肿瘤干细胞的信号转导通路及其药物进展Word文件下载.docx

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通常CSCs被认为有形成肿瘤，发展成癌症的潜力，特别是随着癌症转移出去后，产生新型癌症的来源，也与肿瘤的复发转移化疗和放射的敏感性降低及耐药性有着密切的关系[2]。

由于CSCs具有干细胞的特性，同时还具有肿瘤细胞的特性，所以CSCs和干细胞在调节自我更新与分化的分子机制上有很大的不同，其中与此有关的信号转导通路基因的突变参与了肿瘤的生长。

大量的研究发现，Wnt、FGF、Notch、BMP、Hedgehog等信号转导通路组成了复杂的干细胞信号网络调控体系，信号网络之间的平衡对于干/祖细胞的保持有重要意义，破坏这种信号网络可能导致病理变化而发生肿瘤[3]。

1肿瘤干细胞相关信号转导通路

正常干细胞和肿瘤干细胞都必须进行自我更新以维持其自身数量的稳定，因此它们通常会共有一些调控干细胞关键功能的共用分子机制。

人们发现，许多发育相关的信号传导通路，如Wnt、FGF、Notch、BMP、Hedgehog信号通路等，都能够影响CSCs和干细胞的自我更新和分化[4]。

1.1Wnt信号通路

Wnt是一种富含半胱氨酸的分泌型糖蛋白，通过旁分泌或自分泌在发育过程中调控增殖，发挥促进因子的作用。

该通路成员主要包括Wnt、Frz、Dsh、β-catenin以及TCF/LEF[5]。

Wnt蛋白与其细胞膜表面的Frizzled家族跨膜蛋白（Fz）受体结合后，其配体可以参与信号转导[6]，并可能激活细胞内的3条信号通路：

Wnt/β-catenin信号通路、Wnt/Ca2+信号通路、以及由c-JunN端激酶（JNK）介导的细胞极性信号通路（PCP）[7]。

在正常成熟细胞中Wnt通路处于关闭的状态，胞质中β-catenin大部分与突出于细胞膜的E-cad-herin结合，剩余的与GSK-3β抗原递呈细胞形成蛋白多聚体，进而发生磷酸化，被降解;

当处于激活状态时，Wnt与卷曲蛋白结合，在蓬乱蛋白的参与下，GSK-3β失活，ß

-catenin进入细胞核与转录因子相互作用，调控相关基因的表达。

β-catenin的稳定是经典Wnt通路的核心，当β-catenin水平低下时

Wnt通路处于关闭状态，反之，处于开启状态[8]。

Wnt信号转导通路如图1所示。

图1Wnt信号转导通路示意图

Wnt/β-catenin信号通路的不恰当激活，参与了肿瘤的发生及其侵袭转移的过程，而且还与肿瘤干细胞的关系密切[9]。

通常，Wnt信号通路可以通过Wnt配体的过表达而直接被激活，或者通过Wnt信号的下游组件突变的传递作用而被激活，一般的终点是干细胞不适当的扩增区域，最终将会形成侵袭性的肿瘤细胞。

虽然Wnt/β-catenin信号通路调控着正常皮肤干细胞向毛细胞增殖分化的过程，然而在上皮肿瘤中却在维持肿瘤干细胞特征方面发挥重要作用，Wnt/β-catenin信号通路的一系列靶基因，如c-Myc在胚胎时期上皮组织分化，上皮肿瘤形成过程都起重要作用[10]。

结肠癌、肝细胞癌和乳腺癌等肿瘤组织中Wnt信号通路关键基因β-catenin过度激活或β-catenin的抑制基因APC失活都将导致β-catenin在细胞内的积聚进而促进细胞异常增生和恶性转化[11]。

