八千-克雷尔
上皮细胞间质细胞转换机制—上皮细胞获得干细胞表型或恶性变的途径
上皮细胞
-
间质细胞转换在胚胎发育过
程中具有十分重要的地位。现在，越来越多的数据表
明该过程在调控正常人体组织和肿瘤
组织的细胞可塑性（
cellular
plasticity
）方面也起到了关键
作用。通过上皮细胞间质细胞转换过程能够
形成多个各不相同的细胞亚群，即形成了肿瘤细胞
异质性（
in
tratumoural heterogeneity
）
。这
些亚群细胞都具有各自的特点，有一些可能分化程度
较高，但还有一些则表现出了干细胞
的特征。
而这些特征又都与肿瘤相关表型，比如肿瘤转移
或致死
率等有关
，因此，如何针对肿瘤细胞的这种
干细胞特征
（即可塑性）来设计治疗方案、
寻找治疗药物已经成为了临床研究中的一
大热点。虽然还有很多问题需要我们去解决，但这的
确是一个非常有希望的发展方向。<
/p>
细
胞
从
上
皮
细
胞
表
型
转
变
成
间
质
细
胞
表
型
的
过
程
被
称
作<
/p>
上
皮
-
间
质
转
换
（
epithelial-mesenchymal
transition
s
，
EMT
）
而
相
反
的
转<
/p>
变
过
程
则
称
为
间
质
-
上
皮
转
换
（
mesenchymal-epithelial
transitions
，
MET
）<
/p>
，
这些转变过程在胚胎发育
（
embryonic development
）
过程中都起到了关键性的作用，不过最近科研人员们又发现他们在肿瘤形成及致病过程中也起
到了至关重要的作用。
EMT
过程是一个非常复杂的分子过
程，
上皮可以通过
EMT
过程“褪去”
已分化细胞的特性
，
比如细胞间的粘附
（
cell
–
cell adhesi
on
）现象、细胞极性
（
polari
ty
）现象、
细胞缺乏运动能力等等这些表型
< br>，
获得
间质细胞的特征
，
比如细胞具备
移动能力
（
motility
）
、
侵
袭
能
力
（
invasiveness
）
、
抗
凋
亡
（
resistance
to
apoptosis
）
能
力
等
。
EMT
转
分
化
过
程
（
transdifferentiation
）最开始是在细胞培养过程中被发现的
，不过一直以来学界对该过程与体
内生理过程之间的关系还存在争议。随着科研工作者们
对人体肿瘤和实验动物模型的观察越来
越深入，他们逐渐发现
E
MT
过程不仅与正常的胚胎发育过程有关，还与肿瘤发生过程有关。因
< br>此，与对胚胎发育过程（详见背景知识框
1
）的作用相类
似，
EMT
过程和
MET
过程似乎也都参
与了肿瘤发生的过程。尤其是
EMT
过程对于肿瘤浸润（
invasion
）
、转移播散（
metastatic
dissemination
）以及对药物或治疗的抗性等性状都有关系，而与
EMT
过程相对的
MET
过程则似
乎是在肿瘤细胞播散之后形成转移灶的过程当中发挥作用。
胚胎发育与肿瘤形成之间有一个本质的区别，那就是肿瘤形成过程中基因异常
的细胞会逐
渐
失去对正常生长调控信号的反应性，获得了进化的
能力
。这种进化现象是因为大部分赘生性
细胞（
neoplastic
cell
）所固有的遗传和表
型因子不稳定性所造成的。这种不稳定性还能在肿瘤
组织中形成多个细胞亚群，这也是造
成肿瘤细胞具有异质性（
heterogeneity
）的一个
原因。肿
瘤细胞还可能会因为它们所处
间质微环境
（
stromal
microenvironme
nt
）释放的一些信号而造成
细胞生物学方面的改变，
比如与
EMT
过程和
M
ET
过程有关的一些改变。
正如在图
1
中所示的那
样，在体内多处生长的肿瘤细胞都可能会接触到能够
触发
EMT
过程的信号。更重要的是，在多
种临床肿瘤中都发现，
EMT
过程与患者预后不良有关
，
这似乎是因为
EMT
转换可以赋予原发瘤
细胞更大的侵袭能力（
aggress
ive trait
）
。
自从我们发现了
EMT
转换过程之后，
