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世界华人消化杂志. 2006-01-18; 14(2): 201-206
在线出版日期: 2006-01-18. doi: 10.11569/wcjd.v14.i2.201
Wnt/β-catenin 信号通路与大肠癌的始发和防治策略
李琳娜, 袁守军
李琳娜, 袁守军, 军事医学科学院放射与辐射医学研究所药理毒理研究室 北京市 100850
通讯作者: 袁守军, 100850, 北京市, 军事医学科学院放射与辐射医学研究所药理毒理研究室. yuansj@nic.bmi.ac.cn
电话: 010-66930271 传真: 010-68214653
收稿日期: 2005-11-08
修回日期: 2005-12-01
接受日期: 2005-12-02
在线出版日期: 2006-01-18

大肠癌的发生是一个多因素、多阶段、多基因改变渐进性累积的复杂过程. Wnt/β-catenin信号通路中关键成分的异常改变, 导致该通路的高度激活, 在细胞水平上表现为过度增殖, 在组织水平上表现为肠黏膜上皮转变为腺瘤性息肉. 这是大肠癌形成的重要起始环节之一. 对Wnt/β-catenin通路中关键成分异常改变的检测是实现大肠癌早期诊断的基础. 在治疗干预方面, 一些非甾体抗炎药、COX-2抑制剂、酪氨酸激酶抑制剂和血管生成抑制剂等能抑制Wnt/β-catenin通路过度激活, 而有望在大肠癌的治疗中发挥作用; 而以该通路中关键成分为靶点设计的生物制剂、小分子化合物, 已显示出良好的体外抗癌作用.

关键词: 大肠癌; β-catenin; APC
引文著录: 李琳娜, 袁守军. Wnt/β-catenin 信号通路与大肠癌的始发和防治策略. 世界华人消化杂志 2006; 14(2): 201-206
N/A
N/A
Correspondence to: N/A
Received: November 8, 2005
Revised: December 1, 2005
Accepted: December 2, 2005
Published online: January 18, 2006

N/A

Key Words: N/A
0 引言

大肠癌的发生是一个多因素、多阶段、多基因改变渐进性累积的复杂过程. Wnt/β-catenin信号通路中某些关键成员的基因异常改变(突变或缺失), 与大肠癌的始发密切相关, 如: APC(adenomatous polyposis coli)蛋白、β-catenin蛋白、Axin蛋白等, 其基因异常改变最终导致Wnt/β-catenin信号通路的高度激活, 肠黏膜上皮过度增生, 这是进一步恶化的基本前提. 我们就Wnt/β-catenin通路关键成员发生异常改变与大肠癌始发的关系和干预的策略, 作一概述.

1 Wnt/β-catenin信号通路及其调控
1.1 Wnt/β-catenin

通路的关键分子是β-catenin 细胞膜、细胞质和细胞核均存在β-catenin[1,2]. 细胞膜上的β-catenin与E-cadherin(钙依赖性上皮细胞黏附分子)、a-catenin、actin等构成连接复合体, 介导同型细胞相互黏附[3]. β-catenin的磷酸化决定其在该复合体中的存留: β-catenin的丝/苏氨酸磷酸化, 促进E-cadherin和β-catenin的结合; 而表皮生长因子(EGF)、血小板衍化生长因子(PDGF)、肝细胞生长因子(HGF)等生长因子及其受体使β-catenin的酪氨酸磷酸化, 促使β-catenin从复合体中解离, 进入细胞质[4-6].

胞质中的β-catenin与Axin、APC、GSK-3b(glycogen synthase kinase-3b)等形成"破坏复合体(destruction complex)", 经蛋白酶体水解作用而降解. 未被降解的β-catenin进入细胞核, 调节相关靶基因的转录[1,2].

1.2 Wnt信号对β-catenin的调节

从新秀丽小杆线虫(C.elegans)到人类, 各种动物均存在wnt基因, 且序列高度保守、基因功能相似, 都参与胚胎早期的发育调控[7]. Wnt基因编码一种富含胱氨酸的分泌型糖蛋白, 调控Wnt/β-catenin信号通路和Wnt/Ca2+信号通路.