Wnt/β-catenin能使CML患者的GM-CFU阶段的祖细胞发生干性改变，成为急性的CSCs[12]。

有研究表明[13][14],在一些细胞系如鼠4T1乳腺癌细胞系、NXS2成神经细胞瘤系、MCF-7乳腺癌细胞系中发现肿瘤干细胞表达更高水平的

wnt-1、β-catenin等wnt信号通路分子。

Varmus等[15]发现乳腺癌干细胞是Wnt信号通路诱导乳腺腺体肿瘤发生的重要靶细胞。

Teng等[16]发现用氯化锂激活Wnt/β-catenin信号通路后，肺癌A549细胞系的增殖、克隆形成、转移以及耐药性等方面的功能显著增强，表明Wnt信号可能通过Oct4对肺癌CSCs的特性产生重要影响。

胰腺癌细胞在放疗后Wnt信号通路激活转录β-catenin，β-catenin可以促进胰腺癌对损伤基因的修复。

MalanChi等[17]的研究发现CD34+为标志的皮肤癌干细胞发挥生物学效应依赖于Wnt/β-catenin信号途径，敲除模型鼠体内的β-catenin，肿瘤发生受到全面抑制，此外清除β-Catenin还可抑制化学诱导的皮肤肿瘤和H-ras诱导的肿瘤发生。

大量实验结果表明，Wnt途径在决定肿瘤干细胞的命运和自我更新能力方面扮演着重要角色。

Wnt途径的异常活化在细胞癌变肿瘤发生及肿瘤侵袭过程中具有重要作用。

当Wnt基因本身或通路其他任一成员因素发生变化使其不正常活化时，均有可能引起肿瘤的发生。

1.2Notch信号通路

在研究果蝇的发育过程中,研究者们发现了一条传导细胞间相互作用的信号途径-Notch信号途径。

它是一条保守的信号转导途径，在多种组织和器官的早期发育过程中，其家族成员对细胞的发育、生长及凋亡起着重要的调控作用[18][19]。

Notch信号转导通路由受体、配体和DNA结合蛋白3部分组成，哺乳动物中有4个同源Notch受体和5个同源配体。

Notch信号由两个邻近细胞的Notch受体与配体相互作用而激活，受体与配体的结合导致受体构象发生改变，从而暴露受体胞外域的TACE金属蛋白酶切割位点，随后在γ分泌酶的介导下发生蛋白水解作用，释放出Notch的胞内段（NICD），NICD转移至细胞核内，与转录抑制因子RBP-Jκ结合；

RBP-Jκ与NICD结合并招募共活化物如MAML和组蛋白乙酰基转移酶P

300/CBP等后，即成为转录活化因子，活化hes（hairyenhancerofsplit）等分化拮抗基因的转录，表达产物与相应的分化效应基因的启动子特异性结合，并募集Groucho/TLE等转录共抑制因子，阻碍细胞特异性分化效应基因的表达，最终影响细胞的分化、增殖和凋亡[20]。

Notch信号转导通路如图2所示。

Notch信号分子在一些正常干细胞中高表达，提示Notch信号分子在干细胞的自我更新中可能发挥着重要作用。

不同种类细胞中的Notch通路能促进或抑制细胞的分化，并且在肿瘤干细胞向肿瘤发展的过程中也发挥重要作用。

Hambardzumyan等[21]研究认为CD133+细胞能生成肿瘤的原因可能与Notch信号转导通路有关。

Notch信号通路参与乳腺癌的发生和发展，并且在转移性乳腺癌中表达失调，使用细胞表面标记物CD44+CD24+后，乳腺癌干细胞的启动子数量增加，提示Notch上调可促进乳腺癌干细胞的基因表达[22]。

而Bouras等[23]研究表明，信号通路Notch的作用在于抑制乳腺干细胞的增殖能力，但当增殖终止时，其表达能力就会下调，再结合肿瘤干细胞理论，可以认为正常的乳腺干细胞发生恶性转化时，Notch1基因被激活，分化基因封闭而大量增殖基因被激活，乳腺干细胞转化为乳腺癌干细胞，导致了恶性肿瘤的形成。

Robine等[24]发现，在肠道中Notch通路被激活后肿瘤干细胞活性才能增加并形成肠道肿瘤。

Notch信号通路在造血干细胞自我更新的调控中其重要作用，通过调节造血干细胞的不同分化阶段，引导造血干细胞向不同系分化，其过度表达可导致恶性淋巴瘤的形成[25]。