科研工作者们就开始对该过程背后的分子机制展开了研究，
也逐渐取得了一
定的成果，最近有几篇非常精彩的综述对
EMT
研究领域进行了
很好的总结，读
者可以查阅这些文献获取更多有关
EMT
方面的信息。
在简略介绍有哪些分子机制能够激活
EMT
过程之后，
在本文中我们会将重点放到向读者介绍最
近一段时间刚刚发现的，
那些能够调控
EMT
< br>过程后续表达过程的调控机制，
还将就
EMT
转换和
MET
转换在肿瘤异质性中的作用，
以及肿瘤
进展和治疗抗性中的作用展开讨论。最后，我们还将对相关的
医疗实践进展做一个介绍。
H/E(Spl), hairy and enhancer of
split
发状分裂相关增强子
WNTR, Wnt receptor
：
Wnt
蛋白受体
图
1
参与调控
EMT
过程的信号通路网络简介。
图中列举了几条参与
EMT
过程调控的信号通路，
它们的下游效应
因子，以及这些信号通路及细胞因子之间的相互作用。酪氨酸激酶受体
（
Receptor
tyrosine
kinase
s
，
RTK
）
、转化生长因子
β
（
TGF
β
）
、
Notch
蛋白、内皮素
A
受体
（
endothelin A receptor
，
ETAR
）
、
整联蛋白<
/p>
（
integrin
）
< br>、
Wnt
蛋白、
缺氧以及基质金
属蛋白酶
（
matrix
metal
loproteinase
，
MMP
）
等这些信号都能通过各种信号通路诱发
EMT
转换过程发生。在
不同
的细胞内，这些信号通路的地位（重要性）各有不同。
EM
T
转换和
MET
转换都与细胞骨架和细
胞外基质，
以及细胞间连接方式的改变有关。
< br>能诱发
EMT
转换的信号可以通过蛋白磷酸化机制
(
比如
TGF
β
信号通路导致的
PAR6A
蛋白磷酸化
)
破坏紧密连接和桥粒连接。还可以通过抑制某
些蛋白的表达水平（比如
ZEB1
抑制血小板亲和蛋白
3
）来诱发
EMT
转换。细胞外基质的重构
也能触发
EMT
过程，因为很多诱发
EMT
的因子都能上调细胞外基质蛋白（
比如纤维连接蛋白
fibronectin
和胶原蛋白
collagens
）
、蛋白酶（比如
MMP
）以及其他一些重构酶（比如赖氨酸氧
化
酶
lysyl oxidase
）的表达水平。缺氧、
RAC1B
活化以及某些激酶途径（比如
Akt
激酶途径）的
激活也都能够促进线粒体合成活性氧簇（
reactive
oxygen
speci
es
，
ROS
）
，包括缺氧诱导因子
1
α
（
hypoxia-inducible
factor
1
α
，
HIF1
α
)
）
、
< br>NF-
κ
B
、糖原合成酶激酶<
/p>
3
β
（
glyc
ogen
synthase
kinase-3
β
，
GSK3
β
）等
,
使细胞获得多效性（
pleiotropic effect<
/p>
）
。除了各种信号通路之间的相
互作用之
外，促进
EMT
过程的细胞因子（图中紫色圆圈表示转录因子）
和
miRNA
之间也存在
着非常复杂的
相互调控作用。
背景小知识速览
上皮细胞和间质细胞
之间的转换是
上皮细胞获得可塑性
以及
肿瘤得以进展和出现肿瘤异质
性
的分子机制之一。
多种信号都能够触发上皮
-
间质转换（
epithelial
–
mesenchymal transition
，
EMT
）
过程，
比如
生长
因子
、
肿瘤细胞与间质细胞间的相互作用
以及
缺氧
等信号。各种能触发
EMT
过程的信
号和转录因子构成了一个非常重要的信息网络。
EMT
转换能够赋予
肿瘤细胞干细胞样
的特征，比如能够侵润周围组织，或者对某些治疗措
施或药物具有抗性等。间质
-
上皮转换（
mesenchymal
–
epithelial
transition
，
MET
）过程
在将
转移的间质肿瘤细胞逆转成为上皮细胞表型的过程中发挥了作用。
< br>最近发现
microRNA
也是
一种
EMT
过程调控因子，这可能是由于
microRNA
可以调控能够诱发
EMT
过程的转录因子
所致。
1.