Wnt/β-catenin通路的核心事件是调节β-catenin的稳定性. 无Wnt信号刺激细胞时, 酪蛋白激酶CKⅠ(casine kinase I)将细胞质中β-catenin的Ser45磷酸化[8,9], 磷酸化后的β-catenin与Axin、GSK-3b、APC等形成"破坏复合体", 复合体中的GSK-3b又相继使β-catenin的Ser41、Thr33、Thr37磷酸化[10-12], 而使β-catenin能被泛素连接酶复合体E3的亚单位b-TrCP (b-transducin repeat-containing proteins)识别, 经蛋白酶体途径被降解[13], 因而此时细胞内的β-catenin水平较低.

当细胞受到Wnt信号刺激时, Wnt蛋白与Frizzled受体相结合, 活化后的Frizzled受体, 募集一种特定的G蛋白(dishevelled, Dvl)至细胞膜内侧, 在辅助受体LRP5/6(low density lipoprotein receptor related protein 5/6)的协助下, 结合"破坏复合体"中的Axin, 使复合体解聚, 阻止了GSK-3b对β-catenin的磷酸化, 避免β-catenin经泛素-蛋白酶体途径降解[14-16], 从而使β-catenin稳定存在于胞质中, 并很快进入细胞核, 与转录因子TCF/LEF(T cell factor/lymphocyte enhancer factor)结合成复合体, 促进TCF/LEF与特定靶基因的启动子结合, 激活靶基因的转录[17,18]已知Wnt/β-catenin通路能调节30多种基因的转录活性, 目前研究较为关注调节肿瘤细胞增殖和侵袭转移的基因, 包括c-myc、cyclinD1、survivin、gastrin、c-met、COX-2、FGF18、 MMP-7、uPAR、CD44、VEGF、ASEF等[19].

2 大肠癌细胞Wnt/β-catenin信号通路的主要基因缺陷

Wnt/β-catenin信号通路的成员较多, 在大肠癌细胞, 该通路主要的基因缺陷为APC、β-catenin和Axin的突变或缺失. 最终的结果是Wnt/β-catenin通路在无Wnt信号刺激时, 保持持续激活状态. 临床研究发现, 70%-80%的大肠癌存在APC缺失或突变[20], 而β-catenin突变和Axin的突变发生率较低, 仅发生于少数携带野生型APC的大肠癌中[21]. Sparks et al[21]观察了30个大肠癌标本, 未见APC缺失或突变与β-catenin突变同时发生. Samowitz et al[22]发现β-catenin的突变在小腺瘤中更常见, 而在浸润性腺癌中并不常见. β-catenin突变肿瘤的侵袭能力似乎不及APC缺失或突变的肿瘤. 与β-catenin的激活性突变相比, APC的缺失或突变能为细胞提供更强的生长优势, 这提示除了促进β-catenin降解外, APC还具有其它重要作用.

2.1 APC

APC突变常发生于第15个外显子5'-末端1 280-1 500密码子之间突变簇集区(mutation cluster region, MCR)[18], 即Axin结合位点, 产生的截短型APC蛋白丧失与Axin结合的能力, 不能形成"破坏复合体"降解β-catenin, 使β-catenin聚集于细胞质和细胞核中[23]. Smits et al[24]培育出一种表达截短型APC蛋白的基因突变小鼠, 但这种APC保留了一个Axin结合位点, 可以形成"破坏复合体"降解β-catenin, 这种小鼠存活了下来, 而且未产生大肠肿瘤.

APC蛋白除了可以调节胞浆中β-catenin的稳定性, 还有维持染色体稳定性的功能. Tighe et al[25]观察到APC突变的小鼠胚胎干细胞显示出近四倍体的核型, APC突变的人类细胞中也出现了异常纺锤体结构和弱化的动粒-微管连接. 这提示APC还具有促进纺锤体正确形成并维持细胞整倍体状态的功能. APC的突变促进了CIN(chromosome instability)的形成, 这可能使突变细胞获得更强大的生长优势.

2.2 β-catenin

β-catenin最常见的突变位点是GSK-3b作用的磷酸化位点, 即β-catenin N末端丝/苏氨酸残基[20]. 其结果是突变的β-catenin不能被GSK-3b磷酸化, 逃避了b-TrCP介导的泛素-蛋白酶体降解, 稳定的存在于胞质中, 且保持持续激活状态.