在阻断通路方面的研究表明，阻断Notch通路能诱导成神经管细胞瘤的凋亡,CD133+细胞群数量减少,而且被阻断Notch通路的CD133+肿瘤细胞不能够在NOD/SCID鼠身上成瘤[26]。

同时，阻断Notch通路,能抑制HES1表达和促进脑肿瘤细胞的凋亡[27]。

HiroseH等[28]的研究也证实了抑制Notch信号通路可有效提高Her2阴性乳腺癌干细胞对放疗的敏感性。

然而另一些研究却表明Notch信号参与的多种肿瘤的发生发展,在一些肿瘤组织中起着促进恶性转化的作用,而在另一些肿瘤组织中则起着抑制转化的作用[29]。

综上，Notch信号通路是目前假定对于肿瘤干细胞的靶向治疗的重要途径之一。

1.3Hedgehog信号通路

Hedgehog基因是一种分节极性基因，因突变的果蝇胚胎呈多毛团状，酷似受惊刺猬而得名。

哺乳动物中存在三个Hedgehog的同源基因：

SonicHedgehog（SHH）、IndianHedgehog（IHH）和DesertHedgehog（DHH），分别编码Shh、Ihh和Dhh蛋白。

Hh信号传递受靶细胞膜上两种受体Patched（Ptc）和Smoothened（Smo）的控制。

受体Ptc由肿瘤抑制基因Patched编码，是由12个跨膜区的单一肽链构成，能与配体直接结合，对Hh信号起负调控作用。

在无Hh、Ptc的情况下，激活Smo可导致Hh靶基因的活化；

基因Smo突变时，可出现与Hh基因突变相同的表征。

目前发现的参与Hh信号转导的核内因子包括转录因子Ci/Gli、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶Fused（Fu）、Fu抑制剂（SuFu）、类运动蛋白Costal-2（Cos2）、蛋白激酶A（PKA）等。

其中Ci/Gli、Fu起正调控作用，Cos2、PKA起负调控作用。

在正常情况下，Ptc抑制Smo蛋白活性，从而抑制下游通路，这时下游的Gli蛋白在蛋白酶体内被截断，并以羧基端被截断的形式进入细胞核内，抑制下游靶基因的转录。

当Ptc和Hh结合以后，解除对Smo的抑制作用，促使Gli蛋白与PKA及一些未知因子与微管形成大分子复合物，使得全长Gli蛋白进入核内激活下游靶基因转录。

Hh-Gli通路可以诱导Ptc的转录，形成负反馈的调控环。

当Ptc发生突变或缺失时、或是Smo突变导致对Ptc的抑制作用不敏感致使基因活化，致使Hh信号通路失控，使Gli持续激活、启动靶基因转录。

在正常时，Ptch蛋白抑制跨膜蛋白Smo的活性。

Hh结合Ptch后释放Smo来阻断Ptch蛋白的功能，并通过潜伏的Gli家属转译因子激活转译靶分子[30]。

Hedgehog信号转导通路如图3所示。

Hedgehog信号通路是一个高度保守的信号通路，其在胚胎干细胞和成体干细胞的增殖和分化方面扮演重要的角色[31]。

研究表明，SHH不但在不同组织中均可促进干细胞的增殖，在许多肿瘤的发展过程中SHH途径都有不同程度的激活。

对常见恶性肿瘤的研究发现，Hedgehog信号通路的异常，在恶性肿瘤的形成、生长及维持方面具有重要的作用

[32]。

Hedgehog信号参与了多种肿瘤的发生发展，如乳腺癌干细胞高表达Hedgehog配体Ihh、受体PTCH及下游Gli1、Gli2转录因子[33]。

进一步研究Hedgehog信号在调控乳腺干细胞自我更新的作用，发现持续活化Hedgehog信号增加了乳腺微球体起始细胞的数量及乳腺微球体的尺度[34]，然而Moraes等[35]则发现Hedgehog活化后虽可使微球体形成效率增加，但体内试验却显示再造乳腺乳腺的频率减少，提示Hedgehog信号的活化可能促进了乳腺干细胞向祖细胞分化，增加了能在不依赖于贴壁的生长条件下分裂胜任细胞的存活或活力，而不增加再生干细胞的比例。

