方面,肿瘤细胞必须先通过细胞黏附分子下调,从原发灶脱落;另一方面,肿瘤细胞又需要通过细胞外基质受体或内皮细胞配体的上调,与细胞外基质或血管内皮细胞黏附而移动,形成转移灶。这一过程与肿瘤细胞表达的膜表面黏附分子密切相关,无论是质或量的改变都会影响肿瘤细胞的侵袭及转移能力。细胞黏附分子包括整合蛋白、钙黏素、选择素等。
1.整合素和黏着斑激酶信号通路
整合素(integrin)是一组异二聚体,也是钙离子依赖性的细胞黏附分子。其介导细胞和细胞、细胞和基质间的相互作用。在维持组织整体性和调节细胞增殖、生长、分化以及迁移中,整合素具有关键作用。虽然没有特定整合素对应肿瘤表型的改变,并且不同肿瘤整合素表达各不相同,但是整合素与肿瘤的形成、生长、进展以及播散均密切相关。在恶性肿瘤细胞中,整合素的表达和功能是相互对应的。
黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)是分子量为125kD的酪氨酸激酶,缺乏跨膜区。已发现FAK分子中397和925位酪氨酸残基可被磷酸化,其活性随整合素在细胞膜表面聚集而升高。整合素成簇排列后可诱导FAK磷酸化而使FAK激活。此外,瞬间Ca离子浓度升高及蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)活性升高也可促进FAK磷酸化而活化。FAK C端序列与聚焦黏附部位趋近,称聚焦黏附靶(focal adhesion targeting,FAT)序列,桩蛋白(paxillin)也与FAK C端序列结合。在体外实验中,FAK N端序列与数种整合素β亚基胞内结构域的人工合成肽结合。这些结合使FAK分子与聚焦黏附部位接近,然后FAK分子中磷酸化酪氨酸位点与含SH2结构域(Src同源序列2,专一与蛋白质中含磷酸酪氨酸的模体结合)的胞内蛋白质结合。通过复杂的相互作用,激活以FAK为中心的整合素介导信号通路,这个过程即黏着斑的早期形成。在细胞黏着斑形成处,整合素吸引一批蛋白质到自己周围,形成一复合体,启动其对其他蛋白质的调控过程。研究表明整合素通过FAK信号通路增加细胞的移动能力、生存能力,甚至癌细胞的转移能力。FAK介导的信号转导通路是肿瘤细胞迁移中最为重要的细胞信号转导途径之一。理论上阻断其表达就有可能干扰细胞外基质对肿瘤细胞侵袭性生长的调控,进而达到抑制肿瘤细胞侵袭转移发生的目的。
口腔鳞状细胞癌(oral squamous cell carcinoma,OSCC)研究显示口腔癌细胞早期迁移与整合素β 1和α 6β 4表达的丧失和减低相关。而这些整合素的丧失或减低普遍表现在低分化高恶性的病损中。已知β 1亚单位整合素主要介导细胞与细胞外基质成分之间的黏附,α 6β 4整合素以层粘连蛋白为配体,参与形成半桥粒。此两种整合素表达水平的下调有利于肿瘤细胞从原发灶脱落。
2.钙黏素
钙黏素属亲同性细胞黏附分子,其作用依赖于Ca 2+。至今已鉴定30种以上钙黏素,分布于不同的组织。决定钙黏素结合特异性的部位在靠N末端的一个结构域中,钙黏素分子的胞质部分参与信号转导,胞外部分通过不同的连接蛋白质与不同的细胞骨架成分相连。属于跨膜糖蛋白的钙黏素家族对细胞连接起着十分重要的作用。蛋白激酶激活钙黏素发生磷酸化,改变细胞完整性和流动性。钙黏素失调与肿瘤细胞迁移相关。研究发现,在很多种癌组织如OSCC,细胞表面E钙黏素常有减少或消失,以致癌细胞易从瘤块脱落,成为侵袭与转移的前提,因此,学者认为E钙黏素可抑制细胞迁移。
3.选择素
