溃疡性结肠炎相关结直肠癌变机制研究进展

摘要

溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)是遗传易感因素和免疫系统异常所导致的一种肠道慢性炎症性疾病, 长期病程可导致多种并发症的发生, 其中以结直肠癌变后果最为严重. UC导致结直肠癌变的机制十分复杂, 从遗传物质到信号转导等的一系列改变可能在UC相关的癌变进程中产生重要影响, 同时在发病机制方面, UC相关结直肠癌(colorectal cancer, CRC)与散发性CRC仍存在一定差异性, 本文重点就上述方面阐述UC相关结直肠癌变机制.

关键词: 溃疡性结肠炎; 结直肠癌; 染色体不稳定; CPG岛甲基化; 微卫星不稳定; 杂合性缺失

Mechanisms underlying development of ulcerative colitis-associated colorectal carcinoma

Jing-Ling Su, Zhan-Ju Liu

Jing-Ling Su, Zhan-Ju Liu, Department of Gastroenterology, Shanghai Tenth People's Hospital, Tongji University, Shanghai 200072, China

Correspondence to: Professor Zhan-Ju Liu, Department of Gastroenterology, Shanghai Tenth People's Hospital, Tongji University, Shanghai 200072, China. zhanjuliu@yahoo.com

Received: March 11, 2010
Revised: June 11, 2010
Accepted: June 28, 2010
Published online: July 8, 2010

Abstract

Ulcerative colitis (UC) is a chronic inflammatory disease of the gastrointestinal tract arising from the genetic predisposing factor and the abnormality of the immune system. Long-term course of UC may cause the development of several complications, such as colorectal carcinoma. The mechanisms underlying the development of UC-associated colorectal carcinoma, involving a series of changes from genetic materials to signal transduction, are extremely complicated and differ from those behind the development of sporadic colorectal carcinoma. This article discusses the mechanisms underlying the development of UC-associated colorectal carcinoma.

Key Words: Ulcerative colitis; Colorectal cancer; Chromosomal instability; CpG island methylation; Microsatellite instability; Loss of heterozygosity

0 引言

溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)是一种直结肠慢性非特异性炎症, 临床上以反复发作的腹痛、腹泻及黏液脓血便为特征, 其病因可能与遗传易感人群在多因素作用下所引起的肠道黏膜免疫系统异常反应相关[1]. 1925年Crohn和Rosenberg首次对与结直肠癌(colorectal cancer, CRC)相关的UC案例作了报道. 现今大部分研究已证实, UC长期患者发生癌变的危险性升高. 据国外文献报道, 10、20及30年UC患者发生CRC的累计危险性分别为0.6%、5.4%和7.5%[2], 而因此所导致的死亡人数占总体患者的15%[3]. 在UC患者中, 有多种危险因素与CRC发生相关, 包括: 疾病持续时间、病变范围、严重程度、发病年龄、CRC家族史、原发性硬化性胆管炎和上皮异型增生等. UC并发CRC癌变可能与其慢性炎症长期作用相关, 其发生发展经历着从正常上皮组织、低度异型增生、高度异型增生到癌变的一个过程[4], 但目前具体机制仍不明, 多方面因素改变均可能在癌变过程中发挥重要作用, 本文重点就上述方面阐述UC导致CRC癌变的机制.