Li等[36]报道，在胰腺癌中检测SHH的表达情况，发现表型为CD44+CD24+ESA+的胰腺癌干细胞中SHHmRNA的表达较正常胰腺细胞升高46倍，而表型为CD44-CD24-ESA-的胰腺癌细胞中SHH仅升高4倍，提示SHH通路活化参与胰腺癌干细胞的促肿瘤形成过程。

Chang等[37]发现Hedgehog通路的持续激活能够促使正常的小鼠前列腺干细胞转变为前列腺癌干细胞。

Hedgehog信号通路还可以Wnt与Notch信号通路共同作用，对胚胎发育和维持成体组织的

稳定性发挥重要的作用。

所以，Hedgehog信号通路与许多癌症的发生都有密切的关系。

图3Hedgehog信号转导通路示意图

1.4PTEN信号通路

磷酸酶及张力蛋白同源物（PTEN）的磷酸酶活性区和CDC14、PRL-1、BVP等双重特异性磷酸酶的序列同源性最高，PRL-1和CDC14均参与细胞生长，且CDC14还能起始DNA复制，所以PTEN可能通过去磷酸化参与细胞调控。

磷酸化和去磷酸化是调节细胞活动的重要方式，许多癌基因的产物都是通过磷酸化而刺激细胞生长。

因此，PTEN信号通路同样可以调控基因组的稳定性、干细胞的自我更新、细胞衰老等[38]。

PTEN信号通路如图4所示。

在对小鼠的研究中发现，PTEN表达缺失致使造血干细胞自我更新畸变并最终导致白血病。

对造血干细胞的研究表明，PTEN的缺失可活化PI3K-Akt信号传导通路，促使造血干细胞逃出骨髓的壁龛，而且通过PI3K-AKT信号途径，增加了cyclinD1的表达，促使了造血干细胞细胞周期的活化[39]。

然而，另一项研究表明，采用雷怕霉素抑制PTEN信号途径下游分子mTOR激酶后，短期抑制了造血干细胞的增殖，长期则促进了造血干细胞的增殖、功能的恢复

，而对白血病起始细胞则显示了不同的效应,即抑制了其产生及增殖[40]。

值得注意的是，PTEN的缺失并非单独干扰干细胞的生物学行为，它还可以通过促进短暂增殖祖细胞的增殖，从而形成肿瘤[39]。

图4PTEN信号转导通路示意图

1.5CXCR4/SDF-1（CXCL12）信号通路

CXCL12和CXCR4的结合会启动下游的几个信号通路，产生各种细胞反应，如趋化、细胞存活增殖、基因转录等[41]。

近年来的研究表明多种肿瘤细胞表面表达有CXCR4,而骨髓、淋巴结、肺、肝、肾及中枢神经系统等肿瘤易转移的部位则高表达SDF-1。

CXCR4/SDF-1轴在肿瘤转移中的作用近年来受到广泛关注。

多种正常干细胞的迁移过程已经明确受到CXCR4/SDF-1轴的影响，而CXCR4/SDF-1轴在肿瘤干细胞是否也发挥着类似的作用呢?

