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肿瘤中胶原蛋白Ⅵ的作用研究

2020-07-11 427 上传者：管理员

摘要：胶原蛋白Ⅵ是一种细胞外基质蛋白,在多种肿瘤中高度表达,且与临床不良预后相关。胶原蛋白Ⅵ参与肿瘤的转移与肿瘤的血管重塑,并且通过募集巨噬细胞促进肿瘤炎症。胶原蛋白Ⅵ通过与细胞外基质其他组分相互作用、刺激信号传导及促进肿瘤代谢重编程,有利于肿瘤的生长。通过肿瘤坏死因子β途径减弱肿瘤对程序性死亡[蛋白]-1抑制剂的反应或上调程序性死亡[蛋白]配体-1/程序性死亡[蛋白]-1,参与肿瘤的免疫逃逸。此外,胶原蛋白Ⅵ可以促进化疗耐药,这些发现均表明胶原蛋白Ⅵ在肿瘤进展中的重要作用,为癌症的诊断生物学标志物和癌症治疗靶点的研究提供另一条途径。

关键词：
生物学标记
癌症治疗靶点
细胞外基质蛋白质类
肿瘤
肿瘤用药
胶原蛋白Ⅵ
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肿瘤的发生、发展与肿瘤微环境有着密不可分的关系,肿瘤微环境中不同的成分与肿瘤细胞之间存在相互刺激作用,从而促进肿瘤进展和肿瘤细胞的转移。其中细胞外基质(ECM)不仅为周围细胞提供结构支架,还提供能够影响细胞行为的细胞因子和生长因子,调节细胞的增殖、迁移和分化。胶原蛋白Ⅵ(collagenⅥ,COL6)是一种广泛分布的ECM蛋白,能诱导产生多种细胞效应,如细胞增殖、侵袭、转移和凋亡,以下就COL6与肿瘤的最新研究进展作一综述。

1、生物学特征

肿瘤微环境中的ECM是一种高度动态和异质的结构,其为周围细胞提供结构支架,同时提供能够影响细胞行为的细胞因子和生长因子,调节细胞的增殖、迁移和分化,从而促进肿瘤的进展。COL6是一种主要的ECM蛋白,由a1(Ⅵ)、a2(Ⅵ)和a3(Ⅵ)组成,这3条链由不同的基因编码(分别为COL6a1、COL6a2和COL6a3)组成。a1(Ⅵ)和a2(Ⅵ)链的分子量为140～150kDa,而a3(Ⅵ)链约为其2倍(250～300kDa)。每条链的特征在于短的三螺旋区域,其侧翼是大的N-和C-末端球状区域。a1(Ⅵ)和a2(Ⅵ)链具有1个N端(N1)和2个C端(C1和C2),而a3(Ⅵ)链具有较大的N-和C-末端,其由12个vWA模块(N1-N10、C1和C2)和3个不同的C-末端结构域(C3～C5)组成。胶原蛋白Ⅵ亚基-a4(Ⅵ)、a5(Ⅵ)和a6(Ⅵ)包含由7个vWA模块组成的N端区域,1个类似于a3(Ⅵ)的胶原三螺旋区域,以及1个包含2～3个vWA模块的C端子区域,以及1或2个独特的序列[1]。

COL6广泛存在于骨骼肌、皮肤、肺、血管、肠、周围神经和脂肪组织中。COL6通过与其它细胞外基质分子相互作用并为细胞提供结构支撑而形成一个珠状微丝网络,这有助于微环境中ECM发挥特性作用[2]。此外,它调节了细胞凋亡、自嗜、增殖、血管再生、纤维化及炎症的信号通路。鉴于COL6在调节细胞和组织中的作用,有必要阐述COL6在肿瘤进展过程中的分子机制。

2、COL6在肿瘤进展中的作用机制

2.1参与肿瘤转移

用COL6处理过的人肺癌细胞的运动性显著增强,提示COL6促进肿瘤转移,定量分泌蛋白组分析显示COL6a1是与肺癌细胞转移相关的蛋白[3]。低表达COL6a1抑制了肺癌细胞的转移。COL6以自分泌方式在人胶质母细胞瘤细胞中高度表达,具有促进胶质母细胞瘤细胞黏附和扩散的强大能力,从而增强肿瘤细胞的延伸、穿透和侵袭[4]。此外,COL6A3的裂解物c5片段endotrophin肽(ETP)通过体内诱导转化生长因子-β(TGF-β)依赖性上皮-间质转化(EMT)来增强乳腺癌的肺转移[5]。尽管相关实验室及临床数据都支持COL6在肿瘤转移中的作用,但仍需进一步的研究来验证靶向COL6在癌症治疗中的作用。