1 染色体不稳定

研究已证实, 在与UC相关CRC中染色体不稳定(chromosomal instability, CIN)发生频率最高(85%)[5,6]. CIN在UC相关CRC癌变进程中是一个早期事件, 通常发生在非异形增生上皮到异形增生上皮, 和异型增生到癌症进程中, 最终导致染色体的一系列改变[7]. CIN存在于异型增生上皮和肠道间质细胞中, 间质细胞的染色体不稳定同样在癌变进程中发挥重要作用. 相关报道证实, 肠道间质细胞中17号染色体上相关位点改变可对结肠癌变产生影响[8]. 导致CIN重要机制之一是端粒损耗. 端粒对于染色体末端的端端融合、降解和重组起到很好的保护作用, 从而能够维持染色体的稳定, 端粒可随细胞分裂而缩短, 因此, 随着年龄增长, 多数正常组织中的端粒长度会有不同程度的变短[9]. 在UC患者中, 病变结肠的细胞端粒缩短速度快于正常结肠组织, 特别在异型增生和癌变的进程中[10]. UC癌变进程中端粒缩短的具体机制不甚明了, 推测炎症反应和氧化损伤可能发挥关键作用[7], 当端粒缩短到一定程度使DNA损伤检查点缺乏时, 就可引起细胞有丝分裂后期形成染色体端端融合, 导致染色体断裂-融合-桥周期形成, 该周期可促进染色体不稳定性的累积. 染色体的端粒损耗最常出现在10、11、21、16和19号[11]. Risques等[12]的研究在UC患者中比较了结肠上皮细胞及胃上皮细胞的端粒缩短速度, 发现结肠上皮细胞的端粒缩短速度最为明显, 是正常对照组的2倍, 而胃上皮细胞端粒与正常对照组相比未见明显缩短, 证实UC病程中端粒缩短机制与局部炎症反应而非遗传性端粒缺陷相关. 但据Getliffe等[13]的研究报道, 与正常对照组、CD对照组比较, UC患者外周血淋巴细胞端粒无明显缩短, 该研究推测, 在UC患者外周血淋巴细胞中, 并不是由端粒缩短, 而可能是由端粒脱帽或检测点蛋白缺失等其他机制导致CIN.

2 CpG岛甲基化现象

在散发性CRC中普遍存在的CpG岛甲基化现象(CpG island methylator phenotype, CIMP)岛甲基化现象同样也在UC相关的CRC癌变机制中发挥重要作用. CpG岛是存在于基因启动子结构中的一些胞嘧啶-鸟嘌呤双核苷酸序列, 过度的胞嘧啶甲基化可促进启动子沉默和某些基因表达的缺失, 由于很多基因涉及细胞周期调控、细胞黏附和DNA修复, 因此CIMP可能与某些癌症的发生相关[14]. DNA甲基化分为A型和C型, A型甲基化与年龄相关, 在正常及癌变的结直肠黏膜中均可检测到(如ER); C型甲基化与CRC癌变相关, 可导致相关基因的病理性沉默(如hMLH1, MGMT, p16, p14)[15]. Osborn等[16]发现在散发性CRC和UC相关CRC中EYA4基因启动子普遍存在高甲基化现象, 该现象与基因沉默相关. 另一项研究阐述了BRAF基因在UC相关的CRC癌变中的作用机制, 发现BRAF基因突变在CRC癌变进程中并非初始事件, 而是通过hMLH1启动子的高甲基化导致相关错配修复基因的缺失, 最终导致UC相关CRC的发生[17]. 在UC相关CRC癌变进程中, CIMP通常来说是一个早期事件, 在发生时段上与散发性CRC相同, 其发生率在癌变进程中可从<1%到70%不等[18]. 研究显示, 在UC患者未有异型增生的直肠炎症黏膜中即能检测到ER、p14和p16等基因启动子的过度甲基化表达, 提示在UC病程早期即开始发生相关基因甲基化, 从而导致UC癌变发生的危险性增高[19]. Konishi等[20]在UC相关CRC、UC相关异型增生和散发性CRC患者病理组织中检测了11个基因位点的甲基化水平, 发现除外MGMT位点外, 余位点CIMP水平UC相关CRC患者均比散发性CRC患者低, 故作者认为, 其实DNA甲基化改变在UC相关CRC中并不常见.

