Smad4在肿瘤中的研究进展

2022-09-10

1 Smad4的发现和鉴定

人类第18号染色体长臂区域上的等位基因杂合性缺失是多种肿瘤的频发事件, 迄今在这一区域已经发现和鉴定了多个肿瘤抑制基因, 如DCC、MADR2/JV18-1、DPC4 (Smad4) 等。其中Smad4蛋白是TGF-β信号传递途径的必需物质, 处于中枢地位。1995年, 有学者在研究黑腹果蝇Dpp体内信号的转导时, 发现Dpp I型受体细胞内信号的下游分子, 并克隆其基因, 这个基因被命名为Mad, 随后有学者克隆出Mad相关基因sma2、sma3、sma4, 并认为其为mad同源物, 在体内可以形成复合物并协同发挥作用。后来人们将各种mad相关蛋白统一命名为Smad, 因此这类蛋白统称为Smads蛋白。当前包括Smad1-9, 它们都存在于细胞质中, 作用是将TGF-β/Smads信号转导入核内并参与TGF-β靶基因的调节。

Smad4作为Smads蛋白家族的重要成员, 其基因定位于染色体18q21.1, 含有11个外显子, 10个内含子, 其核苷酸序列保存在Gen Bank的U44378中, 基因的转录子长2680bp, 是编码552个氨基酸残基组成的蛋白质。Smad4蛋白是通过研究多重终止密码子和启动子拼接位点而确定的。Smad4的一级结构分为3个区:N端区、C端区和中间连接区。N端区和C端区与其他动物的MAD蛋白高度同源, 因此也称MH1和MH2, 中间连接区富含脯氨酸。Smad4与其它的Smad不同, 其MH2没有磷酸化结构SSXS, 单独存在不足以行使信号传导功能, 必须有部分中间连接区才能传递信号, 这部分称为Smad4的活性区。Smad4被认为是通用调节分子, 因为它几乎能与所有活化的受体调节型Smads蛋白结合, 并形成低聚体复合物, 参与信号转导。

2 Sm ad4蛋白的功能及作用机理

Sm a d 4蛋白与TGF-β密切相关, 是TGF-β受体信号传导途径的重要成员。TGF-β是一种多功能多肽, 在组织的发育、再生及修复中起重要作用;TGF-β还是一种具有多功能活性的细胞因子, 其可以调节细胞增殖、分化和凋亡, 对多种细胞因子有重要影响。TGF-β有两型受体, 每一型均含有细胞内有丝氨酸/苏氨酸激酶区。TGF-β细胞因子信号传导通过TGF-βI型、II型受体完成, 这两种受体都有一跨膜片断, 外端暴露于细胞外, 内端插在胞浆中。它们也是丝氨酸/苏氨酸激酶, 通过活化受体的磷酸化, 从而使受体调节型Smad也活化。活化的受体调节型Smad协同Smad将受体信号传到核内。许多Smad基因都介导了TGF-β超家族的功能, 包括骨形成蛋白、活化素和TGF-β。Sm a d 4在肿瘤中发病中, 常常突变, 突变类型以点突变为主, 还可以有错义突变、无义突变、移码突变等, 突变后的Sm ad 4蛋白构象发生改变, 不能与磷酸化的Sma d2和Sma d3结合, 从而不能发挥调控转录的作用。Smad4的MH1域突变并不影响其本身的活性, 但突变型的Smad4比野生型的更容易被激活泛素连接酶降解。磷酸化的TGF-β被激活后, 可活化Smads蛋白, 主要是Smad4, 进而调节靶基因的转录, 控制肿瘤细胞生长、分化及凋亡。此通路受细胞因子调节, 其任何一个元件失调, 均可引起细胞增生, 而在肿瘤细胞形成过程中可引起分化异常, 进而引起异常肿瘤性增生。体内细胞分泌的TGF-β主要通过调控核内CKI (细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子) 的表达, 阻止细胞周期运行, 抑制细胞向恶性转化。在信号传导过程中, 活化的TGF-β1与其膜返体结合后形成两种异二聚体复合物, 继而磷酸化下游的Smad2, Smad3蛋白, 磷酸化后的Smad2和Smad3可与Smad4形成异源复合物, 由胞浆移位至胞核, 调节靶基因的转录。有观点认为Smads家族的基它成员也参与到此通路中, 并形成正反馈与负反馈的平衡, 共同调节肿瘤的进展。但是有观点认为TGF-β在肿瘤的发生、发展中是一把“双刃剑”, 即在癌变期之初作为抑癌因子出现, 而在癌症晚期则通过自分泌 (作用于癌细胞本身) 和旁分泌 (作用于癌细胞周围的微环境) 方式刺激肿瘤浸润、转移, 因此, Smads与TGF-β的通路作用可能更为复杂。

