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1、在胚胎发育及肿瘤发生转移过程中EMT的生物学作用在胚胎发育及肿瘤发生转移过程中EMT的生物学作用 学号：2120111423姓名：宋少堂在胚胎发育及肿瘤发生转移过程中EMT的生物学作用摘要上皮细胞间质转换(epithelialmesenchymal transitions，EMT)是一种基本的生理病理现象，参与胚胎发育、组织重建和肿瘤进展，上皮细胞表型的缺失及问质特性的获得是其主要特征。EMT最早发现于发育生物学，Garry Greenburg与Elisabeth Hay经细胞实验证明上皮细胞会暂时丧失他们的细胞极性，并且表现出具有移行能力的间质细胞特征，正式提出EMT的概念。它不仅存在于多细

2、胞生物的胚胎发生过程中，同时也存在于多种慢性疾病(如肾纤维化)的发病以及肿瘤的发展过程。它以上皮细胞极性的丧失及其间质特性(成纤维细胞样的外形，波形纤维蛋白、Snail、骨桥蛋白基因的表达)的获得为主要特征，并且与肿瘤细胞的原位侵袭和远隔转移有着密切的关系。关键词 胚胎发育 肿瘤的发生与转移 EMT按照发育生物学观点，个体所有的细胞和结构都是由受精卵在基因调控下按特定时空顺序发育而来的。然而，存在于生物体内的肿瘤是非正常的生物体结构，有史以来极大地威胁着生物体的健康和生命。发育生物学家认为，肿瘤是一种特殊的生命现象，也是一种特殊的疾病，肿瘤是个体发育中自然选择的产物，只不过这种自然选择的结果不

3、利于人体的正常发育和健康1.EMT是胚胎发育的过程中必需的生理机制，同时在肿瘤的演进中发挥了关键的作用。本文就EMT的现象及分子机制以及在发育中的研究现状和在肿瘤的发生、发展的关系及表达情况做一些概括性的介绍，旨在从另外一个角度-发育生物学的角度来看待肿瘤的发生并寻找一些新的对抗肿瘤的思路。1.EMT的概念多细胞动物由两种形态和功能均不相同的细胞组成，即上皮细胞和间充质细胞。上皮细胞是粘连细胞，它们通过细胞与细胞间的粘连复合体紧密连接形成连贯的细胞层。上皮细胞呈现顶-基地极性，这一特性使它们可以定位于基底膜，由基底膜将上皮细胞与其它组织分开。相反，间充质细胞没有极性，并且缺乏细胞细胞间的连接，

4、所以，它们可以在细胞外基质间独立移动。上皮细胞和间充质细胞两种细胞表型并不是不可逆转的，在胚胎发育过程中，细胞可以在上皮细胞和间充质细胞两种状态间转换2。上皮细胞间质转换及间充质细胞上皮转换，这两个概念是由Elizabeth Hay在40年前首次提出的。他利用一个鸡原肠胚模型，提出观点：上皮细胞可以经过表性改变转化为间充质细胞，相反，间充质细胞也可以恢复成上皮细胞。EMT这一进程是早期脊椎动物胚胎发育中胚层形成和细胞迁移的基础。EMT的过程可以分为几个自发发生的步骤3，首先，上皮细胞发生变化，能够接受EMT诱导信号的刺激；其次，这些刺激信号促使上皮细胞的细胞间紧密连接复合体分裂并使其丧失顶-基

5、地极性；此外，细胞骨架的改变是细胞可以独立迁移的关键因素。同时，蛋白酶激活降解基底膜允许细胞侵入。最后，在EMT的过程中，细胞获得迁移和侵袭的能力使它们能够穿越细胞外基质。2.EMT的生物学标志许多不同的生物学标记被用来阐明EMT的发生。这里我们列举出其中的一部分，它们有的在EMT的过程中表达增加有的降低。2.1细胞表面标志钙连接素(cadhefrins) 钙连接素是一种跨膜糖蛋白，主要参与细胞间的连接，分为E-cadherins，P-cadherins和N-cadherins三种，而E-cadherins是其中影响肿瘤侵袭转移较重要的一种，同时，也是EMT的关键分子4。具有侵袭性的肿瘤细胞重