3 微卫星不稳定性

微卫星不稳定性(microsatellite instability, MSI)通常发生在UC相关CRC癌变的早期阶段, MSI在UC患者的异型增生区和癌变细胞中均存在. 在UC患者中, 由MSI机制所导致的CRC癌变大概占发病总数的15%, 概率与散发性CRC相等. 在正常细胞的DNA复制过程中, 存在DNA碱基对错配修复的过程, MSI旁路途径可导致错配修复基因相关功能的缺失, 散发性CRC中MSI涉及6种包含在错配修复系统中的不同蛋白(hMSH2, hMLH1, hPMS1, hPMS2, hMSH6, 和hMLH3)[21]. 与散发性CRC不同, 在UC相关CRC中, MSI所导致的错配修复缺失主要涉及MLH1, MSH2, MSH6, 和PMS2, 此外还包括低频率的MLH1启动子甲基化[22]. Fujiwara等[23]在57例UC患者结肠黏膜(病理诊断包括癌症、异型增生、诊断未明和正常黏膜)中分析了MSI的表达情况, MSI高表达在上述四组中的比例分别为36%、33%、45%和0%, MSI高表达与hMLH1高甲基化和hMSH2表达丧失显著相关, 同时发现MSI旁路途径是通过TGF-βRII突变最终导致基因错配修复系统的失效. 其他研究者在UC患者异型增生相关区域(dysplasia associated lesion or mass, DALM)比较了CIN和MSI发生情况, 免疫组织化学的MLH1, PMS2, MSH2和MSH6错配基因显示阴性在新生物中所占比例为5%, 而BAT25和BAT26在肿瘤中检测到的比例为14%, 提示MSI在UC患者DALM中所占的比例并不高, 不如CIN显著[24].

4 杂合性缺失

杂合性缺失(loss of heterozygosity, LOH)是在UC癌变进程中较晚发生的一个机制, 且与散发性CRC中的LOH机制存在明显差异. 细胞遗传学研究证实, 几乎所有的肿瘤细胞中均存在染色体片段的非随机性丢失, 这些丢失片段中可能存在与肿瘤发生相关的某些基因, 所谓杂合性缺失即指同一位点上两个多态性等位基因其中之一出现的缺失. p53、k-ras、APC均是与肿瘤发生发展相关几个较重要的基因位点, 在散发性CRC中, p53的LOH发生在腺瘤向腺癌转变的最后阶段; 在相关肿瘤区域内存在18号染色体上k-ras癌基因的激活; APC功能缺失是散发性CRC发病过程中一个典型的早期事件, 且在85%的散发性和遗传性结肠肿瘤中能检测到APC功能缺失[25]. 与散发性CRC不同, p53的LOH在UC相关CRC中反而是一个早期事件且可在外观正常的黏膜中检测到; k-ras的突变尽管在散发性CRC中并不少见, 但在UC相关CRC中发生频率较低, 且与相关进程中息肉形成相关; APC突变发生较晚且出现频率较低, 通常出现在后期高度异型增生和癌变进程中[18]. Leedham等[26]在UC相关腺瘤中检测了起始基因的突变情况, 亦发现在腺瘤中主要的起始突变基因为p53, 但也有4例为k-ras, 在异型增生周围区域的一些非异型增生隐窝中也能见到p53突变基因, 少数非异型增生隐窝中的突变为k-ras, 再次证实了p53的LOH是相关区域中的主要起始突变, 且同时并存有k-ras的LOH, 同时周围非异型增生区域中也存在有局部及区域性的癌前基因突变.

5 NF-κB-IL-6-STAT3信号通路

NF-κB是在肿瘤发生发展中发挥重要作用的一个核转录因子, 其通过调节许多相关基因的表达来对免疫应答产生影响, NF-κB对细胞免疫应答的调节涉及细胞黏附、分化、增生、血管产生和凋亡. 在UC相关的CRC中, 由NF-κB诱导产生的细胞因子能够促使UC相关CRC发生发展, 而NF-κB在肠上皮细胞中的活动则能促进新产生的肿瘤细胞存活[27]. IL-6就是由NF-κB调节的重要的一个多功能细胞因子, 其同时作用于肠上皮细胞及免疫细胞, 从而促进肠上皮细胞的异型增生和免疫细胞炎症介质的释放而导致肿瘤发生. IL-6能结合于可溶性或膜结合IL-6受体(IL-6Ra), 而与膜相关gp130亚单位相互作用, 然后引起下游Stat3等一系列的信号活化[28]. 在UC相关CRC中, NF-κB-IL-6-STAT3级联反应是一条促进肿瘤细胞存活和增生的重要信号转导通路. IL-6在UC相关CRC的晚期阶段能够促进结直肠癌细胞增生, 阻断IL-6信号通路能够延缓肿瘤细胞的增生速度[29]. IL-6的致癌作用主要取决于Stat3的活化与否, 消除Stat3在肠上皮细胞中的作用能有效抑制UC相关CRC发生发展. Sergei等[30]的研究发现, 在DSS诱导的小鼠结肠炎模型中, IL-6^-/-小鼠的cyclin D表达明显降低, 提示在IL-6缺乏时肿瘤的增生能力有显著下降; 同时通过对IL-6^-/-小鼠肠道可溶性产物分析, 发现Stat3活动也有明显减弱.