2.3 Axin

Axin作为支架蛋白, 其主要作用是构建"破坏复合体"[17], 协助GSK-3b磷酸化APC和β-catenin. 目前认为Axin是一种肿瘤抑制因子, 发生基因缺陷, 则会增强β-catenin活性, 促进肿瘤的形成[26].

3 Wnt/β-catenin通路基因缺陷引发大肠癌

大肠癌形成过程中最早发现的病理变化是异常肠隐窝病灶(aberrant cyrpt focus, ACF)的形成[27]. ACF中的细胞多存在APC突变或缺失, 导致Wnt/β-catenin信号通路的过度激活, 从而启动大肠癌的发生[27].

肠隐窝上皮细胞的更新是细胞增殖、分化、向肠腔迁移这一系列事件协调发展的结果. 肠隐窝底部的多能干细胞在迁移到隐窝下部时转变为原始祖细胞; 当迁移到隐窝中部时分化为不同类型的细胞; 到达隐窝顶部肠上皮表面时, 细胞开始凋亡并落入肠腔. 这个增殖和分化周期相当活跃和迅速, 整个过程需要3-5d, 肠道每天脱落的细胞达1 011个[28].

肠隐窝细胞恶性转化的第一步是APC突变或缺失造成的. 在正常的肠隐窝结构中, 从肠隐窝底部至顶部这个生长分化的方向来看, APC的表达呈逐渐增高趋势[29,30], β-catenin的核内聚集逐渐减少, β-catenin调节的靶基因如c-myc、survivin、CD44等的表达也随之沿该方向逐渐减少[31,32]. APC的突变不仅能引起细胞水平的变化, 也会导致组织水平的异常变化. 以其靶基因survivin的调节为例: 正常情况下, 由于隐窝底部β-catenin核内聚集状况最为显著, Survivin在该区域的表达量最高, 而这恰恰是增殖干细胞所处的区域, 表明Survivin是防止这些细胞凋亡所必需的; 在肠隐窝中部, APC表达逐渐增加, β-catenin核内聚集趋势明显下降, Survivin表达逐渐减少, 这与该区域细胞停止增殖、开始分化成熟相关; 在肠隐窝顶部, APC表达水平最高, β-catenin无明显核内聚集表型, Survivin表达水平最低, 甚至不表达, 这与该区域细胞已经进行终末分化并开凋亡相关, 在整个过程中, APC通过抑制β-catenin的核内聚集, 抑制Survivin的表达, 使干细胞在向上迁移的过程中通过凋亡而丧失干细胞表型. 如果APC突变, Survivin持续表达, 细胞凋亡受抑制, 突变的干细胞在向肠隐窝顶部迁移的过程中始终维持干细胞样表型, 赋予细胞不死性, 这样就破坏了细胞增殖与分化之间的平衡. 随着多克隆隐窝干细胞数目的激增, 在肠隐窝和肠绒毛的交界处形成了息肉, 随后息肉延伸进入相邻的绒毛内部, 继而填满整个绒毛内空间, 息肉填满相邻几个绒毛后又相互融合. APC突变的直接结果是扩大了肠隐窝的增殖空间, 这导致腺瘤性息肉的形成, 是大肠癌发生的始动环节之一[17,31-33].

4 对Wnt/β-catenin通路的干预策略

Wnt/β-catenin信号通路异常是大肠癌发生的基础. 以此通路中的关键成分为靶点, 构成了大肠癌的早期诊断和治疗干预的基础.

4.1 早期诊断

基于APC基因突变产生截短型蛋白这一基础研究, 发展了一项名为PTT(protein truncation test)的检测技术[34,35], 利用体外转录和·译APC基因的基因组PCR产物来预测家族性腺瘤息肉病(familial adenomatous polyposis, FAP)患者及其家族成员罹患癌症的危险性. 而DNA片段的直接测序, 可以确证APC是否发生突变. 大肠癌引发的死亡可通过早期发现大肠腺瘤来避免, 大部分大肠癌在最早期阶段都存在APC功能丧失, 现有的这两种筛查大肠癌的分子生物学方法能检测出APC的突变.