6、新表达E-cadherin可以逆转肿瘤细胞的侵袭性。维持稳定的细胞连接需要E-cadherin，抗E-cadherin抗体可以破坏细胞间连接，从而诱发EMT。E-cadherin可与-连环素(-catenin)和-环素( -atenin)结合，形成E-cadherin-连环素复合体，其与肌动蛋白细胞骨架的正确连接对于细胞间粘附的稳定相当重要 。E-cad的表达下调或抑制可以开启EMT，并导致肿瘤的浸润及转移。E-cad的表达与肿瘤的侵袭能力呈负相关。除了E-cad表达的丧失，EMT过程中还可伴有其他钙连接素的生成。另一种钙黏蛋白，N-钙黏蛋白(N-cad)在EMT发生后表达增加5。与E-cad

7、的作用相反，在间质型细胞中，N-cad具有促进肿瘤细胞运动和转移的作用，而且其介导肿瘤细胞的侵袭作用可超过E-cad介导细胞间的黏附作用。因此，Cavallaro等提出cadherin-switch学说。即上皮细胞发生间质细胞表型转化时，伴随E-cad的丢失和N-cad的表达，该学说有力支持了恶性肿瘤是由良性肿瘤进一步发展而来的观点。2.2 细胞骨架标志FSP1是Ca2+结合S100蛋白家族的成员之一，它是检测EMT的一个典型的成纤维细胞的标志。在肿瘤模型中，转移性的细胞多为FSP1表达阳性6。异位表达FSP1也可以促进EMT进程。但FSP1作为EMT的生物标志存在局限性，不适用与原始间充质细

8、胞的形成7。 另外一个反向的指标是中间丝状体Vimentin，Vimentin的表达水平与肿瘤的侵袭和转移能力正相关，可以作为肿瘤细胞的生物指标。 -SMA是actin家族成员之一，在乳腺癌中已证实其与乳腺癌细胞发生密切相关8。 -Catenin是在EMT中发挥着双重作用9,10：一方面，它连接钙粘连到细胞骨架，另一方面，它与(TCF)/LEF共同形成转录因子复合体。-Catenin的活性调节主要是通过不同的机制调控其在胞浆中的水平来实现的。-catenin/TCF/LEF复合体可以直接调控EMT相关基因表达11。在正常上皮细胞和非侵袭肿瘤细胞，-catenin定位于细胞膜，而在细胞发生EMT

9、后，-catenin定位于细胞浆或细胞核。2.3. 细胞外蛋白 Fibronectin是一种高分子糖蛋白作为细胞连接纤维性细胞外基质的脚架12。在EMT过程中它表达上调。原始基底膜的主要组分之一IV型胶原，层粘连蛋白，巢蛋白和硫酸盐蛋白聚糖均在EMT过程中下调，其中，层粘连蛋白是EMT最为确认的生物标记13。2.4 转录调节因子Snail是一种含有锌指结构的DNA结合蛋白，可以通过同Smad相互作用蛋白(SIPI)竞争性结合E-cad启动子部位的E-box连接基序，抑制E-cad基因的表达以及波形蛋白表达水平的上升，引起上皮细胞向间质细胞表型的转变，同时伴有E-cad的下调，从而引起EMT14

10、。最早在果蝇中发现它特异表达于尚未发生EMT的中胚层细胞中，调控原肠胚的形成 ；在MDCK(Madin Darby canine kidney)细胞中，Snail与E-cad的表达呈负相关 ，缺乏E-cad的癌细胞出现大量的Snail，将Snail转染至E-cad阳性的细胞可以导致细胞E-cad表达水平的下降，并表达出波形纤维蛋白等间质标记物，从而导致细胞EMT的发生。SIP1(Smadinducible protein)也是一种锌指蛋白，也可以抑制E-cad的表达。SIP1与E-box的结合序列有部分与Snail重叠。在某些E-cad缺失的人类癌细胞系中，SIP1呈高表达。另外，某些E-ca

