发育和疾病中上皮间质转化

发育和疾病中的上皮间质转化 一EMT及其特征二EMT诱导者及其相关的信号通路三发育中的EMT四疾病中的EMT五EMT与癌症 一EMT及其特征 EMT epithelial mesenchymaltransition 即上皮间质转化描述的是上皮细胞在与周围间质的相互作用过程中逐渐获得了某些间质细胞所特有的性状的现象 上皮间质转化不仅存在于多细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中 目前 研究EMT在肿瘤发生及其演进中的作用 已成为肿瘤研究中的热点 EMT上皮细胞极性的丧失及其间质特性的获得为主要特征 具体包括 1 形态学的改变 具有上下极性的单层立方上皮细胞 转变为具有迁移突起的纺锤形间质细胞 2 分化标志物的改变 细胞连接蛋白和细胞角蛋白转变为波形蛋白和纤维连接蛋白 3 功能性的改变 固定细胞转变为可以穿过细胞外基质 ECM 的移动细胞 在EMT过程中表达上调的因子主要包括间质细胞标志物如纤维连接蛋白 波形蛋白 神经钙粘蛋白等 以及诱导EMT的细胞因子和转录调节因子如snail E47等 还有对诱导EMT有辅助作用的MMP 2 MMP 9等 在EMT过程中表达下调的因子主要包括上皮细胞的标志物如上皮钙粘蛋白 桥板蛋白 紧密连接蛋白 细胞角蛋白等 一EMT及其特征二EMT诱导者及其相关的信号通路三发育中的EMT四疾病中的EMT五EMT与癌症 二EMT诱导者及其相关的信号通路 一 EMT诱导者1 钙粘蛋白抑制子依据对 钙粘蛋白启动子的作用 我们把E钙粘白白蛋白抑制子分为两类 直接结合到 钙粘蛋白启动子上并且抑制它的活性 方法Snail Zeb E47和KLF8 间接抑制 钙粘蛋白的转录 Twist Goosecoid和Foxc2 Snail通过与E 钙粘蛋白启动子区的E 盒结合 下调E 钙粘蛋白的表达 作为多效蛋白 Snail因子可能需要与其它蛋白相互协作以调控转录 例如 在TGF 诱导的EMT中 Snail可以与Smad蛋白结合形成复合物 发挥辅阻遏物的作用 从而抑制上皮钙粘蛋白的表达 虽然在诱导EMT过程中经常发现Snail参与基因调控 但是其效应可能具有细胞依赖性 例如 Snail的激活通常可以激活Zeb 但是在一些不表达Snail的肿瘤中 也可以表达Zeb KFL 因子通过与E 钙粘蛋白启动子区的GC 盒直接结合 诱导了EMT和肿瘤的侵袭 Twist和Goosecoid也间接下调了E 钙粘蛋白的表达 位于Twist Snail和Goosecoid下游的Foxc2不影响E 钙粘蛋白的表达 但是它促进了E钙粘蛋白的细胞质定位 而且它的主要作用是诱导间质细胞表型 在许多细胞中 钙粘蛋白抑制子通过调节许多基因的表达 抑制上皮细胞表型而促进间质细胞表型 从而发挥了EMT的诱导者作用 此外 它们抑制了上皮细胞极性和细胞分裂而促进了细胞的存活 因此 除了作为 钙粘蛋白表达的抑制子之外 它们也是上皮细胞表型以及细胞粘附和运动的调节者 2 蛋白酶一些蛋白酶可以诱导EMT 例如 MMP3通过增加细胞内的活性氧诱导了EMT 反过来EMT诱导了Snail1的表达 在结肠癌细胞系中 Zeb转录以及E钙粘蛋白下调之后 跨膜丝氨酸蛋白酶TMPRSS4也诱导了EMT 进而促进了转移 3 新的EMT诱导者最近研究表明 一些细胞内分子和外来因子也可以作为EMT的诱导者 例如 酪氨酸磷酸酶Pez和PRL3都能诱导EMT 在MDCK中 TGF 诱导了Pez Pez诱导了Snail和Zeb 进而诱导了EMT Pez也诱导了TGF 从而形成了正反馈调节 在结肠癌细胞系中 PRL3激活PI3K AKT通路 从而诱导了EMT 二EMT诱导者及其相关的信号通路 二 EMT相关的信号通路 EMT 最近研究表明 microRNA也可以通过控制EMT诱导者调节EMT miRNA 200家族 包括miR 200a