EMT
过程活化的机制
有多种细胞外信号能够激活
EMT
转换过程，
胞内的
EMT
下游信号通路与参与该过程的<
/p>
转录因子共同组成了一个复杂又意义重大的信号网络，该信号网络包含有多个正反馈回路<
/p>
（图
1
）
。
这个复杂的相互作用网络确保了细胞在
EMT
转换后所获得的间质细胞表型能够稳
定的表达。最近有人对乳腺上皮细胞进行了研究，
结果发现
持续激活的
EMT
转换作用<
/p>
可以
导致细胞
进行性表观改变
（
epigenetic alteration
）
，
最终导致细胞发生永久的可遗传改变，
使
得细胞外诱导信号消失之后，细胞仍然能将
间质细胞表型
遗传
下去。因此，在某些特定情
况下，
EMT
转换过程能够形成
稳定的表型改变
，并且将这种表性
遗传下去
，形成特定的细
< br>胞谱系。
1.1
参与
EMT
过程的信号通路
EMT
过程通常都是在
上皮细胞
中
发生的，该过程可以由多种信号诱导触发，其中尤以组成正常
组织或肿瘤
新生物组织（
neoplastic
tissue<
/p>
）的间质细胞
所释放的信号作用最为突出。转化生长
因子
β
家族（
TGF
β
）成员
是所有能诱导胚胎发育过程里
EMT
转换过程的细胞因子中最重要，
也是被
研究得最透彻的一大类细胞因子，
它们可以治疗纤维变性性疾病
（
fibrotic diseases
）
和肿
瘤性疾病。最近的研究结果还表明，
TGF
β
在调控
乳腺癌干细胞（
breast cancer stem cell
）表型
的过
程中也起到了一定的作用，同时还发现
TGF
β
对于维持
人胚胎干细胞
（
hu
man
embryonic
stem cell
）
多向分化潜能具有关键性作用。后面这样新发现说明
TGF
β
信号通路可能在所有肿瘤
进程中为维持肿瘤细胞的干细胞状态提供了帮助。
TGF
β
信号能够通过多个不同的信号机制诱发
E
MT
转换过程，比如通过
直接磷酸化
S
MAD
转录因子配体活化受体
（
lig
and-activated receptors of SMAD transcription fact
or
）的途径，以及通
过某些能够调控
细胞极性
和
细胞间紧密连接
形成过程的
胞质蛋白来触发
EMT
转换过程。
比如
在
乳腺上皮细胞中，
TGF
β
因子
II
型受体就能够直接
磷酸化
SMAD2
蛋白、
SMAD
3
蛋白和细胞极性
蛋白
（
cell polarity protein
）
P
AR6A
。
PAR6A
蛋白硫酸化之后
，
细胞会丧失
垂直方向的极性
（
apical
–
basal polarit
y
）
，同时，相邻上皮细胞间业已形成的紧密连接（
tight junctions
）也会
解体
。
TGF
β
还能影
响其它多个
EMT
触发信号途径的活性
，比如
Notch
、
Wnt
以及整联蛋白信号通路等。
Wnt
信号通路能通过抑制糖原合成酶激酶
3
β
（
glycogen synthase kinase -3
β
，
GSK3
β
）介导的
磷酸化
作用以及抑制胞质中的
β
连环蛋白
（
β
-catenin
）
降解等作用来诱发
EMT
转换。
胞内
丰
度
大量增加的
β
连环蛋白会转移进入核
内，作为转录因子亚单位诱导大量基因的表达，这些靶基
因的表达产物中有很多都是能够
诱导
EMT
转换过程的转录因子。
<
/p>
不过，
β
连环蛋白自身是不能够诱发
EMT
过程的。比如在大部分结肠直肠癌（
colorectal
carcinomas
）
细胞中，
APC
基因的失活
或
β
连环蛋白基因的
激活
都会提高胞内的
β
连环蛋白水平。
< br>不过这些肿瘤细胞并没有表现出间质细胞的特性，这说明
β
连环蛋白信号通路虽然在某些细胞
中能够起作用，
但是还不足
以激活能触发
EMT
过程的转录因子的表达
（表
1
）
。
多项研究都发现
了人乳腺癌上皮细胞钙粘蛋白（
epithe
lial cadherin
，
E- cadherin
）的
遗传突变失活
与
表观失活
之
间的差别，不过在乳腺癌细胞中很难观察到核内
β
连环蛋白积聚的现象。还有研究发现，
W
nt
信号通路的活性在结肠直肠癌细胞中也有所升高，而这是因为几个特异性沉默
Wnt
蛋白的关键
基因，比如
SOX17
、
SFRPs
、<
/p>
