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角蛋白与结直肠癌相关性研究

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《中华肿瘤防治杂志》2015年第二十期

【摘要】

目的总结角蛋白与结直肠肿瘤相关的研究现状,以及在结直肠肿瘤诊断、治疗及预后中的作用。方法应用PubMed、万方、维普及CNKI全文数据库检索系统,以“角蛋白(Keratin)、结直肠癌(Colorectalcancer)和肿瘤标志物(Tumormarkers)”为关键词,检索2010-01-2014-03的相关文献,共151篇英文文献和46篇中文文献。纳入标准:1)角蛋白的生物活性及其生理功能;2)角蛋白的异常表达对结直肠癌发生发展的影响;3)结直肠癌的诊断、治疗、转移及其预后与角蛋白的相关性。根据纳入标准符合分析的文献36篇。结果K7、K8、K18和K20等在结直癌肠组织中表达丰富,其表达变化与结直肠癌的发生、发展及其预后密切相关;K7、K19和K20的表达及分布异常与结肠癌的预后和转移有关;角蛋白18凋亡切割片段可以用来检测肿瘤对治疗的反应,并成为评估结直肠癌患者预后的指标。结论角蛋白的表达异常在结直肠肿瘤的发生发展中具有重要作用;角蛋白有望成为结直肠癌患者淋巴结转移诊断、治疗及其预后监测和评估的肿瘤标志物。

【关键词】

结直肠肿瘤;角蛋白;肿瘤标志物;综述文献

中间丝蛋白家族以及微丝(MF)和微管(MT)是构成细胞骨架的重要组成部分,中间丝蛋白组成的细胞纤维网骨架结构辐射布满整个细胞,被称为动物细胞胞质内的脚手架[1]。基于氨基酸序列和蛋白质结构的不同,中间丝(IFs)家族被细分为5种主要的类型,Ⅰ~Ⅳ型为构成细胞质的中间丝蛋白,而Ⅴ型为核纤层蛋白,参与组成细胞核骨架[2]。角蛋白是中间丝蛋白家族中最大的成员,包括Ⅰ型(酸性)和Ⅱ型(基本型)两种蛋白质,它们都是由聚合的二聚体组成的。二聚体通过相交错的卷曲螺旋结构域相互作用,能够在氨基(N)和羧基(C)末端促进其产生包含游离球状结构域的螺旋结构,在角蛋白发挥生物学功能中具有重要作用[3]。角蛋白信息的表达只发生在特定的上皮细胞中,具有高度活性,在应对刺激尤其是发生细胞应激和细胞凋亡时,角蛋白会发生和有丝分裂过程基因重组一样的特性,从而参与细胞中的各种反应,对细胞应激和凋亡产生影响[4]。大多数角蛋白都会发生翻译后修饰作用,主要包括磷酸化、乙酰化、糖基化、泛素化以及裂解等。目前研究最多的是翻译后的磷酸化修饰,而且角蛋白的磷酸化修饰与肝脏疾病的进展密切相关[5]。大肠癌与角蛋白的相关研究发现,一些角蛋白如K7、K8、K18和K20等表达变化与结直肠癌的发生、发展及其预后密切相关[6-9]。目前认为,结直肠中角蛋白的表达异常与结直肠癌的发生发展关系密切,因此深入了解各种角蛋白在结直肠癌中表达变化的分子机制,对于结直肠肿瘤的诊断、治疗以及预后的监测具有重要意义。