miR 200b miR 200c miR 141和miR 429 和miR 205共同调节E 钙粘蛋白转录抑制因子Zeb1 这些miRNAs表达下降可上调Zeb1 与EMT和肿瘤的转移密切相关 抑制E 钙粘蛋白表达 诱发EMT 相反 这些miRNAs过表达可逆转EMT 诱发间质上皮转化 MET Zeb1可以结合到miR 200c和miR 141的启动子上抑制它们的表达 从而增强了Zeb1维持间质细胞表型的能力 一EMT及其特征二EMT诱导者及其相关的信号通路三发育中的EMT四疾病中的EMT五EMT与癌症 三发育中的EMT 在胚胎发育过程中 许多组织建构过程都观察到了EMT 包括中胚层的形成 神经嵴发育 心瓣膜发育以及次生腭的形成等 上皮间质转化是可逆的 EMT和MET若干次的转变对于特定细胞的分化和内部器官复杂三维结构的形成是必要的 把这些连续的转变称为初级EMT 次级EMT和三级EMT 三发育中的EMT 三发育中的EMT 一 初级EMT1 原肠胚的形成原肠胚是胚胎发育中一个极为重要的时期 胚胎从囊胚未分化的分裂球发育成为具有内 中 外三个胚层的原肠胚 并将决定其各器官原基 它是通过空间和时间方面的紧密结合 复杂的形态发生运动而完成的 原肠胚形成是指形成三胚层 内胚层 中胚层和外胚层 的形态发生过程 它也用于描叙在EMT之前或之后的单个胚层的形态发生过程 三发育中的EMT 1 无脊椎动物的原肠胚形成 海胆胚胎原肠胚形成 海胆胚胎原肠胚形成示意图 三发育中的EMT 海胆胚胎原肠胚形成基因调控网络 三发育中的EMT 果蝇胚胎原肠胚形成 果蝇胚胎原肠胚形成示意图 三发育中的EMT 果蝇胚胎原肠胚形成基因调控网络 三发育中的EMT 2 脊椎动物的原肠胚形成 三发育中的EMT 一 初级EMT2 神经嵴神经嵴 neuralcrest NC 是脊椎动物胚胎发育早期一个暂时性结构 位于神经管背侧 是具有迁移特点和多向分化潜能的细胞群 神经嵴细胞经历EMT并且脱离神经管 然后再分化成不同结构 包括颅骨 外周神经系统 内分泌细胞和黑素细胞 三发育中的EMT 1 神经嵴的形成过程 三发育中的EMT 2 神经嵴细胞的迁移在神经嵴细胞的EMT中 钙粘蛋白发挥了重要作用 神经嵴细胞从神经管分离的过程涉及N 钙粘蛋白和钙粘蛋白6B的下调以及 型钙粘蛋白 如钙粘蛋白7和11 的表达 例如 少量的 型钙粘蛋白使得嵴细胞脱离神经管 在小鸡胚胎中 神经嵴细胞从神经管分离涉及ADAM10蛋白酶介导的N 钙粘蛋白的分解 然后N 钙粘蛋白的胞质部分与 连环蛋白一起转运到核内活化周期蛋白D1并且促使神经嵴细胞离开了G1期 进而使细胞迁移 三发育中的EMT 在小鸡胚胎中 钙粘蛋白6B也可以调节神经嵴细胞的迁移 神经嵴细胞从神经管的分离涉及钙粘蛋白6B的下调 研究表明 钙粘蛋白6B的敲除导致了神经嵴细胞的过早迁移 而钙粘蛋白6B的超表达阻止了神经嵴细胞的迁移 钙粘蛋白6B下调的准确时间直接受到Snail2的调控 除了钙粘蛋白之外 小分子GTP酶在神经嵴的EMT中也起了重要作用 小分子GTP酶在建立神经嵴EMT转录因子自我调控网络中发挥了主要作用 三发育中的EMT 二 次级EMT细胞通过初级EMT分化成不同类型的细胞 在原肠胚形成之后 中胚层细胞再分成轴中胚层 轴旁中胚层 中间中胚层和侧中胚层 这些细胞群通过MET分别形成不同的临时上皮结构 即 脊索 体节 泌尿生殖系统前体以及胚体壁和内脏壁 除脊索之外 这些上皮细胞经历次级EMT形成分化潜能受到限制的间质细胞 三发育中的EMT 三发育中的EMT 三 三级EMT 心脏的发育心脏的形成经历了三次连续的EMT和MET循环 TGF R Notch和ErbB信号通路调控形成心脏瓣膜的EMT 一EMT及其特征二EMT诱导者及其相关的信号通路三发育中的EMT四疾病中的EMT五EMT与癌症 四 疾病中的EMT 一 器官纤维化纤维化由于成纤维细胞的病理性激活所致 