11、d启动子高度甲基化的细胞系亦呈高表达SIP1。Slug和Snail同属于锌指蛋白Snail超家族，与Snail在小鼠原肠胚形成过程中下调E-cad一样，在鸡原肠胚形成过程中，Slug也可以下调E-cad的表达 。在FGF-1诱导的EMT中，上皮细胞SlugmRNA水平短暂性上升。反义或显性负突变实验表明，Slug可以诱导EMT的发生13。Yang等 从野生型BALBc小鼠乳腺肿瘤细胞系，发现了一个新的诱导EMT的转录因子Twist，其分子机制与SnailSlug相似，都是结合E一钙黏蛋白启动子区的E-box连接基序，抑制E-钙黏蛋白的表达。Twist是一个高度保守的转录因子，它可以调节胚胎发育

12、中的组织重建，并赋予细胞迁移的能力。研究发现 ，在MDCK细胞中，表达Twist的细胞呈细长形，E-cad和-catenin等黏附连接蛋白表达降低,从而引起EMT。Twist在上皮来源的乳腺癌转移中起重要作用。另外，Twist的过度表达也是弥漫性胃癌发生EMT的一种重要因素。Twist可以直接促进snail的表达 。运用siRNA抑制Twist的表达可以极大地减弱肿瘤细胞的转移特性16。3.EMT与胚胎发育及某些慢性病3.1 EMT在胚胎发育中的作用 EMT 最早被发育生物学家用来描述在胚胎发育过程中某些特定部位的上皮细胞所发生的形态学改变，使其在生物学上更适合侵袭转移。例如在胚胎期器官形成的

13、过程中，上皮细胞变得类似于成纤维细胞，从而具有了强大的移动能力。EMT 与立方上皮细胞通过下调细胞粘附相关基因(如E-钙粘素)、丢失细胞之间的相互作用以及改变细胞角蛋白(细胞骨架)的外形有关。同时上皮细胞也获得了间充质细胞(成纤维细胞)具有的一些特征：伸展性的成纤维细胞样的外形，波形纤维蛋白、Snail、骨桥蛋白的表达，这些改变导致上皮细胞在生物学特性上更具有侵袭性和移动性。研究表明，EMT至少从以下三方面调节着哺乳动物的胚胎发育： 器官形成：与原肠胚、四肢以及肺、肾、胃、心等器官的形成有关；胚层分化：EMT与体壁内胚层和中胚层的分化，以及定形内胚层的形成有关； 神经系统分化：EMT促进了背神

14、经上皮细胞向神经管嵴细胞的转化，进一步引起背神经上皮细胞向外周神经系统中的多种神经元细胞、神经胶质细胞、色素细胞以及心脏、面颊、颈部的结缔组织的分化17。3.2 EMT异常导致的慢性病 EMT的异常可以导致某些慢性病的发生。比如肾小管上皮可以通过EMT 获得间充质细胞的特征，从肾小管游离到肾脏间质，并逃脱细胞凋亡过程。EMT 目前被认为是肾脏纤维化的主要因素，它导致。肾脏间质成纤维肌细胞的增生，最终导致肾小管的纤维化。发生了EMT的细胞中某些情况下可以去分化重新成为有功能的上皮细胞。在肾脏纤维化的过程中，BMP-7和TGF-I31是两种主要的调节因子。TGF-I31已经被明确是EMT的诱发因素

15、，BMP-7则是TG1的拮抗因子，BMP-7通过抑制Smad信号传导通路拮抗TGF-t31的作用，这一机制可能在肾纤维化的修复过程中发挥作用。因此，研究BMP-7的抗EMT作用在肾纤维化的治疗领域开辟了新的途径18。4.EMT与肿瘤的发生4.1 EMT与肿瘤侵袭研究证实EMT在肿瘤细胞浸润过程中扮演了重要的角色。细胞划痕实验表明，发生EMT的细胞能更快的迁移，在更短时间内使划痕愈合。对多种肿瘤细胞的体内研究发现，呈上皮样的肿瘤细胞是非浸润性的，表达上皮细胞特异性的E-钙粘蛋白；而呈纤维样的癌细胞是浸润性的，并有E-钙粘蛋白丢失现象，发生明显的EMT。在肿瘤发生过程中，转录抑制机制是E-cadh