1结直肠上皮中的角蛋白

角蛋白作为细胞骨架的重要组成部分,可以在不同的上皮细胞中表达。在单层上皮细胞中表达的角蛋白称为单层上皮细胞角蛋白,包括K7、K8、K18、K19、K20和K23。其中肠道上皮细胞中表达丰富的角蛋白主要有K8、K18、K19和K20[10],而且一些角蛋白在同一组织中还会出现表达分布的差异,例如K8在正常结肠内主要在扁平黏膜中表达,从隐窝轴的顶端向基底部逐渐减少[11]。但是,对于肠道上皮中其他主要角蛋白的表达和分布情况,目前鲜见报道。肠道中的角蛋白还发挥着除细胞骨架支撑作用外的其他重要功能。对结直肠中3种主要角蛋白K8、K18和K19进行网状结构分析时发现,角蛋白的网状结构通过多种方式与有丝分裂原活化蛋白激酶(mito-gen-activatedproteinkinases,MAP)信号通路和p53通路存在着相互作用[2];此外,还有研究证明,K8与p38通路也存在着密切联系,并且对Fas介导的细胞凋亡过程具有重要影响[12]。这充分说明了角蛋白在细胞信号转导和决定细胞命运结局中具有重要功能。角蛋白区别于其他细胞骨架纤维细丝蛋白,如肌动蛋白、肌球蛋白和微管蛋白的一个重要特性是,它们可以耐受非变性缓冲液和高浓度离子液,包括氯化物或碘化物在内的离子盐溶液[13],这对于尝试去探究角蛋白在结直肠中的表达特性至关重要。通常导致角蛋白表达和溶解性改变的因素,主要包括细胞应激、凋亡以及翻译后修饰等。

2角蛋白的翻译后修饰

角蛋白除了发挥单纯的细胞骨架支撑作用以外,主要是通过自身翻译、修饰之后参与多条细胞信号通路,并发挥其生物学作用。角蛋白磷酸化与角蛋白的可溶性、纤维重组和细胞凋亡的调节有关[14-16]。对肝脏疾病的研究中发现,Ser33和Ser52磷酸化的K18是很多慢性肝损伤的共同表现,在慢性乙型肝炎患者肝组织中,Ser33和Ser52磷酸化随着肝脏损伤程度的增加其表达量呈增多的趋势,据此推测,K18的磷酸化可能作为一种信号参与肝细胞的损伤调控和凋亡[5]。乙酰化作用可能会有助于调节蛋白与蛋白之间的相互作用以及角蛋白的稳定性,研究报道,抑制K8Lys-207的乙酰化能导致K8位点特异性磷酸化的改变[17]。提示角蛋白的乙酰化可能通过调控磷酸化的改变来调节角蛋白纤维细丝的稳定性。Ku等[18]报道,对小鼠体内过表达人类K18S30/31/49A而形成未糖基化的突变体-K18-Gly-小鼠和野生型小鼠比较发现,突变体-K18-Gly-小鼠表现为肝脏和胰腺很容易受到链脲菌素的感染和损伤,从而表明K18糖基化在保护上皮细胞免受各种因素的损伤中发挥重要作用。此外,一项体外研究表明,角蛋白泛素化在细胞凋亡、氧化应激和磷酸酶抑制过程中会增强[19];在这项研究中,人类K8基因的突变使得它们的携带者更易患肝脏疾病,并呈现出K8高度泛素化和溶解性的降低。表明泛素化对角蛋白的功能及纤维细丝溶解性具有一定的影响。除了上述的几种翻译后修饰作用外,角蛋白在体内还会通过裂解被调节修饰。角蛋白的裂解产物存在于癌症患者体内,它们作为一些新的肿瘤标志物(抗原表位)被应用,如M30的应用[20-21]。