β-catenin的表达与细胞内定位已经用于消化道肿瘤的诊断和预后, 大肠息肉中如果β-catenin在胞核内染色较强, 那么它恶性进展为腺癌的危险性更大; 大肠肿瘤组织中如果β-catenin在胞核内染色强, 那么肿瘤生长更富于侵袭性, 术后肿瘤复发率高, 术后生存期短[36,37]. 此外, 联合检测胃肠道上皮细胞肿瘤标记物CK20(cytokertain 20)与β-catenin, 还可鉴别诊断大肠肿瘤是原发还是继发[38].

4.2 以Wnt/β-catenin通路为靶点的治疗干预

临床研究表明非甾体类抗炎药物(non-steroidal anti-inflammatory drugs, NSAIDs)不仅能抑制在肿瘤组织中高表达的COX-2(cyclooxygenase-2), 而且能抑制Wnt/β-catenin通路过度激活, 表现出较强的抗癌活性. 例如, 吲哚美辛(indomethacin)能够以剂量依赖性的方式下调β-catenin的蛋白表达水平, 诱导大肠癌细胞凋亡[39,40]; 舒林酸(sulindac)及其代谢产物(sulindac sulfide, sulindac sulfone), 可取代失活的APC/GSK-3b磷酸化途径, 通过激活蛋白激酶G(protein kinase G, PKG), 诱导β-catenin磷酸化, 进而通过蛋白酶体途径使磷酸化的β-catenin降解[41-43], 下调其靶基因的转录[44]; 阿司匹林(aspirin)和一氧化氮供体型阿司匹林(nitric oxide-donating aspirin, NO-aspirin)虽然不影响β-catenin的蛋白表达水平和细胞内定位, 但前者可使β-catenin特定的丝/苏氨酸磷酸化而处于非转录活化状态, 后者能通过破坏核内β-catenin/TCF复合体而达到抑制靶基因转录的作用, 而且在抑制大肠癌细胞生长的作用上是前者的2 500-5 000倍[45-48]; 选择性COX-2抑制剂塞来考昔(celecoxib)和罗非考昔(rofecoxib)可降低细胞核内β-catenin的水平, 使其重新分布到细胞膜上, 减少相关靶基因的表达[49-52]. 上述药物的抗癌治疗大都进入了Ⅱ期或Ⅲ期临床研究阶段, 塞来考昔还在1999年被美国食品与药品监督管理局(food and drug administration, FDA)批准用于FAP患者, 以减少和抑制其大肠息肉生长[53-57](表1) .内皮抑素(endostatin)是血管生成抑制剂, 通过抑制肿瘤血管生成间接发挥抗癌作用[62]. 最近研究表明[63-65], 内皮抑素还能促进大肠癌细胞中的β-catenin经泛素-蛋白酶体途径降解, 并且抑制被β-catenin过度激活的cyclinD1启动子的活性, 诱导G1期阻滞和细胞凋亡. 已进行的Ι期临床试验表明, 内皮抑素的抗癌作用局限于Wnt/β-catenin通路活性较高的大肠癌中[66](表1).