2.2参与肿瘤血管重塑

血管生成是由先前存在的脉管系统形成的新的毛细血管,是典型的肿瘤标志,在癌症生长和转移中发挥关键作用。在大多数实体瘤中,癌症进展期间血管显着增加,这种新血管生成过程受到肿瘤微环境的影响,包括ECM蛋白[6]。来自神经元胶原抗原2基因敲除小鼠实验的证据表明,肿瘤脉管系统是异常的,包括壁细胞与内皮细胞的相互作用受损,壁细胞成熟缺陷和血管渗漏,这些都可能是由于COL6锚定的丧失,研究结果表明COL6在癌症重塑血管中的作用[7]。并且最近在野生型和Col6a1小鼠脑中生长的B16F10黑色素瘤细胞的研究为COL6重塑肿瘤血管提供了直接证据,结果显示COL6的缺乏可以通过抑制壁细胞成熟和内皮细胞的萌芽、存活而影响血管功能,从而导致血管渗漏和抑制血管生成[8]。COL6ETP肽不仅可以作为一种化学引诱剂,将内皮细胞募集到肿瘤微环境中,而且还可以作为促血管生成因子在体外显著增加内皮细胞的迁移和小管形成,并且这两种功能都可以通过ETP抗体来消除[5]。这些发现表明,COL6的ETP肽通过增加内皮细胞的募集、迁移和小管形成,在促进血管生成方面发挥着重要作用。总之,这些发现强调了COL6是作为参与肿瘤血管重塑的关键调节因子,并且对潜在机制的进一步研究可能有助于设计更有效的靶向肿瘤血管的药物。

2.3通过募集巨噬细胞促进肿瘤炎症

炎症在肿瘤发展、转移过程中起重要作用。炎症肿瘤微环境的特征是募集大量的炎症细胞以及炎症反应的激活[9]。在炎症细胞中,肿瘤相关巨噬细胞是最显著可以抑制抗肿瘤免疫、促进肿瘤血管生长和转移的细胞类型。巨噬细胞有一系列表型,从经典活化(M1)表型到替代活化(M2)表型,它们分别表现出抗肿瘤活性或促进肿瘤恶性发展。肿瘤相关巨噬细胞主要偏向M2表型[10,11]。尽管肿瘤相关巨噬细胞对肿瘤发展和转移的潜在分子机制尚不完全清楚,但肿瘤相关巨噬细胞可能代表了治疗的新靶点。

COL6主要由人类和小鼠的巨噬细胞系表达[12,13]。巨噬细胞合成和分泌COL6取决于它们的活化状态、分化阶段和细胞密度。值得注意的是,COL6显著增强了巨噬细胞的体外粘附,这表明COL6在巨噬细胞募集中的潜在作用[13]。而且有研究发现COL6ETP肽能够通过增加巨噬细胞募集和上调炎症因子如IL-6和TNF-α来促进肿瘤炎症[5]。因此,靶向COL6抑制可能为一种有效的肿瘤治疗方法。

2.4信号转导

有研究提出了几种假定的COL6受体,如β1-整联蛋白和神经元胶原抗原2/硫酸软骨素蛋白多糖[14,15]。这些受体在肿瘤中高度表达并在调节肿瘤进展中发挥重要作用,能够通过几种不同的机制介导COL6对肿瘤生长和转移的影响。COL6与乳腺癌细胞中神经元胶原抗原2/硫酸软骨素蛋白多糖的结合触发了Akt-GSK-3β-β-catenin下游途径T细胞因子/淋巴细胞增强因子的激活,从而促进肿瘤生长[2,16]。有体外研究结果表明过量COL6刺激单核细胞产生IL-23,而IL-23能促进肿瘤的发生、发展[17,18]。COL6能激活单核细胞和上皮细胞中FAK分子的信号通路,在COL6刺激后黏着斑激酶(FAK)的下游分子丝裂原活化蛋白激酶/细胞外调节蛋白激酶也在肺上皮细胞中被激活[17]。已知细胞外调节蛋白激酶促进细胞增殖、血管生成、细胞分化和细胞存活,这有助于发展各种类型的癌症,包括非小细胞肺癌[19]。而FAK的抑制也有利于延缓肿瘤进展。有使用小分子FAK抑制剂的研究正在针对患有各种类型肿瘤的患者进行临床试验[20]。FAK是抑制肿瘤进展以及在组织重塑期间消除COL6介导活性的相关靶标。

EMT是促进肿瘤细胞转移的基本过程,COL6ETP肽通过TGF-β信号介导,有助于肿瘤细胞的EMT,从而促进肿瘤生长及转移。进一步的研究表明,脂肪细胞来源的ETP肽通过TGF-β依赖性方式上调肿瘤组织纤维化,促进乳腺肿瘤的生长和进展[5]。

