miRNA及AQP在结直肠癌恶性进展中的研究进展

冯宇浩 顾泽炜综述 赵建国审校

结直肠癌(colorectal cancer,CRC)是全球第四大常见恶性肿瘤,也是第五大癌症死因[1]。CRC的发病机制仍不完全清楚,目前认为可能是环境因素和遗传因素共同作用的结果[2]。CRC的治疗主要以手术切除、化学疗法、放射疗法等为主的综合性治疗,但CRC往往发生血行转移、腹膜转移和淋巴结转移,因此上述治疗对CRC晚期患者的疗效总体上不佳[3]。据统计,初诊时未转移者、局部转移者和远处转移者的5年生存率分别为90%,70%和10%[4]。因此,寻找早期诊断的标志物,探索CRC生长和转移的关键分子意义重大。

微核糖核酸(microRNA,miRNA)能够在真核细胞中表达,通过与靶基因的3'-UTRs相互作用,从而降解靶基因信使RNA或抑制其翻译,或是参与转录后基因调控[5];miRNA可以在多种恶性肿瘤中表达,既可以作为原癌基因,也可以作为抑癌基因影响肿瘤细胞的发生与分化[6]。水通道蛋白(Aquaporins,AQPs)存在于几乎所有的生物体中,主要参与水和细胞溶质的转运,AQP对细胞内流体稳态至关重要[7]。研究表明,哺乳动物体内的AQP通过影响血管生成、细胞增殖和迁移促使癌症进展[8]。本文就近年来有关miRNA、AQP与CRC发生、发展的分子机制的相关研究作一综述。

1 miRNA与结肠癌

血管生成是从已存在毛细血管的小静脉中生长新血管的过程,是肿瘤细胞增殖和转移的重要步骤[9]。研究发现,miRNA可以调节血管生成的所有阶段,大约有33个不同的miRNA家族在血管生成中发挥作用[10]。有的miNRA可以诱导血管生成进而促进肿瘤进展。比如结肠癌分泌的miR-25-3p可以通过外泌体转移到血管内皮细胞,破坏内皮屏障的完整性,诱导血管生成,并促进CRC转移[11]。MTDH是CRC中miR-375的靶基因,MTDH的表达水平与CRC中miR-375的表达呈负相关,抑制miR-375在CRC中的表达可以通过增加MTDH的表现来调节细胞增殖和血管生成[12]。有的miNRA可以抑制血管生成进而抑制肿瘤进展。比如miR-218的过度表达可以显著抑制血管生成。此外,miR-17～92也通过抑制肿瘤血管生成来抑制CRC进展[13]。总之,肿瘤的发病机制与血管生成失衡有关,miRNAs可以调节血管生成的相关通路,因此有望成为肿瘤的潜在治疗靶点。

原发肿瘤创造了有利于肿瘤后续转移到其他器官和组织中的微环境,也就是肿瘤转移前微环境。转移前微环境可以增加血管生成和增强血管通透性,从而促进肿瘤转移[14]。研究表明,miRNA与肿瘤转移前微环境形成有关。有研究发现,原代结肠细胞分泌的miR-21被肝脏中的巨噬细胞吞噬,从而在肝脏中形成转移前微环境,利于循环的结肠癌细胞在那里定居并存活。一项研究表明上调的miR-135a-5p通过免疫抑制和细胞黏附的双重调节促进转移前微环境的形成,在促进结肠癌肝转移中起关键作用[15]。此外,循环肿瘤来源外泌体miR-203可以通过诱导宿主M2巨噬细胞以形成转移前微环境[16]。上述研究表明,miRNA可以参与转化前微环境的形成,以及促进CRC转移。