DKK1
等都被抑制的结果。这也从另一个方面进一步表明了
Wnt
信
号通路的重要作用。
表
1
在肿瘤细胞中与
EMT
转换相关的基因以及它们和肿
瘤临床特征之间的联系
Notch
信号通路也在参与胚胎发生和肿瘤形成的
EMT
转换过程的调控工作中发挥了作用。
No
tch
信号通路非常复杂，因为该通路中包含了
多个受体、配体
和下游调控因子
。而且令情况
更为复杂的是，
< br>Notch
信号通路活化之后所造成的结果还具有细胞特异性，既有可能是促进肿
瘤形成，
也有可能会抑制肿瘤形成。
N
otch
信号通路也能诱发
EMT
过程
，
它主要是通过激活
NF-
κ
B
信号通路或者调控
TGF
β
信号通路的活性来发挥作用
。
H
edgehog
信号通路也参与了
EMT
过
程和肿瘤转移过程。
综上所述，
似
乎参与了干细胞功能调控和生态位与干细胞间相互作用
（
nic
he
–
stem cell interaction
）
调控的信号通路也都在
EMT
触发过程中起到了一定的作用。
这也同时表
明，
EMT
过程与细胞获得并维持干细胞样特征有一定的关系。
大量的酪氨酸蛋白激酶受体（
receptor
tyrosine kinases
，
RTK
< br>）也在和
EMT
过程相关的胚胎
发育过程中起到了重要的作用，
比如胚胎分支形态发生过程（
b
ranching morphogenesis
）和胚胎
心脏
瓣膜形成过程（
cardiac valve formation
）等。在某些肿瘤细胞中，这些
RTK
蛋白中的某一些
蛋白发生了突变，
表现为
组成性激活
（
constitutively active
）
。
还有一些细胞表面蛋白发生了改变，
< br>这也会促进
EMT
过程的发生。比如在多种肿瘤细胞中，
上皮细胞钙粘蛋白的表达都会因为遗传
或非遗传的各种原因而缺失。于是在胞质中往往因
为结合了一个
上皮细胞钙粘蛋白“尾巴”
而
受到限制的
β
连环蛋白获得了“解放”
，然后如前文所述，
β
连环蛋白得以进入核内，诱导能促<
/p>
进
EMT
过程的转录因子的表达
。因此，
RTK
蛋白的组成型激活
和
上皮细胞钙粘蛋白表达抑制
这
两条途径都会导致细胞获得间质细胞特性，一旦细胞获得了这种特性，形成了肿瘤细胞，就可
以不再需要肿瘤微环境中各种诱发
EMT
过程信号的刺
激而持续保持间质细胞特性了。
1.2
缺氧的作用
缺氧（
< br>Hypoxia
）也是一种能够诱发
EMT
过程的生理机制，它也是通过多种机制，比如上调缺氧
诱导因子
1
α
（
hypoxia-
inducible factor-1
α
，
< br>HIF1
α
）
、肝细胞生长因子
（
hepatocyte
growth factor
，
HGF
）
、
SNAI1
以及
TWIST1
等蛋白的表达，激活
Notch
或
NF-
κ
B
信号通路，以及
诱导
DNA
低甲基化
等作用机制来诱发
EMT
过程的。
3%
的氧含量就能够诱发多种人体肿瘤细胞
发生
EMT
转换，这主要是通过
抑制
G
SK3
β
的活性，从而
限制了
β
连环蛋白的磷酸化过程和降
解过程
来发挥作用的。
缺氧细胞会变得更富有侵袭性
，胞
内的
Wnt-
β
连环蛋白信号通路活性
也
会增强，因此能够诱发
EMT
过程的
转录因子
SNAI1
的表达量得以上升。在另一项研究中发现，
Notch
信号通路的活化是缺氧诱导
EMT
过程发生的先决条件
。缺氧可能还会激活细胞
自我加强
的正反馈途径，帮助细胞维持
间质细胞状
态
。比如，
SNAI1
蛋白的活化能<
/p>
抑制上皮细胞钙粘蛋
白的转录
，从而释放
出胞质里的
β
连环蛋白
，然后
β
连环蛋白进入核内，激活并维持
EMT
诱发
转录因子的表达
。
还有一些其它的胞外信号也能触发
EMT
< br>过程。比如有人对小鼠乳腺上皮细胞研究发现，该
细胞能对异位表达的基质金属蛋
白酶
3
（
matrix
metalloproteinase 3
，
MMP3
，
又名间质溶解素
1
，
stromelysin
1
）做出反
应，诱发
EMT
过程。
MMP3
蛋白是因为
RAC1
蛋白
的剪接变异体
RAC1B
蛋白介导的活性氧簇
（
reactive oxygen
specie
）增多而出现的。
1.3
上皮细胞与基质细胞间的相互作用可以调节