6 其他

其他白介素同样在UC相关CRC免疫学发病机制中产生重要影响. IL-10是主要由辅助性T细胞和调节性T细胞产生的一种抗炎细胞因子, 对持续性的肠道炎症具有强烈的抑制作用. 在IL-10^-/-小鼠中, 随着年龄增长结肠上皮细胞将发生异型增生并最终发生结肠肿瘤, 有报道显示IL-10^-/-小鼠在6 mo内发生结肠肿瘤的比例大约接近22%[31]. 但IL-10在人类IBD患者中的表达与肠道上皮异型增生的关系尚未明确, Szkaradkiewicz等[32]通过对UC相关CRC患者的血清学检测发现IL-10的水平处于正常范围内.

UC重要的发病机制之一即为肠上皮屏障功能的改变. 在UC相关CRC中, 肠上皮屏障功能的改变可能对异型增生的进程产生影响. 紧密连接是肠上皮屏障的一个重要组成部分, 其中包含有claudin蛋白. 现今研究已在多种癌前病变中检测到claudin蛋白的改变, 同时发现claudin-1和β-catenin在细胞核内的共存可能与转移性结肠腺癌相关, claudin-1过表达能增加肿瘤细胞的转移率[33]. Weber等[34]通过半定量免疫组织化学染色对IBD相关性异型增生和腺癌患者的活检组织进行分析, 结果证实claudin-1和claudin-2在相关患者活检组织中的表达有明显升高, 并推测β-catenin活化可能是claudin-1和claudin-2表达改变的潜在作用机制.

7 结论

长期UC患者罹患CRC的危险性显著升高, 该观点已得到专家的广泛认同. UC并发CRC的具体机制目前仍不太清楚, 但推测在长期病程中慢性炎症和氧化损伤可能在癌变进程中发挥关键作用. 在遗传因素方面, 与散发性CRC相比, UC相关CRC的遗传物质改变在时间阶段上存在差异性; 在免疫因素方面, 一系列细胞因子的释放在促进肠上皮细胞炎症反应的同时也增加了上皮细胞异型增生的几率. 与上述环节相关的遗传物质的改变及细胞因子的释放已成为现今研究的热点.

评论

背景资料

长期UC患者罹患CRC的危险性显著升高, 该观点已得到专家的广泛认同. UC并发CRC的具体机制目前仍不太清楚, 但推测在长期病程中慢性炎症和氧化损伤可能在癌变进程中发挥关键作用. 在遗传因素方面, 与散发性CRC相比, UC相关CRC的遗传物质改变在时间阶段上存在差异性; 在免疫因素方面, 一系列细胞因子的释放在促进肠上皮细胞炎症反应的同时也增加了上皮细胞异型增生的几率.

同行评议者

杨柏霖, 副主任医师, 南京中医药大学附属医院

研发前沿

UC并发CRC癌变可能与其慢性炎症长期作用相关, 其发生发展经历着从正常上皮组织、低度异型增生、高度异型增生到癌变的一个过程, 但目前具体机制仍不明.

相关报道

Risques等的研究在UC患者中比较了结肠上皮细胞及胃上皮细胞的端粒缩短速度, 发现结肠上皮细胞的端粒缩短速度最为明显, 是正常对照组的2倍, 而胃上皮细胞端粒与正常对照组相比未见明显缩短, 证实UC病程中端粒缩短机制与局部炎症反应而非遗传性端粒缺陷相关.

同行评价

本文从"染色体不稳定""甲基化""微卫星不稳定"等与UC结肠癌变的相关分子途径重点综述了UC相关直结肠癌变机制, 对临床进一步研究UC相关的结直肠癌有一定的指导意义.

备注

编辑 李军亮 电编 吴鹏朕

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