Toll样受体4信号通路在大肠癌中的研究进展

徐 槐 刘朝奇 金锦莲 吴发明

(1. 三峡大学 第三临床医学院[国药葛洲坝中心医院] 消化内科， 湖北 宜昌 443002； 2. 三峡大学 肿瘤微环境与免疫治疗湖北省重点实验室， 湖北 宜昌 443002)

大肠癌是严重威胁人类健康的恶性肿瘤之一。据统计，2019年美国有大约15万新增的结直肠癌患者，且近5万患者死于结肠癌[1]。肠道的慢性炎症及不均衡的饮食习惯导致某些基因异常表达与大肠癌的发生有着紧密联系。其中，Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)家族中的重要成员TLR4的异常表达在大肠癌的发病过程中发挥至关重要的作用[2]。

1 TLR4的生物学功能

TLRs是一类模式识别受体，能特异性地识别病原相关分子模式，在启动和调节天然免疫及获得性免疫中扮演着重要的角色。从结构上看，TLRs是一种跨膜受体，包括富含亮氨酸的胞外区( leucine-rich repeats，LRR)、跨膜区及胞内的Toll/IL-1受体区(Toll/IL-1 receptor，TIR)三个结构域。富含亮氨酸的胞外疏水域由19～25个富含亮氨酸的系列组成，主要参与识别微生物相关分子模式(microbial-associated molecular patterns，MAMPs)或病原体相关分子模式(athogen-ssociated olecular atterns，PAMPs)及内源性配体(如核酸、脂质、蛋白质、脂蛋白)等信号分子。跨膜区是连接LRR和TIR的媒介，TIR域则可与适配器蛋白如髓样分化因子88(myeloid differentiation factor88，MyD88)相互作用，激活下游信号通路，从而诱发一系列生物活动。TLR4是TLRs家族中的重要成员，可介导多种信号通路参与包括大肠癌在内的多种疾病的病理生理过程。

2 TLR4信号通路与大肠癌的关系

TLR4蛋白属于I型跨膜蛋白，不仅在巨噬细胞、中性粒细胞及树突状细胞等免疫细胞中表达，且广泛表达于胃癌、乳腺癌、宫颈癌及大肠癌等多种肿瘤细胞表面[3,4]。通过体外培养人结肠癌细胞发现，TLR4在结肠癌细胞表面高表达，当给予TLR4相应配体刺激后，可诱导结肠癌细胞分泌多种免疫抑制性介质，如肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-α, TNF-α)、一氧化氮(nitric oxide，NO)及血管生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等，促进结肠癌细胞株的生长[5,6]。

2.1 TLR4/MyD88/NF-κB与大肠癌

研究发现，在肿瘤细胞中高表达的TLR4，与多种肿瘤的生长、浸润及转移密切相关。Semlali等[7]发现，与正常组织及癌旁组织相比，大肠癌组织中TLR4的表达明显升高，同时其异常表达不受性别和年龄的影响。核因子-κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)是位于细胞质中的一种转录因子，并可在大肠癌细胞中迅速活化，从而抑制蛋白质X1(protein X1，PinX1)表达，最终促进肿瘤生长；而抑制NF-κB的表达则可诱导大肠癌细胞的凋亡[8-10]。研究证实TLR4、NF-κB及MyD88是同属于依赖MyD88经典信号通路上的三个重要因子，且在大肠癌的发展过程中备受关注。一方面，在体外实验中，穿心莲内酯(andrographolide)可阻遏大肠癌细胞SW260增殖并促进SW260细胞凋亡，且明显抑制TLR4、MyD88、NF-κB及基质金属蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9，MMP-9)的表达[11]。Lemieszek等[12]发现，抑制NF-κB/MMP-9通路的激活，可阻碍大肠癌细胞转移。由此可推测，穿心莲内酯抑制大肠癌细胞的增殖和转移可能是通过介导TLR4/MyD88/NF-κB/MMP-9通路的失活来实现的。MMP家族由能够分解细胞外基质的酶组成。由此可认为，TLR4/MyD88/NF-κB信号通路可通过促进MMP-9的分泌，降解和破坏基底膜进而促进肿瘤细胞的浸润侵袭，从而促进肿瘤的生长和扩散。另一方面，在与结直肠炎相关的结直肠恶性肿瘤中，全反式维甲酸可以通过介导TLR4/NF-κB信号通路来调节TNF-α及一氧化氮合成酶2(nitric oxide synthase 2，NOS2)表达，从而参与大肠癌的发展[6]。其机制也可能与TLR4导致MyD88相关信号通路活化，最终激活NF-κB促使其进入细胞核后启动相关基因的转录有关。