此外,COL6可以在肿瘤微环境中与其他ECM组分相互作用,例如I、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ及XⅣ型胶原、纤连蛋白和肌腱蛋白。这些ECM蛋白在肿瘤中强烈表达,并广泛影响肿瘤的发展和进展[6],表明COL6与其它ECM蛋白的结合是促进肿瘤进展的另一种潜在机制。有体内研究表明,COL6的消除能够通过减少肿瘤血管中胶原蛋白Ⅳ、胶原蛋白I和层粘连蛋白-11的沉积,导致肿瘤血管基底层的缺陷,从而延迟脑肿瘤进展[7,8]。总之,这些发现揭示了COL6在肿瘤中作用的分子机制,也为癌症治疗提供了潜在的靶点。

3、COL6对免疫检查点如:PD-L1/PD-1的影响

众所周知,免疫系统可以识别和抑制肿瘤的生长。程序性死亡[蛋白]-1(programmedcelldeath-1,PD-1)是一种重要的免疫抑制分子,以PD-1为靶点的免疫调节对抗肿瘤、抗感染、抗自身免疫性疾病及器官移植存活等均有重要的意义。程序性死亡[蛋白]配体-1(PD-L1)也可作为靶点,相应的抗体也可以起到相同的作用。PD-1和PD-L1结合启动T细胞的程序性死亡,使肿瘤细胞获得免疫逃逸。COL6ETP肽可以通过增强的TGF-β信号传导诱导EMT,从而促进肿瘤生长和转移。最近研究表明TGF-β阻断抗体与抗PD-L1的治疗性给药能减少基质细胞中的TGF-β信号转导,促进T细胞渗透到肿瘤中心,并引起强烈的抗肿瘤免疫和肿瘤消退反应[21]。前文已述,肿瘤相关巨噬细胞(肿瘤相关巨噬细胞)是最显著可以抑制抗肿瘤免疫、促进肿瘤血管生长和转移的细胞类型[10,11]。COL6ETP肽能够通过增加巨噬细胞募集和上调炎症因子如IL-6和TNF-α的产生来促进肿瘤炎症[5]。另外,最近有研究表明,IL-6信号阻滞剂可以通过减少TGF-β信号传导及下调PD-L1/PD-1受体,有利于抗肿瘤因子发挥作用[22]。COL6是一种广泛分布的ECM蛋白,过度的ECM重塑和反应性基质可以影响肿瘤中的T细胞浸润和活性,从而影响对免疫检查点抑制剂的反应。这表明了进一步探索ECM和基质成分在研究免疫检查点抑制剂时的重要性。

4、COL6对肿瘤代谢重编程的影响

代谢重编程是肿瘤的重要标志。肿瘤细胞因丧失分化能力,且缺乏负反馈调节机制而处于疯狂增殖状态,为了维持肿瘤细胞持续快速的增殖,肿瘤细胞内很多代谢途径发生了改变。能量储备和生物大分子合成是细胞增殖前的必须步骤,肿瘤细胞通过持续或异常激活磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/Akt/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白、低氧诱导因子-1、C-Myc等合成代谢的通路来增加糖酵解、促进谷氨酰胺代谢及脂肪酸的合成,从而支持肿瘤持续生长[23]。糖酵解通过低氧诱导因子-1α(HIF-1α)的下游效应已成为获得能量的主要方式,为了提高葡萄糖的供应,HIF-1α介导葡萄糖转运蛋白1、葡萄糖转运蛋白3转录和丙酮酸、乳酸脱氢酶的增加,从而为肿瘤的代谢生长提供充足的能量[24]。前文已述,ETP可以通过上调HIF-1α促进肿瘤血管生成,而抗ETP抗体具有相反的效果[10]。同时有研究表明,COL6A3基因的沉默可以抑制胃癌细胞的增殖、迁移和侵袭,同时通过PI3K-Akt信号传导途径促进细胞凋亡[25]。而在COL6缺乏的小鼠模型中也可发现糖酵解减少和三羧酸循环通量的变化[26]。以上结果均表明,COL6可以通过不同信号通路来影响肿瘤细胞的代谢,靶向COL6从而干扰肿瘤细胞的合成代谢、抑制肿瘤的生长速度可能成为未来研究的新方向。