3角蛋白的表达异常与结直肠癌

结直肠癌发病机制涉及由正常肠上皮到恶性肿瘤逐步发展的过程,每一步都有分子和基因异常的积累,从而导致腺瘤性息肉向恶性肿瘤的发展,这些途径都涉及经典的染色体不稳定性途径或者微卫星不稳定性途径[22]。角蛋白在结直肠组织中表达丰富,其功能改变和表达异常与结直肠疾病的发生和发展密切相关。在结肠组织中,不同的角蛋白表达形式各异,而无论哪种形式的表达异常都会导致细胞生理状态的改变,甚至发生癌变[2]。对胃肠道印戎细胞癌(SRCC)中角蛋白表达的研究发现,结直肠印戎细胞癌中存在某些角蛋白的表达缺失,往往表现为K7-/K20+、K7-/K19+和K7-/K20-[6]。表明肠道细胞中角蛋白的异常表达可能是结直肠发生病变的重要机制。Imai等[7]研究发现,K20的表达与低分化腺癌组织浸润性密切相关,而且是结直肠低分化腺癌的一个独立预后因素,对评估肿瘤的预后具有重要意义。Yamagishi等[8]对各种结直肠腺癌中K7和K20的表达情况进行了分析,发现在高-中分化腺癌、黏液腺癌和印戎细胞癌中角蛋白均呈K7-/K20+模式,在未分化腺癌中呈现K7-/K20-模式,但在低分化腺癌中则呈现多样性。生存分析表明,在低分化腺癌中K20的不表达或低表达与患者预后密切相关。同时,动物实验发现,K8缺陷的小鼠与野生型小鼠相比,结肠表现为抗细胞凋亡[9]。说明角蛋白的表达变化在人体内具有重要的作用,而且对结直肠癌的发生、发展及其预后有重要影响。目前,还没有直接证据表明角蛋白的表达异常是结直肠癌发生发展一种机制。但角蛋白与结直肠肿瘤的相关性研究结果提示,或许可以通过基因诱导调节早期结直肠癌肿瘤细胞内某些角蛋白的表达特性,来促进肿瘤细胞的凋亡抑制肿瘤的发展甚至治愈肿瘤,这需要进一步研究。

4角蛋白对患者治疗监测及预后评估

角蛋白和其他中间丝蛋白都具有一个重要特征,即使是在细胞转变为病理状态,包括正常细胞的恶性转化后,它们依然保持相对稳定性。角蛋白作为细胞骨架蛋白,是细胞凋亡蛋白水解酶caspase的作用底物之一,在肿瘤治疗过程中对血清细胞角蛋白片段水平进行血清学检测,可观察时相性角蛋白片段的变化规律,用于评价治疗效果[23]。所以角蛋白可以作为肿瘤标志物,对监测肿瘤对治疗后的反应和患者预后的评估都具有较高的价值。

4.1角蛋白8在结直肠癌细胞中,K8的去磷酸化与肿瘤进展密切相关[24]。在这项研究中,K8作为肝再生磷酸酶-3的生理作用基础,在包括散发性结直肠癌在内的多种大肠肿瘤的迁移和转移过程中发挥重要的作用。结直肠癌细胞在转移和侵犯其他组织器官之前,表现为PRL-3的表达增高,并伴随K8磷酸化的减少或缺失,表明K8的去磷酸化会增加肿瘤的侵袭性。提示或许可以通过测定K8的磷酸化水平对肿瘤进行定性判断,从而可以间接评估患者的预后,同时是否可以通过提高K8的磷酸化水平来抑制大肠癌的转移,还尚不清楚。

4.2角蛋白18循环肿瘤细胞中K18裂解片段M30的新表位,已经用来研究上皮癌患者外周血中活细胞和凋亡细胞的比例[25]。在这项研究中,循环肿瘤细胞中M30阴、阳性平衡的改变,可能提示肿瘤活动性的大小,这为结直肠肿瘤患者对治疗后的反应及其预后提供另一种评估与监测方法。上皮细胞恶变时,蛋白酶加速降解角蛋白,使得大量细胞角蛋白18片段被释放,造成外周血中角蛋白18片段浓度升高,因此细胞角蛋白从肿瘤细胞中释放,为临床提供了肿瘤病情监测的重要血清标志物。王永斌等[26]研究发现,直肠癌患者血清角蛋白18片段水平显著高于正常对照组,同时灵敏度为53.42%,特异度为92.64%,准确性为86.33%。因此,血清K18的检测有较高临床诊断价值,或许可以作为监测肿瘤对治疗的反应以及评估患者预后的一种标志物。