即成纤维细胞转变为成纤维肌细胞 成纤维肌细胞积累并分泌过多的胶原 这些胶原被当作纤维储存形成纤维化胶原网络 从而破坏了器官功能并且导致了器官的变性 研究表明 这些成纤维肌细胞是通过EMT形成的 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 在肾纤维化过程中 BMP 7和TGF 是两种主要的调节因子 而且在病人的纤维化组织中发现了高水平的TGF 二 癌症的发展EMT虽然在体外癌细胞模型中得到了证明 但是由于缺少EMT和癌症发展相关性的临床证据 因此 EMT在癌症发展中的作用以及它与癌症发展的关系仍旧存在着争议 最近的研究表明 在结肠癌中 侵袭前端发生了EMT并且生成了不能表达 钙粘蛋白的单个移动细胞 其它实体瘤也出现了这种现象 如乳腺癌的侵袭前端出现了EMT表型 另外 体内成像也提供了肿瘤发展中EMT的证据 一EMT及其特征二EMT诱导者及其相关的信号通路三发育中的EMT四疾病中的EMT五EMT与癌症 五EMT与癌症 一 EMT与衰老和死亡的抗性 二 EMT与化疗和免疗的抗性 三 EMT与免疫监督 免疫抑制和炎症 四 EMT赋予干细胞特征 五 针对EMT信号通路的癌症治疗 五EMT与癌症 一 细胞死亡和衰老的TGF 是Snail表达的有效诱导者 Snail可以抗细胞死亡而促进细胞存活 因此 在TGF 长期作用下 许多细胞通过激活E 钙粘蛋白抑制子发生EMT Twist也有类似的作用 EMT也可以阻止细胞的衰老 Twist1和Twist2通过抑制了p16 ink4a和p21 cip阻止了细胞的衰老 因此 在通过抑制抗癌的两种机制 衰老和凋亡而确保微转移细胞的存活时 EMT诱导者的组成型表达可以维持间充质细胞表型和侵袭表型 五EMT与癌症 二 EMT与化疗和免疗的抗性经历EMT的肿瘤可以抵抗传统的化疗 例如 发生EMT的MCF7细胞对紫杉醇产生抗性 在MCF7细胞中Twist和它的靶基因表达量增加了 然而 Twist的缺失可以逆转抗药性 Snail通过对抗P53介导的凋亡 也赋予了对紫杉醇 阿霉素和辐射的抗性 miR 200c超表达 EMT的负调节子 恢复了化疗的敏感性 五EMT与癌症 三 免疫监督 免疫抑制和炎症肿瘤通过诱导耐受性或者修饰它们的表型可以逃脱免疫监督 事实上 借助EMT一些肿瘤确实逃脱了免疫监督 Snail表达与乳腺癌的复发有关 而且与免疫抑制细胞因子的激活有关 因此 Snail和EMT不仅通过增强侵袭 而且通过多种免疫抑制机制来促进癌症转移 炎症诱导了NF B 进而增加了EMT诱导者 尤其是Snail 的表达 从而诱导了EMT 炎症也与癌症的发展和纤维化相关 最近研究证明炎症诱导的EMT对这种联系是非常重要的 五EMT与癌症 五EMT与癌症 四 EMT赋予干细胞特征最近研究表明 经历EMT的细胞获得了干细胞特征 正常干细胞和癌干细胞都表现出间质细胞表型 间质细胞表型使它们保持干细胞状态 迁移特性以及应答扩增和分化中不同的刺激信号 在Snail或Twist的表达或者TGF 存在的情况下 永生化人乳腺上皮细胞经历EMT表现出间质细胞表型 另外 Zeb1也能够赋予干细胞特征 五EMT与癌症 在研究肿瘤发展的过程中 提出了一个问题 这些肿瘤起始细胞是不是癌干细胞 小鼠上皮肿瘤发生模型和来自病人的原始资料直接支持了癌干细胞的存在 然而 一些研究表明 肿瘤不是必须由癌干细胞起始 而且大部分单个人黑色素瘤细胞可以有效形成肿瘤 由于EMT可以赋予细胞干细胞特征 因此 确定起始的侵袭细胞是来自癌干细胞还是来自经历EMT的癌细胞尤为重要 五EMT与癌症 不管它们来源于癌干细胞还是经历EMT的癌细胞 这些细胞必须经历EMT以获得较强的侵袭和移动能力 双光子显微技术已经证明 这些侵袭细胞从原发性肿瘤脱离下来成为单个细胞 而它们的转移与细胞外基质相关 在肿瘤的发展过程中 肿瘤相关的成纤维细胞发挥了重要作用 如骨髓衍生的