上皮间叶转化的研究进展

周庚寅,蔡永萍

山东大学医学院病理学教研室济南 250012

1 上皮间叶转化的概念

上皮间叶转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)是指与基底膜连接的具有极性的上皮细胞经过一系列的生物学改变,丧失细胞-细胞之间的连接,转化为具有游走能力的间叶细胞[1]。1982年,Greenburg等[2]发现在三维立体胶原胶中培养的角膜上皮细胞可以转化为具有迁移能力的间叶细胞,并首次提出了 EMT的概念。但是后来鉴于转化后的间叶细胞也可逆转为上皮细胞,即间叶上皮转化(mesenchymal-epithelial transition,MET),同时transformation一词易和肿瘤的恶性转化(transformation)混淆,2003年第一届EMT国际会议确定将transformation改为transition。

自从EMT的概念提出以来,这一领域获得越来越多的关注。随着研究的深入,发现EMT涉及生理情况如正常胚胎发育或病理状态如器官纤维化和肿瘤转移。为了便于研究,2007年在波兰和随后召开的EMT国际会议上依据EMT的发生背景、生物学行为及标志物的不同将 EMT分为 3种类型[3-4]:发生于胚胎植入、胚胎发生和器官形成时的EMT称为Ⅰ型EMT;和组织再生及器官纤维化有关的EMT称为Ⅱ型EMT;和肿瘤进展和转移有关的EMT称为Ⅲ型EMT。

2 EMT发生的分子机制及标志物

Ⅰ型EMT发生在胚胎尚未出现免疫反应时,可能与内在的程序编码有关。发生于出生后的Ⅱ型和Ⅲ型EMT则不同,Ⅱ型EMT的发生可能与炎症刺激和损伤有关,产生具有修复能力的纤维细胞,参与伤口愈合、组织再生或器官纤维化;Ⅲ型EMT的发生可能与上皮肿瘤细胞基因组和表观遗传学的改变以及周围微环境的炎症有关,产生更有侵袭力的肿瘤细胞亚克隆[5]。

EMT是受周围微环境影响的多个信号途径参与的复杂网络调控过程,导致上皮细胞连接丢失、细胞极性丧失、细胞骨架蛋白的改变和细胞外基质的降解。研究[6]发现许多信号转导途径均参与了EMT的发生,包括转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、Wnt/β-catenin、表皮生长因子(epidermal growth factor,EGF)、纤维生长因子(fibroblastgrowth factor,FGF)、骨形成蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)、核细胞因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)、胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor,IGF)和血小板源性生长因子(platelet derived grow th factor,PDGF)等途径。EMT的主要分子特征为上皮标记物E-钙黏蛋白表达的下调和间叶细胞特征的核转录因子的上调(Snail、Slug和Twist)。

E-钙黏蛋白的缺失是EMT的典型特征。E-钙黏蛋白是一种钙离子依赖的跨膜糖蛋白分子,其胞内区通过α-catenin、β-catenin蛋白与细胞骨架蛋白相连,此连接复合体再直接连接到肌动蛋白细胞骨架上,维持细胞间黏附的稳定性。E-钙黏蛋白表达下调会导致同源细胞间黏附力下降,有利于细胞脱离。在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型EMT均发现E-钙黏蛋白的表达降低或丢失[4]。β-catenin蛋白具有双重作用,位于细胞膜时和β-catenin结合介导细胞之间的连接,进入细胞核内时和Tcf/Lef结合激活Wnt信号途径。同E-钙黏蛋白类似,细胞膜β-catenin的丢失,与3型EMT的发生均有关[7-8]。

核转录因子Snail、Slug和Twist是在胚胎发育时胚胎原肠中胚层形成时发现的,中胚层发育过程具有典型的 EMT特征。已证实这些转录因子是EMT发生过程的重要调控因素,它们通过与E-钙黏蛋白的E-box结合,下调E-钙黏蛋白的表达。随后的研究发现这些核转录因子在器官发生纤维化时高表达,同时与多种肿瘤类型的浸润转移有关,提示患者的临床预后不良[9-11]。