众所周知，肿瘤的浸润、转移必须以血管的建立及血液供应为基础，其中大肠癌大多是以淋巴结和血行两种方式发生转移。NF-κB可以吸引炎症细胞并诱导炎症细胞产生营养因子及血管生长因子，为肿瘤细胞的增殖、侵袭提供营养物质，同时VEGF可促进淋巴管的生成和淋巴转移从而促进肿瘤的侵袭和转移[5]。而TLR4的激活则可促使VEGF表达上调与NF-κB活化，故TLR4、MyD88及NF-κB的过表达与大肠癌的侵袭及浸润有关。

2.2 TLR4/COX2/PGE2与大肠癌

长期以来，慢性炎症被认为是恶性肿瘤的易感因素之一，前列腺素(prostaglandin E2，PGE2)是一种独特的炎性因子，在控制炎症和诱导粘膜细胞凋亡方面发挥着多重作用。环氧化酶2(cyclooxygenase 2，COX2)不仅是PGE2生物合成的限速酶，也是肿瘤发生发展过程中起重要作用的生物因子[13]。研究发现，纯合子Smad3突变体的小鼠不仅更容易发生大肠癌，且COX2的表达也明显增加[14]。此外，X线交叉互补蛋白(X-ray repair cross-complementing protein 5, XRCC5)也可以通过调节COX2的表达来影响肿瘤的生长，COX2的表达也可能与肿瘤细胞的迁移和侵袭密切相关[15,16]。另一方面，TLR4与肿瘤的生物学行为密切相关，抑制TLR4的表达可以明显的抵抗肿瘤的形成[17]。Hsu等[18]发现，TLR4基因敲除小鼠肠道粘膜的COX2和PGE2表达均明显降低；给予PGE2口服后，肠道粘膜COX2的表达明显增加并促进其肠道肿瘤的发生；同时还发现其肠道粘膜双向调节蛋白(amphiregulin，AR)及表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)的表达均不同程度增加。相关研究证实COX2的抑制剂类似物能够抑制大肠癌细胞的增殖及转移[19]。肠道慢性炎症导致的大肠癌中TLR4的异常表达可显著增加PGE2的表达，肠道粘膜细胞EGFR的磷酸化以及COX2的表达上调，从而正反馈促进肿瘤细胞的增殖[18]。

2.3 TLR4/β-catenin与大肠癌

β-连环蛋白(β-catenin)作为一种多功能蛋白质，由细胞质向胞核转移时，其相关信号通路被激活[20]。在胞质内，β-catenin可与胞膜黏附蛋白及α-catenin结合，参与细胞骨架的调节，维持细胞的黏附作用，防止细胞转移。最近有研究发现，β-catenin信号通路的活化与大肠癌的发生过程有关。体外实验研究发现，白介素-37(interleukin-37，IL-37)可通过抑制β-catenin的表达和核转移，阻碍大肠癌细胞的迁移及侵袭，而microRNA-27a则可以通过靶向抑制β-catenin信号通路促进大肠癌细胞的增殖及侵袭[21,22]。TLR4作为大肠癌发生发展过程中的重要信号因子，也参与了此信号通路的活化。Chen等[23]研究发现，与梭杆菌阴性的大肠癌组织相比，梭杆菌阳性的大肠癌组织中的β-catenin信号通路被激活；用梭杆菌中提取的LPS刺激大肠癌细胞后，β-catenin和TLR4表达显著增加；TLR4抑制剂预处理LPS刺激的大肠癌细胞后，β-catenin的表达明显减少。因此，梭杆菌是通过诱导LPS产生，继而激活TLR4/β-catenin信号转导来介导大肠癌的发生。