3 Smad4在肿瘤中的作用

Smad4研究最多是在胰腺组织中, Smad4在胰腺癌组织中的表达明显低于正常组织, 同时相关研究表明胰腺癌中Smad4/TGF-β通路与PTEN和NF-kappa B调节有关。还有观点认为胰腺癌中SCF (beta-Tr CP1) 对Smad4蛋白有重要的调节作用。范振斌等通过对30例移行细胞癌新鲜癌组织进行分析和精细遗传作图, 并用DPC4/Smad4抗体对相应的病理组织切进行免疫组织化学分析, 结果显示DPC4/Smad4三个紧密联锁的微卫星位点D18S46、D18S363、D18S474有高频率的杂合性缺失, 18个微卫星位点中有5个点在所分析人群中多态性甚低, 与西方人数据差别明显;且免疫组化显示DPC4/Smad4在80%的肿瘤中表达下降或不表达, 与微卫星杂合性缺失对应良好, 并认为抑癌基因DPC4/Smad4的失活在中国人膀胱移行细胞癌的发生发展中具有一定作用, 其等位基因的杂合性缺失是该基因失活的重要机制。有观点认为当R-Smad被I型受体磷酸化, 从而导致与CO-Smad Smad4结合, 复合体进入核内启动转录, 一旦进入细胞核, Smad复合体与其他转录共刺激信号组成共抑制分子, 共同控制靶基因的表达, 因此伴随着Wnt信号系统异常调节, 或者由于Wnt基因的异常表达, 破坏了正常的Wnt/B-catenin、Notch、BMP的信号系统, 导致肿瘤细胞可自分泌大量的TGF-β1, 磷酸化R-Smad, 从而导致与CO-Smad Smad4结合, Smad4的减少, 使细胞对TGF-β1的生长抑制产生耐受, 促进肿瘤的发展。伴随着Notch信号途径的异常表达, 引起下游级联信号系统TGF-β超家族在内的细胞信号传导的异常, Smad4作为TGF-β1信号传导系统的关键组成元件, 对其信号转导具有着关键作用。其缺失或突变可使细胞对TGF-β1的生长抑制产生耐受, 促进肿瘤的发展。体外细胞培养的实验也证实了此观点。有研究结果显示Smad4与Cyclin D1在膀胱癌中具有正相关性, 且随着肿瘤恶性程度的增高, 二者的表达率均下降, 认为Smad4与Cyclin D1的表达与自然病程密切相关, 其表达变化是肿瘤进展的表现。张磊等通过应用免疫组织化学技术检测多Smad4、Cyclin D1、Survivin和Cox-2在44例大肠癌组织中的表达, 认为其联合检测对了解大肠癌的发生、发展、指导治疗和判断预后有重要意义, Smad4可作为一个独立预测指标判断大肠癌的预后。SELIL与Smad4蛋白在食管癌中具有协同作用, SELIL在食管癌中的作用可能通过TGF-β信号途径影响基因的表达而调控细胞的生长。吴鹏等通过应用RNA干扰技术下调Smad4基因表达, 观察其对宫颈癌细胞增殖的影响, 认为其能筛选出特异而高效阻断Smad4基因表达功能的sh RNA, Smad4基因表达下调能明显促进宫颈癌细胞生长。Blackford等认为Smad4基因突变与胰腺癌的预后密切相关。Kloth等通过免疫组织化学技术对117例原发性宫颈癌患者的Smad4进行检测, 显示肿瘤中Smad4低表达, 并认为细胞浆中Smad4的弱表达和细胞核中表达的缺失与宫颈癌的不良预后密切相关。因此, Smad4在不同肿瘤中的表达均有变化, 提示Smad4参与了肿瘤的发生发展。

