[摘要] 丝裂原活化蛋白激酶/细胞外调节蛋白激酶(MAPK/ERK)信号通路参与调控肿瘤的生长和转移，而肿瘤的生长需要新生血管的维持，肿瘤血管的生成需要血管内皮细胞的参与，包括内皮细胞的增殖、迁移、侵袭。作为Ras/Raf/MEK/ERK途径是该网络信号的核心，本文就MAPK/ERK信号通路中各环节与肿瘤血管新生的联系做一综述，进一步研究其在抑制肿瘤生长方面做出推论。
[关键词] 硕士论文发表期刊,MAPK/ERK信号通路,肿瘤,血管新生
Relationship between MAPK/ERK signaling pathway and tumor angiogenesis
HAO Zhinan ZHENG Yongbin XIAO Gaochun LI Shengbo
Department of Gastrointestinal Surgery， Renmin Hospital of Wuhan University， Hubei Province， Wuhan 430060， China
[Abstract] MAPK/ERK signal pathway involves in the regulation of tumor growth and metastasis， and tumor growth cannot do without angiogenesis. Tumor angiogenesis requires the participation of vascular endothelial cells， including endothelial cell proliferation， migration and invasion. So as the core of this network signal： Ras/Raf/MEK/ERK pathway， this paper focus on the modulation between various MAPK/ERK signaling links and tumor angiogenesis， for making further study of the inferred in inhibiting tumor growth.
[Key words] MAPK/ERK signal pathway; Tumor; Angiogenesis
肿瘤侵袭和转移是多阶段、多基因、多因素共同参与的过程，其过程涉及到复杂的调节机制，它需要多条信号传导途径来共同完成，肿瘤不断的生长则是通过肿瘤细胞的分裂繁殖来完成的，它可以在很少甚至完全没有生长因子的条件下，而保持其持续增殖的能力。而肿瘤细胞的增殖、迁移、浸润及血管形成受各种因素的影响，不同的信号通路抑制剂、生长因子、内环境均可对它产生不同的影响，它们不仅仅需要在细胞间进行信息的传递，同时还要与外界环境进行信息的交流，故而在肿瘤的发生发展过程中，各个因素之间可以相互影响、相互制约，不同的信号通路通过不同的途径影响和制约肿瘤的发生及发展，不同的生长因子可以激活不同的信号通路。然而在恶性肿瘤的生长过程中，需要有新生的血管来继续维持它的生长，早期肿瘤较小，肿瘤生长缓慢，它可以通过扩散作用进行物质交换以获取营养物质，但随着肿瘤逐渐增大，仅仅靠扩散作用不能满足肿瘤生长的营养需求，它将通过各种途径来完成血管新生，以提供充足的营养物质和丰富的血液灌注来维持肿瘤的进一步生长，为肿瘤向远处转移提供了重要通道，肿瘤细胞通过血管新生到达远处转移点[1]。近些年来研究的热点主要集中在不同信号传导通路对恶性肿瘤发展的影响[2-5]，其中有研究发现，丝裂原活化蛋白激酶/细胞外调节蛋白激酶(MAPK/ERK)信号通路通路不仅在细胞增殖、凋亡中发挥着重要的作用[6-8]，而且是血管生成各类信号通路的凋节中心，决定着血管的最终生成状态。本研究组在前期实验中，通过Matrigel胶模拟体内生理状态的环境来研究血管内皮细胞的迁移、浸润和血管形成，发现MAPK/ERK信号通路抑制剂能够显著抑制血管内皮细胞的管道形成，本文就MAPK/ERK信号通路中各个因子在肿瘤血管生成中的相关联系进行综述。