3 EMT研究领域的新方向

近来研究发现血管内皮细胞也可发生间叶转化,即内皮间叶转化(endothelialmesenchymal transition,EndoMT)。另外,EMT与MicroRNA、EMT与肿瘤干细胞、EMT与肿瘤转移灶及EMT与MET的关系是近来的研究热点。

3.1 EndoMT 血管内皮细胞通过间叶转化成为能够分泌胶原的成纤维细胞,参与纤维化的形成,即EndoMT。在胚胎发育时,EndoMT参与心内垫和心脏瓣膜的形成[12]。在小鼠实验模型[13]中,心肌受到损伤后,心肌内膜和微血管的内皮细胞通过 EndoMT转化为纤维细胞参与心肌纤维的形成。在肾脏、肺脏、心脏和肝脏的动物模型[14]发现实质器官内的血管内皮细胞受到慢性损伤后可以通过EMT转化为能够分泌胶原的成纤维细胞,参与器官纤维化的形成。

3.2 EMT与M icroRNA 近来有研究表明MicroRNA也是EMT的重要调节因素。MicroRNAs是一类大约22个核苷酸的非编码RNA,通过转录后调控基因的表达。Gregory等[15]发现抑制miR-200和miR-205能够下调E-钙黏蛋白的表达而维持间叶细胞的状态,同时发现乳癌组织中 miR-200的丢失与波形蛋白(Vimentin)的表达增多和E-钙黏蛋白的丢失相关。在具有高度转移潜能的乳癌细胞及临床转移乳癌标本中miR-10b表达增高,它通过抑制同源异型盒基因D10(HOXD10)而上调促转移因子ras家族同源成员C(RHOC)的表达,促进肿瘤细胞的转移,在动物模型[16-17]中 miR-10b的抑制剂能够抑制乳癌细胞的肺转移率。

3.3 EM T与肿瘤干细胞 肿瘤干细胞是指肿瘤组织中存在的一小群未分化或分化较差的细胞,它们既具有自我更新和增殖分化的能力,又能够抵抗化学治疗和放射治疗,是肿瘤形成、发展与恶化的根源。研究[18]发现 EMT转化后的细胞具有干细胞样性质,Weinberg实验室研究发现分离的CD44高表达/CD24低表达乳癌干细胞表现间叶细胞样表型,诱导发生EMT的乳癌细胞表现出干细胞样特性。肿瘤干细胞可能具有间叶细胞游走迁移的特性,又具有上皮样细胞分化的潜能,在到达转移灶之后能够通过MET重新转化为上皮性癌灶。

3.4 EM T与MET

EMT和MET呈现动态转换的过程,胚胎发育时通过Ⅰ型EMT产生的间叶组织能够通过MET重新转化为上皮组织。肿瘤转移时发生的MET可能与发生于胚胎时期的MET具有类似现象[5]。

肿瘤的远处转移是导致患者死亡的主要原因。虽然实体肿瘤转移的机制尚未完全阐明,但是普遍认为经历以下几个过程:原发部位的上皮肿瘤细胞失去彼此间黏附能力,从原发部位脱离,通过间质,穿透基底膜屏障,进入血管或淋巴管,随着循环到达合适部位,穿出血管或淋巴管在转移灶克隆繁殖[19]。在这一过程中,上皮细胞通过Ⅲ型 EMT暂时转化为具有游走能力的间叶细胞,通过浸润邻近脉管系统实现向外播散的第一步。转移部位的肿瘤细胞在形态上和原发上皮肿瘤相似,这说明肿瘤细胞发生 EMT是暂时的,在合适的部位定植后通过MET重新转化为上皮细胞形态,形成紧密连接和新的转移灶。