表1 有抗癌潜能的Wnt/β-catenin信号通路抑制剂.
药物类型作用机制治疗干预阶段
IndomethacinNASID抑制β-catenin表达[39,40] 减少Wnt通路靶基因的表达[39]不同肿瘤实体: Ⅱ/Ⅲ期临床[57]
Sulindac, Sulindac sulfideNASID, Sulindac代谢产物诱导β-catenin经蛋白酶体途径降解[41,44]不同肿瘤实体:Ⅱ期临床[57] FAP; 乳腺癌:Ⅲ期临床[53];
Sulindac sulfoneSulindac代谢产物被PKG磷酸化、诱导β-catenin经蛋白酶体途径降解、诱导caspase活化[41-43]小细胞肺癌: Ⅲ期临床[57] 大肠癌:Ⅱ期临床[55,56]
AspirinNASID使β-catenin丝/苏氨酸磷酸化而失活[45]健康志愿者: 毒性研究、Ⅰ期临床[54]
NO-aspirinNASID破坏β-catenin与TCF的相互作用[46]FDA批准用于FAP及膀胱癌[57];
Celecoxib选择性COX-2抑制剂使β-catenin重新分布于胞膜上[49]乳腺癌: Ⅲ期临床[57];
大肠癌、小细胞肺癌、肝细胞癌：Ⅰ/Ⅱ期临床[57]
Rofecoxib选择性COX-2抑制剂使β-catenin重新分布于胞膜上[50-52]大肠癌:Ⅲ期临床[57]
Glivec/Gleevec酪氨酸激酶抑制剂抑制酪氨酸磷酸化使β-catenin重新分布于胞膜上[61]胃肠道间质瘤、慢性髓性白血病:临床试验[57]
Endostain胶原ⅩⅤⅢ内源性片断诱导β-catenin经蛋白酶体途径降解[64,65]不同肿瘤实体:Ⅰ期临床[57]
F-box chimera人工合成蛋白诱导β-catenin经蛋白酶体途径降解[69-71]体外试验; 动物试验[69-71]
TCF-限制复制型腺病毒重组病毒病毒依赖TCF而复制、融解宿主细胞[67]体外试验[67]
TCF-限制复制型细小病毒重组病毒病毒依赖TCF而复制、融解宿主细胞[72]体外试验[69-71]
依赖TCF而表达fagg基因的腺病毒载体重组病毒依赖TCF而诱导凋亡[68]体外试验[68]
PFK115-584小分子抑制剂; 真菌衍生物破坏β-catenin与TCF的相互作用[73]体外试验[73]
CGP049090小分子抑制剂; 真菌衍生物破坏β-catenin与TCF的相互作用[73]体外试验[73]

分子靶向药格列卫(Glivec/Gleevec)是一种小分子蛋白酪氨酸激酶抑制剂, 已用于慢性髓性白血病和胃肠道间质瘤的临床治疗[57]. 由于生长因子介导的酪氨酸磷酸化也能调节β-catenin的活性[58-60], 所以β-catenin也是格列卫的潜在靶标. Zhou et al[61]研究证实格列卫能使β-catenin重新分布于细胞膜上, 下调β-catenin的转录活性. 格列卫有望进一步开发为大肠癌的辅助治疗药物(表1).

在治疗策略方面, 除了抑制过度激活的Wnt/β-catenin通路外, 还能充分利用它异常激活的特性, 杀死大肠癌细胞. Brunori et al[67]构建了一种重组病毒, 在特定的启动子区域插入TCF结合位点, 利用Wnt/β-catenin通路过度激活、大量TCF与β-catenin结合处于活化状态的特性, 选择性激活特定启动子, 启动病毒复制相关基因的转录, 促进病毒复制而融解靶细胞; 而Chen et al[68]在病毒载体中同时插入凋亡诱导基因, 使其在靶细胞中大量表达而诱导细胞凋亡. 这些重组病毒在体外试验中都显示出抑制肿瘤细胞生长的作用(表1).

总之, 大肠癌的形成源于基因组损伤的渐进性累积. 最初的发病基础之一是Wnt/β-catenin通路的异常激活. 以Wnt/β-catenin通路中的APC、β-catenin为靶点, 在大肠癌的诊断和治疗上有巨大的潜力.

评论
背景资料

大肠癌的发生是一个多基因改变渐进性累积的复杂过程. Wnt/β-catenin通路关键成分发生异常改变与大肠癌始发的关系密切, 以这些关键成分为靶标的药物将成为防治肠癌的重要手段.

研发前沿

一些非甾体抗炎药、COX-2抑制剂、酪氨酸激酶抑制剂和血管生成抑制剂等因能抑制Wnt/β-catenin通路过度激活, 而有望进一步开发为大肠癌的辅助治疗药物;而以该通路中关键成分为靶点设计的生物制剂、小分子化合物, 已显示出良好的的体外抗癌作用.

创新盘点

本文从大肠癌始发和防治策略的角度, 阐述Wnt/β-catenin通路的重要价值.

应用要点

Wnt/β-catenin通路中的APC、β-catenin作为大肠癌的诊断和治疗的靶点, 有很大的临床应用潜力.

名词解释

CIN(chromosomeinstability): 染色体不稳定, 如形成非整倍体, 获得或缺失染色体片段.

编辑:菅鑫妍 审读: 张海宁 电编: 李琪

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