图1胶原蛋白VI作用机制图

5、COL6在肿瘤中的表达及意义

与健康对照组相比,COL6a3片段在结直肠癌患者的循环中上调[27]。且COL6a3的敲除实验表明可以减少结直肠癌细胞的增殖和侵袭,并增加凋亡。同时,COL1a2、COL6a3基因沉默抑制胃癌细胞的增殖、迁移和侵袭,通过PI3K-Akt信号传导途径促进细胞凋亡[25]。有实验发现,COL6a3在膀胱癌的组织和细胞中过表达,并可以抑制参与TGF-β/Smad信号通路的分子,COL6a3沉默显着抑制膀胱癌细胞增殖、血管生成和EMT过程[28]。同样,1项量化胰腺导管腺癌患者血清中COL6a3的研究发现,与对照组相比,COL6a3水平在胰腺导管腺癌患者血清中较高[29]。因此,血清中COL6的上调是发展血清诊断生物标志物的有用发现。COL1a2、COL6a3基因沉默可以减少癌症细胞的增殖、迁移和迁徙。由于肿瘤中COL6稳态的丧失,可以产生病理相关的COL6片段并释放到循环中。这些特异性COL6片段可能在临床环境中用作癌症诊断生物标志物。最近1项研究表明,基质金属蛋白酶(MMP)产生的COL6片段(C6Ma1,C6Ma3)具有作为癌症生物标志物的潜力。与对照组相比,C6Ma1和C6Ma3在几种不同的癌症中显著升高,且这两种标志物在癌症的所有阶段均升高,因此它们可能用于患有早期和晚期癌症的患者。但为了全面分析COL6片段的诊断/预后适用性,还应评估更多患者、其他类型的癌症和具有相似病理(例如纤维化)的疾病[30]。

同时,有研究还发现COL6的高表达与癌症预后有着一定的联系,高COL6a1表达与宫颈癌患者的不良临床预后相关[31]。回顾性分析了来自300多例胶质瘤患者的公共基因表达数据集,并证实了患者预后不良和COL6a1高表达的显著相关性[32]。同样,在1项COL6a3在结直肠癌中作用的研究表明,COL6a3是结直肠癌中的独立预后因子[33]。另外有数据表明,基质COL6表达与恶性肿瘤的关键特征相关,代表了1种新的独立预后因素,可能影响唾液腺癌对放疗的反应[34]。以上研究和数据均表明,COL6在预测癌症预后中扮演着重要的角色,但其中的机制还有待进一步探索。

6、COL6在化疗耐药中的作用

对化疗耐药是临床治疗中的常见现象,并且是癌症患者的主要死亡原因。然而,这种耐药的分子机制在很大程度上是未知的。已知金属硫蛋白在促进顺铂耐药中发挥关键作用[35]。COL6诱导肿瘤细胞中金属硫蛋白-1E和硫蛋白-1F显著上调,从而为COL6在顺铂耐药中提供机制联系[16]。在奥沙利铂耐药与奥沙利铂敏感的卵巢癌细胞系差异表达基因中,COL6a3上调最显著,在奥沙利铂耐药细胞中增加62倍[36]。总之,这些发现表明COL6有助于化疗耐药。肿瘤细胞对化疗的反应部分受到肿瘤相关巨噬细胞的调节,进一步的研究表明,在乳腺癌中使用紫杉醇的化学疗法显著增强巨噬细胞浸润,从而保护肿瘤细胞免于化疗诱导的死亡[37]。miR-511是由巨噬细胞强烈表达并在人类肿瘤中下调的miRNA,能强烈抑制肿瘤细胞增殖[38,39]。M2巨噬细胞中miRNA-511-3P的过表达诱导肿瘤相关巨噬细胞中COL6表达的显著下调,限制肿瘤相关巨噬细胞的功能,从而抑制肿瘤生长[40]。综上所述,巨噬细胞大量表达和分泌COL6,表明miRNA-511在调节COL6表达中的潜在作用[13]。因此,COL6可以作为肿瘤相关巨噬细胞和化疗耐药之间的重要联系。这些发现不仅揭示了肿瘤相关巨噬细胞减弱化疗反应能力的分子机制,而且为提高患者化疗疗效提供了新的靶点。

7、展望

COL6是肿瘤生长的突出启动子,其在人类很多肿瘤中过表达,且与肿瘤不良预后密切相关。COL6通过不同的信号传导方式激活转录因子、生长因子和激酶,从而促进肿瘤发生和进展。通过上调金属硫蛋白促进了耐药,通过TGF-β信号转导促进EMT。此外,COL6通过促进肿瘤代谢重编程、参与肿瘤免疫逃逸而利于肿瘤生长。同时,COL6还直接作用于肿瘤微环境的细胞,如巨噬细胞和内皮细胞,以促进炎症和血管生成。总之,这些研究结果都表明了COL6是参与肿瘤生长和进展的重要调节因子。

许婷,杨明夏.胶原蛋白Ⅵ在肿瘤中的作用研究进展[J].中国现代医学杂志,2020,30(14):47-52.

基金:国家自然科学基金(No:81472199);江苏省自然科学基金(No:BK20141162)