4 EMT面临的挑战

EMT的观念已逐渐为多数学者接受,相关的研究日益增多,但其中大部分的研究数据来自体外细胞培养,主要判定依据为形态观察及上皮标志物的丢失和间叶标志物的上调,缺少可重复的敏感特异性指标。此外,体内试验的结果证明EMT的研究尚处于起步阶段,如在体内试验研究器官纤维化时发现穿过基底膜的由上皮细胞转化为间叶细胞的中间型细胞的存在;在动物实验中及肿瘤患者循环血液中检测到具有间叶表型的上皮性肿瘤细胞[5]。

另外,目前有些病理学专家对于EMT的概念及其在促进器官纤维化和肿瘤转移中的作用持怀疑态度[20]。传统意义上的化生是指一种分化成熟的细胞受慢性刺激的作用转化为另一种分化成熟的细胞,通常只发生在同源上皮细胞之间或间叶细胞之间,一般认为上皮细胞和间叶细胞之间不能相互转化,但是EMT是跨越同源细胞之间的转化,即上皮细胞和间叶细胞之间可以相互转化,与化生的概念截然不同。EMT的提出是对传统化生概念的挑战。

依据现有EMT的概念,以下几个问题需要进一步研究解释。首先是乳腺小叶癌:同乳腺导管癌不同,几乎所有乳腺小叶癌不表达 E-钙黏蛋白,是否乳腺小叶癌细胞发生了EMT?尽管乳腺小叶癌的特征是单层癌细胞呈“列兵样”浸润纤维间质,但是在形态上仍是可辨认的上皮细胞形态,并且表达上皮细胞的标志物。其次,EMT和癌肉瘤的发生机制引起了肿瘤学家的广泛兴趣。癌肉瘤是指在同一肿瘤组织中既有恶性的上皮细胞——癌,又有恶性梭形细胞成分——肉瘤。目前对于癌肉瘤的发生机制有以下几种推测:上皮和间叶 2种成分同时恶性转化之后的并存;肿瘤细胞起源于多能干细胞,同时具有向上皮和间叶分化的能力;恶性上皮性肿瘤诱导间质发生恶变。上皮性癌成分可能通过EMT转化为肉瘤成分已成为新的假说。另外在许多肿瘤组织中鳞状细胞癌和腺癌伴有梭形细胞分化,梭形细胞仍然表达上皮细胞的标志,是否这部分细胞由 EMT所致,仍然需要更多的实验进一步证实。

5 展望

在过去几十年的研究中,对于EMT的认识逐渐深入,将EMT分为3种类型,这3种类型的EMT可表达相似标志物,既有相似之处,又有一定区别。如转化前的状态分别为原始的上皮组织、成熟的上皮细胞和肿瘤上皮细胞,转化后的状态分别为间叶细胞、纤维细胞和转移的肿瘤细胞。根据所处的微环境不同,将EMT明确分为3种类型更有助于发现每一种EMT独特的发生机制。虽然对于EMT发生的分子生物学行为及机制研究的不断深入,但是还有很多问题尚未解决:①转化的中间型细胞的鉴定。②在Ⅲ型EMT中,到达转移灶后,间叶型细胞发生MET的机制。③通过EMT转化的间叶细胞和纤维细胞的区别。④何种微环境诱导EMT发生。

随着影像学技术的不断发展,如在动物模型体内示踪标记细胞并观测细胞迁移运动以及新的动物模型的应用,这些问题的答案在不久的将来将被揭晓,不仅对阐明EMT发生的调控机制及理解炎症和纤维化及肿瘤浸润的关系有重要意义,而且将为防治器官纤维化及肿瘤转移的治疗开辟新的途径。如在动物实验[21]中发现BMP7可以逆转TGF-β诱导EMT作用,在小鼠肾脏纤维模型持续给予BMP7可阻止纤维化进展,促进肾脏功能恢复。研究肿瘤浸润转移时发生的EMT和在转移器官定居的MET,针对某些特异性环节进行靶向性治疗可为抑制肿瘤转移提供新的治疗策略。