4 Smad4在肺癌中的作用

有学者在1998年对肺癌组织及体外培养的细胞株中相关的Smad4/TGF-β基因进行分析, 认为Smad4/TGF-β参与了肿瘤的发生。Gemma等通过Northern blot、RT-PCR等技术对肺癌细胞系TGF-β的表达进行分析, 认为TGF-β可以调节M M P-2、P AI-1、I L-1及C E A等多种细胞因子, 在肺癌的发生中具有至关重要的作用。Ke等认为Smad4通过不同的机制影响肿瘤的血管生成, 并通过应用免疫组织化学技术检测肺癌中DPC4/Sm a d4与血管生成的关系, 结果显示DPC4/Sm ad 4能降低肿瘤组织中VEGF蛋白和m RNA的表达, 增加TSP1蛋白和m RNA的表达, 确认DPC 4/Sm a d 4是一个重要的生物学指标, 并在肿瘤转移及血管生成中发挥重要作用。Filyak等认为Smad2、Smad3、Smad4蛋白下调, 而Smad7上调对人肺癌A5 49细胞系的发生发展有重要作用。Finger等认为TGF-βRIII作为一个新的肿瘤抑制基因在肺癌细胞系中普遍丢失, 其表达可能与肿瘤的浸润等生物学行为有关。因此, 关于Smad4/TGF-β在肺癌及肺组织中表达, 主要研究在体外培养的细胞系中, 而对肺癌组织中蛋白的表达及m RNA的表达关注较少。

5 临床意义和展望

目前关于Smad4在肿瘤中的研究是人们关注的热点, 其可以作为预测肿瘤预后的重要指标, 因此, 临床可以借助相关的辅助方法来判断患者预后。但是由于TGF-β超家族成员庞大, 受体配体间组合作用多样化, 个体成员在不同肿瘤中发挥作用也不尽相同, 因此对于其真正的作用机制及干扰因素, 临床及基础研究中并不十分清楚, 对其机理及影响因素的研究将是当前研究的重要方向。同时构建合格的人类肿瘤动物模型, 进行阻断Smad4/TGF-β通路的研究, 有望成为肿瘤研究及治疗的靶点, 可以为肿瘤的治疗提供新的思路。由于Smad4/TGF-β为肿瘤研究的新领域, 与其它研究一样, 还有哪些基因可以诱导其强表达或弱表达?动物实验中对Smad4/TGF-β的干扰能否直接用于临床?Smads家族的其它成员, 如Smad1、Smad2、Smad3、Smad7与Smad4/TGF-β是否具有相互作用?等等。相信随着这些问题广泛而深入的研究, 对于抗肿瘤通路的研究及治疗将开辟新的途径。

摘要：肿瘤的侵袭和转移是重要的生物学行为, 其发生发展机制一直是人们研究的热点。当前, 人们对TGF-β/Smads信号途径在细胞及生物体中的作用研究较多, 同时对TGF-β/Smads在肿瘤中的作用也日益受到关注。有观点认为TGF-β/Smads信号转导途径中任一元件的异常表达均可引起其传导紊乱, 引起疾病的发生或肿瘤的形成。Smad4作为Smads是的重要一员, 在机体中有重要作用。本文对TGF-β/Smad4的作用及其在肿瘤中的作用进行综述, 以期为探讨肿瘤的发生发展提供理论支持。

关键词：Smad4,肿瘤,研究进展