肿瘤细胞的永久增殖是肿瘤进展的基础。已有研究表明miRNA可以在不同方式下影响肿瘤细胞的增殖。有研究发现miR-17可以促进CRC细胞增殖[17]。相反,也有研究发现miRNA可以抑制CRC细胞的增殖并减缓肿瘤生长[18],比如miR-1258和miR-500a-5p的上调可以通过把CRC细胞阻断在G0/G1期来抑制肿瘤细胞增殖[19-20]。miRNA-142-3p可以控制上皮-间充质转化与间充质-上皮转化促进肿瘤进展和转移[21]。肿瘤细胞的外泌体miRNA可以通过诱导M2巨噬细胞促进CRC肝转移[22]。总之,在正常的生理条件下,miRNA可以维持某些细胞过程的正常调控,其异常会导致细胞的异常生长和生物合成,从而促进或抑制肿瘤的扩散和转移。总之,在正常生理条件下,miRNA可以维持一些细胞的调控,miRNA的异常将导致细胞的异常生长,从而促进或抑制肿瘤的扩散和转移。

细胞凋亡是在正常细胞发育和衰老过程中发生的程序性死亡。化疗通过引起DNA损伤或细胞损伤诱发癌症细胞凋亡。凋亡异常是CRC的一种致病机制,并在抵抗化疗和放疗中发挥作用[23]。miRNA在肿瘤细胞凋亡和药物耐药中发挥重要作用。半胱天冬酶(caspase)家族的激活是诱导细胞凋亡的主要途径[24],miRNA通过调控不同的caspase而影响细胞凋亡。miR-433增加caspase-3和caspase-9的表达,从而促进细胞凋亡[25]。通过增加caspase-8表达水平,miR-150-504-519d促进结肠癌细胞凋亡[26]。在凋亡通路中,miR-92a与两种细胞凋亡基因CSF2RB和BCL2L1相关,增加miR-92a-3p在肿瘤组织中的表达可以提高患者的生存时间[27]。miR-766-3p的过度表达可以通过PI3K/AKT信号通路下调HNF4G抑制CRC细胞的生长并诱导细胞凋亡[28]。miR-27a-3p可以通过ERK-MAPK信号通路增加细胞凋亡途径,miR-422a通过p38-MAPK信号通路诱导CRC细胞凋亡[29]。相反,miR-421通过下调caspase-3在结肠癌中发挥抗凋亡作用[29]。总之,miRNA的调节有助于调控结肠癌的发生和发展,大多数情况下能促进癌症细胞凋亡,缓解肿瘤耐药。

总之,miRNAs通过调节多种癌症相关信号通路的靶基因,参与细胞代谢、线粒体动力学、有丝分裂、凋亡、氧化还原信号和化疗药物耐药性,越来越多的证据表明miRNAs在CRC发生、发展及恶性进展中起着重要的作用。

2 AQP与结肠癌

水通道蛋白(aquaporins,AQPs)是一种完整的膜蛋白,存在于从细菌到人类的所有生物体中[6]。AQPs主要参与水的跨膜扩散以及以双向方式广泛分布在各种人体组织。人体含有13种AQP(AQP0-AQP12),根据孔道的选择性可分为正统水通道蛋白(AQP0、1、2、4、5、6和8)、水甘油蛋白(AQP3、7、9和10)和超或非正统水通道蛋白(AQP11和12)三类亚型[7]。人类AQP功能多样,涉及多种包括癌症在内的非感染性疾病。水通道蛋白在肿瘤水肿、肿瘤细胞迁移/侵袭、肿瘤增殖和血管生成等肿瘤恶性进展过程中扮演着重要的角色[7]。大约20种类型的肿瘤已被证明与AQP的表达有关。

在CRC中,AQP1、AQP3、AQP5已被证明参与其生长和转移[30]。不同的AQP在CRC中表达模式不尽相同。AQP1和AQP3在CRC中的表达水平显著高于相邻的正常结肠组织[30-31],提示AQP可能在结直肠癌的发展中起作用。在CRC中不同的AQP间的表达并非一致,比如AQP1可在CRC中表达增加,而AQP3的表达可以不增加,表明AQP1和AQP3的表达之间没有相关性[32]。有研究报道AQP1与CRC恶性进展有关,质膜中AQP1的表达可在体外诱导HT20细胞迁移[33],表明AQP1的表达与CRC恶性进展有关。很多研究结果表明AQP3的表达与CRC细胞的增殖和迁移密切相关[30-31]。