[1]Kalluri R,Neilson EG.Epithelial-mesenchymal transition and its imp lications for fibrosis[J].JClin Invest,2003, 112(12):1 776

[2]Greenburg G,Hay ED.Epithelia suspended in collagen gels can lose polarity and express characteristics of migratingmesenchymal cells[J].JCell Biol,1982,95(1):333

[3]Kalluri R,Weinberg RA.The basics of epithelial-mesenchymal transition[J].JClin Invest,2009,119(6):1 420

[4]Zeisberg M,Neilson EG.Biomarkers for epithelial-mesenchymal transitions[J].J Clin Invest,2009,119(6): 1 429

[5]Kalluri R.EMT:when epithelial cells decide to become mesenchymal-like cells[J].JClin Invest,2009,119(6):1 417

[6]Thiery JP,Acloque H,Huang RY,et al.Epithelial-mesenchymal transitions in developmentand disease[J].Cell, 2009,139(5):871

[7]Kim K,Lu Z,Hay ED.Direct evidence for a role of betacatenin/LEF-1 signaling pathway in induction of EMT[J]. Cell Biol Int,2002,26(5):463

[8]Thiery JP.Epithelial-mesenchymal transitions in tumour p rogression[J].Nat Rev Cancer,2002,2(6):442

[9]Castanon I,Baylies MK.A Twist in fate:evolutionary comparison of Twist structure and function[J].Gene, 2002,287(1/2):11

[10]Yang J,ManiSA,Donaher JL,etal.Twist,amaster regulator of morphogenesis,plays an essential role in tumor metastasis[J].Cell,2004,117(7):927

[11]Venkov CD,Link AJ,Jennings JL,etal.A p roximal activator of transcription in epithelial-mesenchymal transition [J].JClin Invest,2007,117(2):482

[12]Potenta S,Zeisberg E,KalluriR.The role of endothelialto-mesenchymal transition in cancer progression[J].Br J Cancer,2008,99(9):1 375

[13]Zeisberg EM,Tarnavski O,Zeisberg M,et al.Endothelial-to-mesenchymal transition contributes to cardiac fibrosis [J].NatMed,2007,13(8):952

[14]Zavadil J,Haley J,KalluriR,etal.Epithelial-mesenchymal transition[J].Cancer Res,2008,68(23):9 574

[15]Gregory PA,Bert AG,Paterson EL,etal.ThemiR-200 family andm iR-205 regulateepithelial tomesenchymal transition by targeting ZEB1 and SIP1[J].Nat Cell Biol, 2008,10(5):593

[16]Ma L,Teruya-Feldstein J,Weinberg RA.Tumour invasion and metastasis initiated bym icroRNA-10b in breast cancer [J].Nature,2007,449(7 163):682

[17]Ma L,Reinhardt F,Pan E,et al.Therapeutic silencing of miR-10b inhibits metastasis in a mouse mammary tumor model[J].Nat Biotechnol,2010,28(4):341

[18]Mani SA,Guo W,Liao MJ,et al.The epithelial-mesenchymal transition generates cells with properties of stem cells[J].Cell,2008,133(4):704

[19]Nguyen DX,Bos PD,MassaguéJ.Metastasis:from dissem ination to organ-specific colonization[J].Nat Rev Cancer,2009,9(4):274

[20]Tarin D,Thompson EW,Newgreen DF.The fallacy of epithelial mesenchymal transition in neoplasia[J].Cancer Res,2005,65(14):5 996

[21]Zeisberg M,Hanai J,Sugimoto H,et al.BMP-7 counteracts TGF-beta1-induced epithelial-to-mesenchymal transition and reverses chronic renal injury[J].Nat Med,2003,9 (7):964