1 MAPK/ERK信号通路的组成及生物学特性
在信号通路网络中，MAPK/ERK信号通路控制着细胞多种生理过程，与细胞的增殖、迁移与分化、细胞骨架的构建、细胞形态的维持、细胞恶变和细胞凋亡等密切相关，它也是将细胞表面受体信号转导至细胞内的关键，其中内皮细胞在新生血管形成过程中需要MAPK/ERK信号通路的激活[9]。在MAPK/ERK信号通路的传递途径中Ras作为上游激活蛋白，它需要释放二磷酸鸟苷(GDP)并结合三磷酸鸟苷(GTP)的才能活化Ras，MAPK/ERK信号通路采用高度保守治疗的三级激酶级联传递信号即Raf-MEK-ERK，活化的Ras蛋白与丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(Raf)的N端结构域结合并使其激活;活化的Raf结合并磷酸化MEK亚区两个丝氨酸，使其活化;MEK激活后使ERK的苏氨酸和络氨酸双位点磷酸化而激活，即Ras/Raf/MEK/ERK途径。许多重要应激蛋白的生成都是由MAPK家族激活诱导的，它们作用于相同或不同的靶蛋白，从而产生一系列的生物学作用，目前已证明MAPK信号系统介导的生物学效应十分广泛，有促进细胞的增殖和分化、介导细胞凋亡和肿瘤形成的作用，同时参与细胞炎性反应、免疫调节、促进损伤修复、介导细胞凋亡甚至影响肿瘤的发生和发展[10-12]。很多疾病和药物在抑制血管新生等方面都是通过抑制MAPK信号通路来完成的，其中在人头颈部鳞状细胞癌(Hincks)中，因其共同表达白细胞介素(IL)-8和血管内皮生长因子(VEGF)因子，该因子可以促进肿瘤血管生成、生长、转移，p38 MAPK信号通路通过抑制活化可以控制癌细胞的生长以及血管生成[13];在肾细胞癌[14]中，由于抑癌基因VHL的突变或功能缺失而抑制MAPK活化，影响VEGF的表达，继而抑制血管形成[15]，同样它也可以通过抑制MAPK信号通路的活化，诱导肾细胞癌7860细胞凋亡，抑制肿瘤的进一步生长[16];非环式维生素A[17]同样可以通过MAPK途径抑制血管新生。以上可以看出许多组织因子参与肿瘤的生长，而这些活性因子又受到信号通路的调节，其中MAPK信号通路的活化可以诱导恶性肿瘤组织因子的生成，通过抑制可以减少组织因子的表达，Steffel等[18]研究表明内皮细胞的转铁蛋白组织因子(TF)表达活性能被p38显著抑制，发现下调组织因子表达势必会抑制肿瘤生长转移。本研究组认为MAPK信号通路在肿瘤的生长过程中起到重要的作用，其靶向抑制剂可以为治疗恶性肿瘤提供一种新的治疗方案。 2 MAPK/ERK信号通路各成分与肿瘤血管生成的关系
2.1 Ras蛋白
Ras蛋白是癌基因raps的产物，它具有两种构象，即活化态和失活态的GDP结合构象，它们之间可以相互转变，在信号转导过程中发挥开关作用。Ras可以受许多刺激因子的激活，如果胞外信号与受体结合后，可以激活Ras，使Ras由失活态转变为活化态，启动Ras通路。Ras癌基因主要以点突变和基因扩增方式存在，Ras基因有K-Ras、N-Ras、H-Ras等，它是目前所知道的一类癌基因，Ras蛋白和G蛋白调转因子(GAP)的作用位点由于突变，它与肿瘤密切相关，主要原因在于抑制了Ras的内在的GTP活性。其中K-ras激活突变在结直肠癌是普遍存在的，K-ras编码有K-ras4a和4b两个亚型，Luo等[19]研究发现K-ras外显子4a有一个肿瘤抑制基因能够影响小鼠结肠腺瘤的形成;同样范如英等[20]在结直肠癌患者的粪便中通过检测K-ras基因突变，了解K-ras基因突变在结直肠癌中的意义，有助于临床上肿瘤的早期诊断。目前本研究组的课题是结肠干细胞体内突变构建结直肠癌局部免疫研究模型，目的是培育ApcloxP/loxP+KrasLSL-G12D/LSL-G12D品系的小鼠，在该品系的小鼠中同时携带一个表达被LoxP+终止密码封闭的、突变活化的Kras等位基因和1个两端各包括1个LoxP位点的Apc等位基因，这样导致突变Kras的表达和出现类似于ApcMin小鼠的肿瘤倾向，继而出现腺瘤-腺癌-转移的病理变化过程的小鼠模型。许多疾病的发生过程是通过Ras蛋白质与小分子复合物而起作的，Tanaka等[21-22]通过建立小鼠模型，演示了通过药物干扰Ras蛋白与其他物质的相互作用从而达到抑制肿瘤生长，发现抑制RAS-dependent信号在癌症治疗效果上可以和肿瘤常规放疗或化疗达到相似的效果，在这种背景下，阻断Ras的作用能够有效地抑制肿瘤的生长和发展。