EMT
和
MET
过程
正如前文所述，在肿瘤中诱发
EMT
过程的因子通常都是起源于和肿瘤有关的
基质
，即形成
肿瘤
微环境的基质细胞
中的
各种信号通路。最开始有一些研究表明，间质细胞与上皮细胞间的相互
作用在诱发
EMT
过程中也起到了一定的作用，
它们能够
增加肿瘤细胞与基质发生相互作用的表
面上多种
EMT
分子标志物
的表达。
这一点已经在多种
人体肿瘤细胞核动物肿瘤模型
中得以证实。
<
/p>
肿瘤细胞由于受到了所处微环境的影响也会发生
MET
转换。
比如前列腺癌细胞与正常的肝细胞
共培养<
/p>
时就会出现
上皮细胞钙粘蛋白表达上调
的
现象，随后细胞会表现出已
分化上皮细胞
的特
< br>征。这种
前列腺肿瘤细胞逆转进入上皮细胞状态
的证据还
包括一些其他的特征，比如在正常肝
细胞与肿瘤细胞间出现了细胞间相互作用，这也是通
过在细胞间形成
同型上皮细胞钙粘蛋白桥
（
homotypical
E-cadherin
bri
dges
）来完成的。还有一个尚未解决的问题就是可扩散因子，尤其
< br>是生长因子和前文中提到的细胞因子是否参与了
MET
的
诱导过程。可能还有一种缺省机制
（
default mech
anism
）应该也在
EMT
转换过程
中起到了同样重要的作用，在没有能够促进细胞
发生
EMT
转换并维持间质细胞状态的信号存在的情况下，
很多正常的细胞和新
生肿瘤细胞就会
在这种缺省机制的作用下回复上皮细胞状态。该理论似乎就可以解释例如
在转移肿瘤细胞的生
长阶段发挥作用的
MET
< br>过程。
因此，
在原发灶肿瘤细胞缺乏基质来源的
EMT
刺激信号的情况下，
位于正常组织环境中
的转移瘤细胞可能会通过
MET
过程回复上皮细胞状态。
背景知识
1<
/p>
：胚胎发育过程中的
EMT
和
MET
转换
已经有好几
篇非常精彩的综述介绍了有关在胚胎发育过程中出现的上皮
-
间
质细胞转换
（
epithelial
–
mesenchymal
transition
，
EMT
）和间质
-
上皮细胞转换（
mesenchymal
–<
/p>
epithelial
transition
< br>，
MET
）现象。
EMT
和
MET
转换在好几个发育进程中都起到了重
要的作用。在胚胎
发育过程中出现最早的
EMT
转换是在原肠胚形成期（
gastrulation
）
时发生的间质细胞
（
mesenchymal cells
）
形成和中胚层
（
mesoderm
）
形成事件。
胎盘<
/p>
（
placenta
）
< br>、
前体节
（
somites
）
、
心脏瓣膜（
h
eart valves
）
、神经管嵴（
neural crest
）
、泌尿生殖系统（
urogenital tract
）
、继发腭
（
secondary
palate
）等组织器官的形成过程以及胚胎多个器官的分支形成过程（
bra
nching
morphogenesis
）中都有
EMT
和
MET
转换作
用的参与。
转化生长因子
β
（
transforming growth
factor-
β
）
、
Notch
、
Wnt
、酪氨酸激酶受体信号通路
等分子间的相互作用也都共同参与了在肿
瘤发展进程中发挥作用的
EMT
和
MET
转换
过程。在胚胎发育过程中，与
EMT
作用相同的调
控机制能够将上皮细胞转换成可迁移间质细胞，帮助器官的形成。
但是在肿瘤
发生发展的过
程当中，该机制会异常活化，从而促进了肿瘤的浸润和转移
。尽管这些机制当中存在着相似
之处，但是在胚胎发育过程中发挥作用的
EMT
和
MET
和在
肿瘤发生发展过程中发挥作用的
EMT
和
MET
之间还是存在着一些重要的区别，尤其是在某些肿瘤中，因为体细胞突变情况，
所以上述转换过程有可能是一种不可逆的过程。
2.
遗传控制和表观遗传控制
有好几个基因都参与了
EMT
的调控功能，研究发现，这些基因在肿瘤细胞中都会因为遗传
的或“后
天的（表观遗传学）
”作用而发生改变（背景知识
2
）
。正如前文所述，细胞会通过各
种机制
稳定的缺失上皮细胞钙粘蛋白
。比如编码上皮细胞钙粘蛋白的
CDH1
基因突变
就是遗传
性弥漫性胃癌（
hereditary diffuse
gastric
cancer
）的病
因。而且在
CDH1
基因发生突变的人群中