Kucia等人[42]认为肿瘤干细胞的转移与正常干细胞的运输采取相同的机制，即通过SDF-1/CXCR4轴的作用。

鉴于在一些正常干细胞高表达CXCR4，在许多肿瘤细胞表面表达有CXCR4，可以推测在一些肿瘤组织中的肿瘤干细胞与分化细胞相比，高表达CXCR4,赋于了其更高的转移潜能;

肿瘤来源的间质细胞（CAFs）表达、分泌SDF-1，与肿瘤干细胞表面的CXCR4相互作用促进了肿瘤干细胞由一个组织转移到另一个组织，并在转移灶增殖、分化,形成肿瘤转移灶。

CXCR4/SDF-1信号转导通路如图5所示。

CXCL12/CXCR4轴激活其下游的PI3K/Akt通路和Ras-Raf-MEK-ERK通路在正常和肿瘤的血管生成中尤其是促VEGF的分泌、迁移与侵袭中起着关键作用。

CXCL12/CXCR4轴在不同细胞激活后通过其下游不同的信号通路参与细胞的生物学功能，是细胞依赖性的。

在人乳腺癌细胞中CXCL12/CXCR4轴活化后通过激活其下游的PI3K/Akt通路促进VEGF分泌参与肿瘤的血管生成[43]。

而在不同的前列腺癌细胞系CXCL12/CXCR4轴激活后分别通过其下游PI3K/Akt信号通路和MAPK/ERK信号通路促进分泌不同的血管生成因子[44]。

与此同时，在不同的细胞PI3K/Akt通路和

MAPK/ERK通路激活有的是通过其中的一条通路促进细胞的迁移侵袭[45]-[47]。

有的则是两条通路共同参与该过程[48]。

与CXCR4相关的这些通路多为肿瘤细胞转移和逃避凋亡所控制的一些通路，这就暗示以CXCR4为靶点的治疗在抗肿瘤治疗方面有巨大潜力。

图5CXCR4/SDF-1信号转导通路示意图

1.6BMPs信号通路

骨形成蛋白信号通路BMPs受体（BMPR）是一种跨膜蛋白，属于丝/苏氨酸激酶受体，分Ⅰ和Ⅱ型，两者都在信号转导中起重要作用。

这些受体具有相似的结构，它们都具有胞外区，跨膜区及胞内区。

胞外区富含糖基化半胱氨酸，负责配体的识别和结合；

胞内区是富含丝/苏氨酸激酶高度同源结构域，可激活下游信号[49]。

BMPs以自分泌或旁分泌的形式被释放后，两个单体便通过二硫键形成有活性的二聚体，BMPs二聚体与位于靶细胞膜上BMPR-

Ⅰ和Ⅱ结合形成受体复合物，使BMPR-Ⅱ发生自身磷酸化而活化,活化的BMPR-Ⅱ磷酸化BMPR-ⅠGS区的丝/苏氨酸残基从而使之活化，活化的BMPR-Ⅰ再作用于胞浆内的R-mads（Smad1、5、8）羧基末端的丝氨酸，使R-Smads磷酸化而被激活，磷酸化的R-Smads再与Co-Smads（Smad4）结合形成复合物并转移入核，影响目的基因（Id1、Id2和Hes5等）的转录，从而参与生命活动的调节[50]。

BMPs信号转导通路如图6所示。

Piccirillo等[51]研究发现BMPs可抑制脑肿瘤干细胞的成瘤能力，用BMP4干预脑肿瘤干细胞48h，可使脑肿瘤干细胞克隆性指数降低70%，数量减少50%，这些发现显示BMPs信号通路可作为脑肿瘤干细胞的一个关键的抑制性调节剂。

Li等人[52]发现TNFα突变的MCF-7细胞系中的侧亚群细胞的自我更新能力减低，凋亡增加了。

Lee等[53]发现在一些取自患者的样本中，BMP2/4能显著促进脑肿瘤干细胞向胶质细胞分化，但在一个样本中，BMP2/4不能促进脑肿瘤干细胞的胶质分化，相反却促进增殖和肿瘤形成，后发现之所以出现这种现象是由于这个样本中的脑肿瘤干细胞不能表达BMPR-Ⅰb，这就类似于早期胚胎神经干细胞，BMP2/4是促进其增殖的，进一步研究发现大约有20%胶质瘤样本属这种情况，显然BMP2/4对这一类的脑肿瘤干细胞与BMPR-Ⅰb正常表达的脑肿瘤干细胞作用机制是不一样的。