4.3角蛋白19银新等[27]选取经手术后病理确诊的68例结直肠癌患者,应用化学发光免疫分析方法检测第1个周期化疗前后细胞角蛋白19片段的含量,并结合化疗前后血清CEA、CA19-9的含量,以及随访的影像学检查结果,客观评价联合标志物检测与肿瘤复发和化疗效果的关联性。结果表明,K19、CEA和CA19-9联合检测能比较准确预测结直肠癌术后复发,而且化疗初期K19规律性变化特征与效果之间有直接关联性,可作为预测疗效的指标,具有重要的临床价值。国外也有研究报道,K19对结直肠癌淋巴结转移的诊断和监测具有较高的临床诊断价值[28]。对粪便中细胞角蛋白19表达与人类结直肠癌患者年龄和转移的相关性研究发现,结直肠癌患者粪便K19的平均表达水平明显高于正常人,而且粪便中K19表达与血清癌胚抗原或CA19-9联合,能预测老年结直肠癌患者的整体生存率[29]。说明K19对结直肠癌治疗效果和患者预后的监测评估都有潜在的重要价值。

4.4角蛋白7Bayrak等[30]对结肠腺癌标本中K7和K20的表达分析发现,角蛋白的表达异常,形式多样,其中K7-/K20+所占的比例最大,K7+/K20+仅占15.3%;K20的阳性率,在低位癌中比高位癌中要高,直肠和乙状结肠癌比近端结肠癌高。另外,Harbaum等[31]分别检测了大肠癌患者的原发肿瘤和远处转移组织中K7和K20的表达,结果发现,其远处转移组织和淋巴结中K7和K20的表达与原发肿瘤具有高度的一致性。说明可以通过检测大肠癌患者淋巴结中K7和K20的表达情况判断是否发生了转移,为大肠癌的转移提供一种监测手段,同时也为转移性大肠癌对治疗后的反应提供一种标志。当某种肿瘤组织或细胞中角蛋白表达出现K7-/K20+的模式时,可以判断这种肿瘤可能是来自大肠癌的转移。

4.5角蛋白20孙帅等[32]对结直肠癌患者切除的淋巴结标本研究分析,以K20抗体免疫组织化学染色方法检测淋巴结微转移,结果发现,结直肠癌组织和淋巴结中K20表达均为阳性,说明K20是结直肠癌患者血液中反映微转移较为特异的肿瘤标志物。此外,患者外周血中K20mRNA可以作为结直肠癌微转移检测的敏感指标,通过手术前的单次化疗K20mRNA已出现显著性的下降,手术前的单次化疗可以有效的降低患者外周血以及回流入门静脉血中微转移的程度[33]。结直肠癌患者血清中K20mRNA表达与肿瘤的分期、浸润和转移有关[34];K20的过表达与患者预后不良和生存率下降密切相关[35]。K20上皮组织特异性和分布特点使其成为检测结直肠癌微转移良好的标志物,可以作为结直肠癌患者外周血、骨髓以及淋巴结中癌细胞存在的标志物。在与结直肠癌临床分期的相关性上,K20作为监测循环结直肠肿瘤细胞的标志或许有一定的预后价值[35-36]。

5结语

角蛋白作为中间丝蛋白家族的关键组成成分,是构成细胞骨架的重要成分,在维持上皮细胞完整性以及细胞信号的转导上均有显著的作用。在上皮细胞健康和疾病的不同状态下,角蛋白的表达呈现多样性。角蛋白通过翻译后修饰对各种外界刺激做出相应的反应,同时也通过此作用参与多条细胞信号通路并发挥其生物学活性。虽然近几年来对角蛋白与肿瘤发生、发展的相关性的研究越来越深入,但角蛋白的表达特性及其在人类疾病中的作用还处于一个早期的阶段。在结直肠癌中,一些角蛋白已作为肿瘤标志物诊断结直肠癌及评估患者的预后,例如患者血清中半胱天冬酶裂解的K18片段(M30)已作为癌症负荷的指标,用于评估患者对治疗后的反应。深入研究它们在不同的疾病下表达变化的机制,并用以达到作为临床诊断和治疗的目标,具有重要的临床价值。

作者:闫晓东 郭洪亮 单位:山东省肿瘤医院外科四病区 济南大学·山东省医学科学院医学与生命科学学院

中华肿瘤防治杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次