选择素最初被称为外源凝集素细胞附分子家族(selectin cell abhesion molecule family,LEC-CAM family),穿膜的糖蛋白。选择素分子的胞质区与细胞内骨架相连。选择素分子的配体在体内分布较为广泛,已发现白细胞、血管内皮细胞、某些肿瘤细胞表面及血清中某些糖蛋白分子上都存在有选择素分子识别的碳水化合物基因。其介导白细胞与血管内皮细胞和血小板黏附,向炎症部位游走,介导肿瘤细胞与血管内皮细胞的黏附,辅助肿瘤细胞在迁移过程中穿行进出血管。
五、胞外基质
1.基质金属蛋白酶
基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMPs)是一个大家族,因需要Ca 2+、Zn 2+等金属离子作为辅助因子而得名。目前,MMPs家族已经分离鉴定26个成员,编号分别为MMP1-26。各种MMP间具有一定的底物特异性,但不是绝对的。MMPs几乎能降解细胞外基质中的各种蛋白成分,破坏肿瘤细胞侵袭的组织学屏障,在肿瘤侵袭转移中起关键性作用。因此,在肿瘤浸润转移中的作用日益备受重视,被认为是主要蛋白水解酶。Ⅳ型胶原酶为其中重要一类,主要有两种形式。非糖化形式分子量72kD被称为MMP-2,活化的MMP-2定位于细胞穿透基质的突出部位,在酶解细胞间基质成分及基底膜的主要成分Ⅳ型胶原中有“钻头”作用。MMPs活性受到三个水平调节,即基因转录水平、无活性酶前体经蛋白水解作用而激活和特异性抑制因子(tissue inhibitor of metalloproteinase,TIMP)的作用。
2.Twist因子
上皮细胞间充质转化(epithelial-mesenchymal transitions,EMT)是具有极性的上皮细胞转换成具有活动能力、能够在细胞基质间自由移动的间质细胞的过程。它是一种基本的生理病理现象,参与胚胎的发育、伤口的愈合和肿瘤转移。研究证实,在包括口腔鳞状细胞癌、乳腺癌等多种上皮源性的肿瘤中,肿瘤细胞由非侵袭性向侵袭性发展的过程中,往往伴随有EMT发生,EMT在上皮源性的肿瘤侵袭、转移中发挥极其重要的作用,它已成为上皮源性的肿瘤侵袭、转移进程中的里程碑。近年研究发现,Twist是诱导肿瘤EMT过程中的关键调控因子,在EMT与肿瘤侵袭、转移关系的研究中,Twist越来越受到人们的关注。Kwok等采用RNAi技术抑制雄激素非依赖性前列腺癌细胞系DU145和PC3的Twist表达,结果显示Twist功能失活可抑制癌细胞的迁移和侵袭能力。Elias等研究显示人胶质瘤细胞过表达Twist可明显增加细胞的侵袭能力。这些结果证明Twist对肿瘤的侵袭和转移有重要影响。最近,在口腔鳞状细胞癌细胞株和口腔鳞状细胞癌临床标本的研究提示Twist与口腔鳞状细胞癌侵袭和转移密切相关。尽管一些研究显示转录因子Twist可能通过直接与E-box位点结合方式下调EMT标志性分子E-cadherin表达而参与调控肿瘤侵袭、转移,但是Twist除了调控E-cadherin外,是否还调控其他侵袭、转移相关基因的表达,以及Twist是否通过调控某些下游关键靶分子,调控这些基因表达而促进肿瘤细胞侵袭和转移,这些具体机制仍不清楚,有待于进一步深入研究。目前,MicroRNAs与肿瘤侵袭、转移关系的研究才刚刚开始,对MicroRNAs上下游调控信号通路了解更少,特别是谁在上游调控MicroRNAs。根据目前研究分析推测一些肿瘤相关转录因子可能参与MicroRNA上游调控。乳腺癌研究发现直接调控乳腺癌转移相关MicroRNA-10b正是在EMT发挥关键调控作用的转录因子——Twist,这一结果暗示Twist可能通过调控一些转移相关的MicroRNAs而促进肿瘤侵袭和转移。