1.7其他信号分子

除了上述多种重要的调控机制外，还有一些信号分子也可以影响肿瘤干细胞的自我更新和分化，现有的研究表明，肿瘤干细胞很可能是处在一系列信号传导通路网络的调控下。

Kim等[54]通过实验证实，在浸润性乳腺癌中85%表达Bmi-1，由此可以推测Bmi-1与乳腺癌干细胞有着密切关联，具体机制尚需证实。

Levinad等[55]在一项关于肺癌干细胞的研究中发现肿瘤干细胞表达C-kit受体，并可产生干细胞因子（StemCellfaetor,SCF），受SCF/c-kit信号通路的调控。

有研究表明在表皮生长因子受体（EGFR）通路持续激活时，Ink4a/Arf基因的缺失能够促使星型胶质细胞转变为肿瘤干细胞[56]。

Nanog可作为HCC中CSCs的全新生物学标记，且Nanog可以通过IGF1R信号通路在维持CSCs自我更新中扮演重要作用[57]。

KLF4可直接结合Nanog启动子近端区，与PBX1协同调控Nanog的表达，从而影响细胞的自我更新[58]。

细胞周期蛋白依赖性激酶（CDC2）属于Ser/Thr蛋白激酶家族成员，与细胞周期蛋白CyclinB形成复合物，促使细胞进入和走出M期，并受CDK抑制蛋白CKI的负向调控，在生理状态下使细胞分裂有序进行，在人类多种恶性肿瘤中CDC2通常过表达，Nozoe等[59]在神经节细胞胶质瘤恶性发展过程中基因表达谱中发现了CDC2基因与神经干细胞分化相关，提示CDC2有可能也是神经干细胞与神经节细胞胶质瘤起源细胞分化的共同调控通路。

Eun等[60]在乳腺癌中发现CDC2基因与肿瘤干细胞的分化密切相关。

在胶质母细胞瘤干细胞样细胞中，抑制MEK能够降低MDM2的表达，而在抑制MEK或者MDM2时导致p53的激活，同时伴有依赖于p53的MGMT表达的下调；

另一方面，抑制MEK能恢复耐药的胶质母细胞瘤干细胞样细胞对替莫唑胺的敏感性[61]。

2肿瘤干细胞的信号通路药物治疗

现有的肿瘤治疗方法如手术、化疗和放疗难以杀伤肿瘤干细胞，因此寻找以肿瘤干细胞为靶点的治疗方法显得十分必要，Wnt、Notch、Hedgehog等信号通路的异常激活存在于多种肿瘤干细胞中，针对这些信号途径进行靶向治疗成为了一种重要的手段。

干扰PI3K/AKT/mTOR信号通路的药物有雷帕霉素及其类似物特癌适和依维莫司。

它们并非直接与mTOR结合，而是通过结合mTOR的免疫亲和素FK506而发挥抑癌作用[62]。

Hu等使用Wnt信号通路拮抗剂WIF1-Fc和sFRP1-Fc抑制Wnt信号通路后，造成了E2F1、cyclinD1、c-myc等分子的下调，促进了肝癌细胞的凋亡并降低了血管内皮生长因子的表达，通过抑制肿瘤血管形成而发挥了强有力的抗肿瘤活性[63]。

其中环靶明主要通过与Smo结合，抑制Smo的细胞内信号转导，从而抑制Hedgehog信号通路

[64]。

而GDC-0449也主要针对SMO，目前已进入临床试验阶段[65]。

此外，Mueller等在体外和体内的胰腺癌模型上研究发现，单一抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路或单一抑制Hedgehog信号通路或单一化疗均难以有效杀灭胰腺癌干细胞，而联合环靶明/CUR199691抑制Hedgehog信号通路、雷帕霉素抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路和化疗可降低胰腺癌干细胞数量至近乎检测不到的水平[65]。

3展望

肿瘤干细胞是一种具有启动肿瘤的选择性和自我更新能力的肿瘤细胞亚群，通过分化增加大部分肿瘤细胞的癌变[67]。

但是，肿瘤干细胞理论为恶性肿瘤的治疗提供了新