2.2 Raf蛋白
Raf蛋白其上游激活蛋白Ras，利用高亲和力和Raf-1N-端的两个区域结合后，使Raf被激活，它有三种类型：Raf-1、A-Raf、B-Raf，Raf的丝/苏氨酸的磷酸化可能是Raf的激活机制之一。其中Raf-1是研究最广泛也是功能最多的激酶，阻止Raf-1的激活能够阻碍血管新生，Asami等[23]在血管抑制剂研究过程中发现，它是通过抑制Raf-1的激活而达到阻碍血管的形成;在对核糖核酸干扰(RNAinterfere)研究中，Meng等[24]发现，在裸鼠的动物模型中，它是通过抑制Raf-1的激活，从而抑制肿瘤的血管生成和肿瘤的生长;在其他学者研究结肠癌裸鼠模型中，Raf-1的表达也与肿瘤血管生成正相关[25]，Raf-1作为一个关键的节点分子在调节肿瘤血管生成过程中的起着重要作用，特定Raf-1癌症治疗-血管生成抑制剂，有可能成为肿瘤治疗过程中一个重要治疗方向;同样抑制Raf-1与其他抑制蛋白间的相互作用，一样可以抑制肿瘤血管生成，瓦解成视网膜细胞瘤的肿瘤抑制蛋白和Raf-1之间联系可以减缓该肿瘤的生长和血管形成[26]。目前Raf激酶抑制成为国内外研究的热点，该抑制剂被发现广泛存在于多种生物中，与前列腺癌、乳腺癌、结直肠癌、黑色素瘤、肺癌有着密切的关联[27]，其中最有代表性的药物属多靶点raf激酶抑制剂索拉非尼，索拉非尼是一种多激酶抑制剂，能够同时抑制多种存在于细胞内和细胞表面的激酶，它具有的双重抗肿瘤效应，一方面通过抑制信号传导通路，直接抑制肿瘤生长，另一方面靶向作用于血管内皮生长因子受体和血小板衍生生长因子受体而抑制血管形成。
2.3 MEK
MEK分为MEK1和MEK2两种亚型，它的激活需要上游蛋白Raf的激活，主要是因为Raf的C端催化区能与MEK结合，并使MEK第Ⅷ亚区中两个Ser磷酸化，从而使MEK激活，我们知道ERK的Tyr/Thr双特异性磷酸化具有重要的生理意义，它对细胞信号传导中处于核心地位，异常的磷酸化都会对细胞生命活动产生不同的影响。PD98059是一种特异性的MEK抑制剂，也是目前研究较多的一种抑制剂，它主要通过与MEKl/2的非活化形式结合阻止其磷酸化，从而抑制ERK的Tyr/Thr双特异性磷酸化而达到抑制肿瘤细胞的增殖[28]，本研究组所做的实验发现，PD98059能够显著抑制结肠癌血管内皮细胞在matrigel胶上管道形成能力[29]，从而抑制肿瘤血管新生的能力，PD98059不仅仅对结肠癌细胞有作用，同时发现PD98059对肝癌HepG2细胞的抑制作用随浓度的升高而增强，细胞的生长明显受到抑制，同时诱导细胞凋亡的数目也增多[30]。MEK1和MEK2表达过度也与肿瘤组织发生相关，在食管鳞状细胞癌组织中MEK1表达明显增高，引起食管癌变过程中提示MEK1的异常表达，从而激活对MAPK信号传导途径的正调控，使食管上皮细胞过度增殖，进而发生恶变，并伴有肿瘤血管新生[31];张辉等[32]通过实验发现在结直肠癌患者中MEK2的表达都明显增高，结直肠癌组织中MEK2蛋白表达水平明显高于对照正常肠黏膜组织，同时结直肠癌Dukes分期、分化及淋巴结转移也与MEK2表达水平有关。MEK抑制剂也可以通过抑制活性因子表达，增强抗肿瘤血管活性，在对非小细胞性肺癌(NSCLC)研究中[33]，MEK抑制剂可以通过减少VEGF能够增强抗肿瘤血管的形成，达到抑制肿瘤生长;炭疽致死因子[34]是一种MEK通路的蛋白水解酶抑制剂，它可以通过抑制该途径达到抑制肿瘤的生长和肿瘤血管的形成。
2.4 ERK