2.4 TLR4/HMGB1与大肠癌

高迁移性蛋白质1(high-mobility group box 1，HMGB1)是一种在核小体的稳定及基因转录过程中起重要作用的核蛋白，可以由免疫细胞产生，参与机体的炎症反应过程，也可以由HT-29、MCF-7等肿瘤细胞产生，在肿瘤的发生过程中起重要作用。研究表明，HMGB1的异常表达与肺癌的发生存在着相关性，并可作为肺癌治疗的一个遗传标志物[24]。同时，在胰腺癌细胞内HMGB1的总量与患者总生存率有关，HMGB1可能是与胰腺癌患者预后有关的新型细胞因子[25]。Wu等[26]研究发现，与正常对照组相比，大肠癌患者血清中HMGB1的表达水平明显增高，并在大肠癌远处转移患者中表现得更加明显，提示HMGB1的表达与大肠癌等恶性肿瘤的预后密切相关，可能是多种恶性肿瘤潜在的生物标志物。此外，患者血清中HMGB1的水平与肿瘤组织中翻译控制肿瘤蛋白(translationally controlled tumor protein，TCTP)表达正相关。研究还发现，将人大肠癌细胞LoVo接种裸鼠脾脏后，小鼠种移植瘤的重量和肝转移的数量与TCTP在LoVo细胞中的表达正相关；进一步通过免疫组化发现，HMGB1的染色密度与TCTP在原发肿瘤组织和转移灶中的染色密度一致，而TCTP主要是通过HMGB1与其受体TLR4相结合后发挥作用[27]。因此，TLR4/HMGB1信号通路的活化在大肠癌的远处转移过程中可能存在重要的调节作用。

2.5 其它TLR4信号通路与大肠癌

目前关于TLR4相关信号通路与大肠癌关系的研究中，除了TLR4/MyD88/NF-κB及TLR4/COX2/PGE2信号通路以外，其它与TLR4相关的信号通路也受到了不少学者的关注。研究发现在大肠癌细胞中，TLR4被其配体刺激后可以增加半乳糖蛋白1(galectin-1，Gal-1)的表达，并诱导上皮-间质转化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)相关细胞因子的产生；而沉默TLR4基因后，CRC细胞中Gal-1的表达及乳酸介导的EMT都受到明显抑制[28]。Gal-1的过量表达与大肠癌浸润活性的增加有关，Gal-1介导的裂解素和金属蛋白酶10 (metalloproteinase 10，ADAM10)及金属蛋白酶17(metalloproteinase 17，ADAM17)的激活可增加大肠癌细胞的侵袭性。相反，抑制ADAM10或ADAM17则可以有效阻止乳酸的产生及大肠癌细胞的迁移能力。因此，TLR4/Gal-1信号通路可通过调节ADAM10和ADAM17的表达来参与大肠癌的转移。

Singh等[29]发现，抵抗素与大肠癌细胞膜上的TLR4结合后，可促使蛋白激酶(extracellular signal-regulation kinase，ERK)激活，而ERK可以上调细胞因子信号抑制因子3(suppressor of cytokine signaling3，SOCS3)，并下调JAK激酶2/信号转导与转录激活因子3(Janus kinase 2 /signal transducer and activator of transcription 3，JAK2/STAT3)，将细胞阻滞在G1期。Chung等[30]认为，由TLR4诱导的糖原合成酶激酶(glycogen synthase kinase, GSK3β)和ERK磷酸化可独立控制肿瘤细胞生存，从而使TLR4成为降低结肠癌患者耐药性和转移的关键靶点。

3 展望

大肠癌是最常见的消化道恶性肿瘤之一。近些年来，我国大肠癌发病率和病死率都在不断上升，其发病有年轻化趋势。大肠癌的早期无明显临床症状及晚期多发转移是造成患者死亡的重要原因，然而目前对其仍缺乏有效的治疗手段。因此，积极寻找有效的方法早发现、早诊断、早治疗成为近年来研究的主要目标。虽然TLR4相关信号通路与结肠癌关系的报道日益增多，但是对于两者间关系的认识仍不明确，尤其是在大肠癌发生发展过程中TLR4相关信号分子表达谱的改变，以及这种改变对肿瘤发生发展产生的影响尚待进一步研究。因此，TLR4相关信号通路作用机制的深入研究对结肠癌的早期诊断、治疗以及预后判断具有重要意义。