16、efin表达下调的一个关键程序。在肿瘤的侵袭和演进过程中，上皮细胞的多形性改变和去分化表现是肿瘤演进的标志。已有的大量研究证据表明，在多数肿瘤的原位已有EMT的发生。E-cadhefin的表达与肿瘤的侵袭能力呈负相关。TGF-等生长因子诱导EMT的发生，进而导致肿瘤细胞的侵袭。Han等人发现，在皮肤癌中，TGF-通过激活多种下游分子，进而介导了肿瘤细胞的EMT，并可能导致了肿瘤的侵袭转移19。4.2 EMT与肿瘤的转移肿瘤转移是指恶性肿瘤脱离原发肿瘤通过各种转移方式，到达继发组织或器官得以继续增殖生长，形成与原发肿瘤相同性质的继发肿瘤的全过程。它包括多个过程，其中肿瘤细胞侵袭是肿瘤转移的前提，

17、而EMT在肿瘤细胞侵袭过程中起着重要作用。当肿瘤细胞E-cadherin下调时，可使非侵袭性肿瘤转变为高侵袭性肿瘤。若将E-cadherin cDNA转染进入高侵袭性肿瘤细胞中，这些细胞的侵袭性和迁移性受到极大限制。Putz等研究发现，从前列腺癌、乳腺癌、结肠癌患者骨转移灶中收集到的肿瘤细胞均表达EMT的标记物，证实了EMT的发生。卵巢癌在发生转移的过程中也存在EMT。Davies等人发现20在分化好的卵巢癌中存在E-cadherin表达，而分化差的卵巢癌则不表达E-cadherin21。Twist表达的上调也和黑色素瘤的恶性转型以及T细胞淋巴瘤有密切关系 。最近，一种可逆的EMT模型被提出来

18、以更好的解释肿瘤转移的动态过程 。在此模型中，癌细胞首先通过EMT而获得侵袭性，以实现对周围组织的浸润和远处器官的转移。一旦这一过程完成，这些细胞就可能通过间质细胞上皮转型(mesenchyma1-epithelial transition，MET)而重新获得增殖能力。这模型很好的解释了肿瘤转移的动态过程。4.3 EMT与干性富集最近越来越多的证据证明经历EMT的细胞获得干细胞样特性。这一现象首先在乳腺癌中得到证实，E-cad表达抑制诱导细胞发生EMT后乳腺癌干细胞的比例明显增加。但是，在正常的组织中EMT是否也能诱导正常干细胞的产生人需要进一步的证实。正常的干细胞和肿瘤干细胞可能都享有了间充

19、质细胞的一些表型，来提高他们的维持干性的能力，保持迁移能力，在扩大和分化过程中对不同的刺激发生反应。为发生转化的永生人乳腺上皮细胞通过过表达Snail或Twist，或TGF-刺激的情况下发生EMT，CD44high/CD24low亚群的永生人乳腺上皮细胞的比例明显增加22。同时，还有研究证实Zeb1也可以赋予上皮细胞干细胞样潜能23。5.展望EMT是胚胎发育的过程中必需的生理机制，同时在上皮性肿瘤的演进中发挥了关键的作用。研究EMT的始动因子及其下游激动剂(MEK、Src、Pi x)在肿瘤生长，逃逸，转移中的作用，以及如何阻断这一机制的发生，在各种肿瘤的诊断治疗中有其重要意义，势必成为肿瘤研究

20、的新热点。目前EMT在肿瘤侵袭和转移方面的研究还存在种种难题，如观察不便、Twist的诱导机制不够明朗，如何找出可靠的分子标记，以确定那些正在经历EMT的肿瘤细胞等。这将是日后EMT与肿瘤过程中有待解决的重要问题。1.Papaioannou V EOntogeny，pathology，oncologyInt J Dev Biol，1993，37(1)：33-372.Acloque H, Adams MS, Fishwick K, Bronner-Fraser M, Nieto MA.Epithelial-mesenchymal transitions: the importance of ch