ERK即细胞外调节蛋白激酶，可分为ERK1和ERK2，主要通过各种生长因子、离子射线、过氧化氢等磷酸化而激活，通过作用于转录因子而促进某些基因的转录与表达，并且和细胞的增殖、迁移、血管形成密切相关。同样ERK的失活需要通过苏氨酸和酪氨酸残基上的磷酸的移除，肿瘤进一步生长需要有新生血管形成，而ERK通路在肿瘤侵袭和转移中是重要的一环节，ERK能否进入细胞核作于于转录因子，促使相关信号的表达，从而影响肿瘤血管新生。有些物质能够通过阻止ERK磷酸化激活抑制血管形成，如水杨苷(Salicin)[35]，它是一种从柳树树皮提炼出来的植物生化素，可作为抗发炎的药物，与阿司匹林结构相似，在体中会被代谢成水杨酸;5-和厚朴酚衍生物能显著抑制细胞外MEK磷酸化的激酶表达，从而不能激活ERK，表明5-和厚朴酚衍生物可能通过抑制MEK磷酸化而具有抗血管生成的能力[36];Sun等[37]研究提供的证据表明，EPOX导致ERK失活，从而形成血管生成的抑制作用，EPOX是一种新型的抗血管新生代理，使其进一步发展成为治疗血管新生方面疾病的先导化合物。在对骨髓瘤和其肿瘤血管形成的研究中[38]，血管内皮细胞生长因子对ERK磷酸化也相关，发现通过下调ERK磷酸化活性可以抑制血管内皮细胞生长因子的分泌，从而达到抑制骨髓瘤生长和抑制骨髓瘤肿瘤血管形成。 3 MAPK/ERK信号通路与恶性肿瘤的关系
MAPK/ERK信号传导通路有3个重要分子靶：Ras、Raf及MEK。理论上，干预Ras/Raf/MEK/ERK任何一种激酶都有可能阻止肿瘤的生长，同时ERK调节着细胞的增殖、分化和存活，是多种生长因子的下游蛋白，故该信号通路在恶性肿瘤的发生和发展中有着重要的作用。乳腺癌中的肿瘤易感基因101(TSG101)可能通过MAPK/ERK信号通路发挥生物学作用[39]，TSG101的下调可以抑制ERK的表达，同时发现TSG101和p-ERK在乳腺癌组织中的蛋白表达存在正相关。垂体肿瘤转化基因(PTTG)是一种新型原癌基因，它也是通过MAPK/ERK信号通路发挥促进鼻咽癌细胞增殖及抑制凋亡的生物学作用[40]。同时MAPK/ERK信号通路也与消化道肿瘤密切相关，在肝细胞癌发生过程中，乙肝病毒感染可以上调感染细胞内的Ras-ERK通路的磷酸化水平，同时伴随相关癌基因表达的增多，导致细胞周期调节紊乱，细胞生长不能得到有效控制;在食管癌转变进展过程中，脱氧胆酸(DCA)可以促进Barrett食管癌变[41]，主要是通过活化ERK/MAPK通路而诱导抗凋亡蛋白环氧合酶(cox)-2的表达;在结肠恶性肿瘤中，它能够抑制结肠癌细胞的生长而促进其凋亡，主要是通过ERK这条信号通路来完成的;同样在其他许多人类的癌症中都可发现ERK的过度激活(如口腔癌、黑色素瘤等)[42]。
综上所述，Ras/Raf/MEK/ERK途径是最重要的信号转导途径之一，该级联反应是经典的激酶单向和线性传递信号，不仅因为它涉及到调节细胞的生命活动和各种功能，而且还在多种疾病的发病机制及病理生理过程中发挥着重要的作用，与其他蛋白和其他信号通路存在复杂的关系，但Ras/Raf/MEK/ERK途径是复杂网络信号的核心，其中任何一个环节无法激活，将导致信号通路的中断，无法发挥生理学效应。Ras需要由失活态转变为活化态才能激活，我们现在的课题是构建K-Ras基因突变模型，而Ras基因还有N-Ras、H-Ras等很多种类，它们有没有类似的作用，需要我们在以后工作中继续探索;Raf的活化目前只知道与丝/苏氨酸的磷酸化有关，但具体机制不详，需要进一步明确。此信号通路最终需要通过ERK发挥作用，需要Ras依赖的，但有些是不需要Ras依赖的，比如成纤维细胞中佛波醇脂对ERK的激活，同样其他信号通路和细胞活性因子也可以对ERK激活，因此要了解该信号转导过程中上游蛋白和各种激酶的激活机制，明白生命活动中一些基本机制和过程，以便寻找出针对性的治疗措施。今后的目标是寻找针对MAPK/ERK信号传导通路中各个环节的抑制物，以切断信号转导的途径，从而达到治疗疾病的目的。相信MAPK/ERK信号传导通路中某些关键信号元件的抑制剂成为近年来恶性肿瘤治疗中的一个新策略，需要不断地发现和探索。
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