AQP3在CRC组织中的表达显著高于健康结肠组织。高表皮生长因子状态(hEGF)可以通过时间和剂量依赖性方式增加AQP3蛋白水平,从而通过PI3K/Akt信号传导途径而非ERK途径增强CRC细胞的迁移能力[34]。AQP3信号抑制剂硫酸铜对hEGF诱导的CRC细胞迁移有抑制作用,而对EGFR表达和AQP3表达的影响很小,表明CRC迁移是由AQP3介导的。此外,AQP3的高表达与CRC患者的淋巴结转移和分化密切相关[34]。有研究者测定了CRC患者肿瘤和邻近正常结肠组织中AQP3的表达水平,发现CRC组织中AQP3表达较高[35],提示AQP3表达可作为CRC的预后标志物。有研究显示AQP3高表达与肿瘤分化程度低和出现远处转移密切相关[34]。这些临床结果提示AQP3的高表达预示着结直肠癌的转移和不良预后。总之,这些研究结果提示AQP3高表达预示着CRC容易出现转移等恶性进展并且患者不良预后。

AQP5由CRC细胞表达,与不受控制的细胞增殖密切相关[36]。AQP5过表达是癌症特异性代谢所必备的特征,并且与体外细胞迁移和体内转移潜能增加有关[36]。AQP5的过度表达可持续发生于CRC早、中、晚的各个时期[30],CRC组织中AQP5的表达水平增加,且与肿瘤细胞分化呈负相关[37],表明AQP5在CRC恶性进展中的作用。有关AQP11在癌症中的研究相对较少。Chetry等[38]研究了卵巢癌中不同水通道蛋白表达的预后价值,发现较高的AQP11 mRNA表达与较好的总生存期(OS)相关,可作为卵巢癌新的预后指标和潜在的治疗靶点。Chow 等[39]通过RNA-seq转录组数据分析患者的AQP表达模式和患者生存的关系,在CRC中AQP11表达水平低,并与CRC患者预后不良有关。

近年来以AQP为靶点治疗CRC的研究也屡见不鲜。有研究观察到用于治疗癫痫和青光眼的乙酰唑胺可以抑制AQP1表达和CRC异种移植瘤恶性进展[40],表明AQP1可能是CRC的治疗靶点。体外和体内研究一致支持AQP1与肿瘤生长、侵袭、转移相关。因此,AQP1是一个值得进一步研究的分子,关于结直肠癌的预后评估和治疗。AQP5的沉默可以抑制AQP5-p38-MAPK信号通路的传导和降低CRC细胞耐药性[41]。通过抑制p38-MAPK信号通路下调多药耐药(MDR)基因GST-π、P-gp和TOPO Ⅱ,AQP5表达可增加CRC细胞的耐药性[41]。因此,沉默AQP5对于治疗结直肠癌耐药性可能具有治疗作用。在最近的一项研究[42]中,以AQPs为研究靶点,通过生物信息学分析预测AQP11的上游调控基因,发现miR-152-3p可靶向和负调控AQP11的表达;该研究的体外细胞实验表明,沉默的miR-152-3p可以显着抑制CRC细胞的增殖,迁移,侵袭和黏附,而沉默的AQP11可以逆转这种作用;首次揭示了miR-152-3p下调AQP11促进CRC细胞增殖、迁移、侵袭和黏附的调控机制。

综上所述,miRNAs通过调节多种癌症相关信号通路的靶基因,参与CRC的发生发展及恶性进展,AQPs功能多样,涉及多种感染性疾病及非感染性疾病, AQP1,AQP3,AQP5等多个AQPs已被证明参与CRC生长和恶性进展,已有研究结果显示,miRNAs和AQPs间存在信号通路调控机制,并干预CRC的发展。因此,值得继续挖掘相关下游信号通路,以进一步完善miRNAs和AQPs调节CRC生长和转移的分子调控机制。