21、anging cell state in development and disease.J Clin Invest.2009;119:1438-14493.Thiery JP, Sleeman JP. Complex networks orchestrate epithelial-mesenchymal transitions. Nat Rev Mol Cell Biol. 2006;7:131-142.4.Foty RA, Steinberg MS.Cadherin-mediated cell-cell adhesion and tissue segregation in relation

22、 to malignancy .Int J Dev Biol. 2004;48:397-409.5.Hazan RB, Phillips GR, Qiao RF, Norton L, Aaronson SA.Exogenous expression of N-cadherin in breast cancer cells induces cell migration, invasion, and metastasis .J Cell Biol. 2000;148:779-790.6. Strutz F, Okada H, Lo CW, et al.Identification and char

23、acterization of a fibroblast marker: FSP1.J Cell Biol. 1995;130:393-405.7. Gabbiani G, Kapanci Y, Barazzone P, Franke WW. Immunochemical identification of intermediate-sized filaments in human neoplastic cells. A diagnostic aid for the surgical pathologist. Am J Pathol. 1981;104:206-216.8. Xue C, Pl

24、ieth D, Venkov C, Xu C, Neilson EG. The gatekeeper effect of epithelial-mesenchymal transition regulates the frequency of breast cancer metastasis. Cancer Res. 2003;63:3386-3394.9. Bienz M. beta-Catenin:a pivot between cell adhesion and Wnt signalling. Curr Biol.2005;15:R64-67.10. Gavert N, Ben-Zeev

25、 A.beta-Catenin signaling in biological control and cancer.J Cell Biochem.2007;102:820-828.11.Yook JI, Li XY, Ota I, et al. A Wnt-Axin2-GSK3beta cascade regulates Snail1 activity in breast cancer cells.Nat Cell Biol. 2006;8:1398-1406.12. Hynes RO, Yamada KM. Fibronectins: multifunctional modular gly

26、coproteins.J Cell Biol.1982;95:369-377.13. Giannelli G, Bergamini C, Fransvea E, Sgarra C, Antonaci S.Antonaci S. Laminin-5 with transforming growth factor-beta1 induces epithelial to mesenchymal transition in hepatocellular carcinoma. Gastroenterology.2005;129:1375-1383.14. Peinado H, Olmeda D, Can

27、o A.Snail, Zeb and bHLH factors in tumour progression: an alliance against the epithelial phenotype Nat Rev Cancer. 2007;7:415-428.15. Barrallo-Gimeno A, Nieto MA.The Snail genes as inducers of cell movement and survival:implications in development and cancer. Development.2005;132:3151-3161.16. More

28、no-Bueno G, Portillo F, Cano A.Transcriptional regulation of cell polarity in EMT andcancer. Oncogene. 2008;27:6958-6969. Oncogene. 2008;27:6958-6969.17.Thiery JP，Chopin DEpithelial cell plasticity in development and tumor progression JCancer Metastasis Rev，1999，314218.Lan HY Tubular epithelialmyofi

29、broblast transdifferentiation mechanisms in proximal tubule cellsJCurt Opin Nephrol Hypertens，2003.252919.Han G，Lu SL，Li AG，et a1Distinct mechanisms of TGF-betal-mediated epithelial to mesenchymal transition and metastasis during skin carcinogenesisJJ Clin Invest，2005，115(7)：1714172320. Putz E, Witt

30、er K, Offner S, et al. Phenotypic characteristics of cell lines derived from disseminated cancer cells in bone marrow of patients with solid epithelial tumors: establishment of working models for human micrometastases. Cancer Res. 1999;59:241-248.21. Davies BR, Worsley SD, Ponder BA. Expression of E

31、-cadherin, alpha-catenin and beta-catenin in normal ovarian surface epithelium and epithelial ovarian cancers. Histopathology. 1998;32:69-80.22. Mani SA, Guo W, Liao MJ, et al. The epithelial-mesenchymal transition generates cells with properties of stem cells. Cell. 2008;133:704-715.23. Wellner U, Schubert J, Burk UC, et al. The EMT-activator ZEB1 promotes tumorigenicity by repressing stemness-inhibiting microRNAs. Nat Cell Biol. 2009;11:1487-1495.