黃 蕾，滕春瑩，雷 鵬，單毓娟

(哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001)

腫瘤細胞運動是由若干化學誘導物刺激胞內信號通路，使細胞骨架肌動蛋白重組形成膜突起繼而引發(fā)的多步驟、多階段的復雜過程[1]。腫瘤細胞運動的原動力來源于細胞骨架蛋白，它是形成細胞偽足的核心成分。作為細胞運動的執(zhí)行者，偽足可形象地被稱為細胞運動的“腳”，其結構特征是腫瘤細胞遷移能力強弱的關鍵所在[2]。

1 偽足與腫瘤細胞遷移

1.1 偽足分類、形成及功能

參與腫瘤細胞運動的偽足主要有4種：片狀偽足、絲狀偽足、侵襲性偽足和足體。如圖1所示，片狀偽足是細胞表面較寬且短的板狀膜突起，又叫做細胞膜波動，富含動力型的肌動蛋白，其內部的肌動蛋白呈網絡狀排列；絲狀偽足是細胞表面延伸的細長呈針狀的膜突起，其內部充滿平行緊密排列的絲狀纖維[3]。此外，還有些膜突起可以降解和重構細胞外基質，這類侵襲性細胞在正對基底膜一側形成的富含肌動蛋白的膜突起叫侵襲性偽足，它僅在細胞侵襲過程中出現，且無固定形態(tài)。目前認為絲狀偽足是由片狀偽足發(fā)展而來，而足體被認為是侵襲性偽足的前體。

圖1 細胞偽足形態(tài)

片狀偽足的膜突起是由肌動蛋白的局部聚合引起的，首先是肌動蛋白單體(G-actin)聚集形成肌動蛋白纖維(F-actin)，同時在前緣產生肌動蛋白絲的游離帶刺末端，繼而促進腫瘤細胞的遷移。其中產生游離帶刺末端的方式主要有以下3種：肌動蛋白相關蛋白2/3復合物(actin-related protein complex，Arp2/3 complex)調控肌動蛋白重新聚集；絲切蛋白切斷已存在的肌動蛋白纖維；肌動蛋白纖維的脫帽作用[2，4]。片狀偽足與絲狀偽足的核心成分是肌動蛋白纖維，而侵襲偽足的成分較為復雜，由一系列蛋白共同構成，如肌動蛋白、肌動蛋白調控蛋白、黏附分子、膜重塑和信號蛋白及基質降解酶等，其中核心蛋白為皮層肌動蛋白(Cortactin)和神經Wiskott-Aldrich綜合征蛋白(neural Wiskott-Aldrich syndrome protein，N-WASP)，這些蛋白在多種惡性腫瘤中表達均上調。足體在外觀和分子構成與侵襲性偽足相似。典型的足體由單核型細胞形成，此外在平滑肌細胞和內皮細胞也發(fā)現了類似于足體的結構。

作為細胞膜的特殊形式，這幾種偽足有著不同的功能：絲狀偽足主要負責細胞黏附和攝取營養(yǎng)，而片狀偽足對于細胞的長距離遷移起著重要的作用[5]；侵襲性偽足只有在細胞侵襲的過程中出現，可幫助腫瘤細胞侵入并通過基質進入血管。足體與侵襲性偽足相同，也能夠降解細胞外基質[6-7]。這些偽足之間的關系目前報道較少，已有文獻認為絲狀偽足與片狀偽足之間存在著互相轉換的關系，這種轉換直接調節(jié)細胞的運動，在癌細胞快速轉移過程中能夠發(fā)現大量的絲狀偽足向片狀偽足的轉換[2，8]。細胞偽足總結見表1。

表1 細胞偽足概況

1.2 偽足形成的調節(jié)與腫瘤細胞遷移

對偽足形成的研究，主要是圍繞偽足核心成分及主要調控因子展開的。皮層肌動蛋白是一種肌動蛋白結合蛋白，通過磷酸化而被激活，活化后可招募Arp2/3復合物，繼而促進肌動蛋白細胞骨架的聚合和重組[9]。其中Arp2/3復合物是一種七亞基蛋白復合物，可促進肌動蛋白纖維聚合過程中的成核和分支化，并能被WASP家族蛋白激活，在調控肌動蛋白細胞骨架中起重要作用。近期研究發(fā)現，Cortactin在膠質瘤組織中的表達明顯高于非腫瘤組織，且與腫瘤的惡性程度呈正相關；通過RNAi沉默Cortactin后，膠質瘤細胞的片狀偽足大小和存留時間均有所減少，表明Cortactin可通過調控片狀偽足的形成促進膠質瘤細胞的遷移[10]。此外，Cortactin還作為侵襲偽足的核心成分之一，參與調控腫瘤細胞的侵襲過程[1]。Lin等[11]發(fā)現，在乳腺癌細胞中足細胞標志蛋白1可促進Cortactin磷酸化，并通過激活Rac1/Cdc42/Cortactin信號通路促進侵襲偽足形成及腫瘤細胞的遷移。在哺乳動物細胞中，WASP家族蛋白由5個成員組成(WASP、N-WASP、WAVE 1、WAVE 2和WAVE 3)，其中N-WASP是構成侵襲偽足的另一核心成分，活化的N-WASP可以起到幫助侵襲偽足降解細胞外基質的作用。在大鼠乳腺癌細胞MTLn3中，敲除N-WASP或其上下游效應器(Cdc42，WIP或Arp2/3復合物)，均可顯著抑制侵襲偽足的形成和基質降解活性[12]。Huang等[13]發(fā)現，通過轉染siRNA阻斷WAVE2的表達，可顯著抑制纖維肉瘤HT-1080細胞中片狀偽足的形成及細胞遷移運動。

Rho GTP酶是Ras超家族的成員，目前已發(fā)現20多種。其中，Cdc42、Rac1和Rho A是研究最多的。采用RNAi技術抑制前列腺癌細胞Rho A表達后，細胞形態(tài)變?yōu)榧氶L，并延伸出多個絲狀偽足，且腫瘤侵襲性增強；相反，當抑制Rho C表達時，細胞則呈橢圓狀，片狀偽足增多，這表明不同Rho GTP酶可調控不同的偽足形成[14]。Yuki[15]等發(fā)現，p39-Cdk5可通過降低Rac1活性來抑制小鼠成神經細胞瘤的片狀偽足形成。此外，Cdc42和Rac1在卵巢腫瘤組織中均高表達；使用酮咯酸R抑制Cdc42和Rac1活性后，卵巢癌細胞中Cdc42介導的絲狀偽足減少，細胞遷移能力降低[16]。Rho GTP酶在細胞骨架重組調控以及細胞運動等方面起重要作用。根據現有文獻資料，將片狀偽足、絲狀偽足和侵襲偽足的主要調控通路總結如下。如圖2所示，片狀偽足的形成主要由Rho A-ROCK或Cortactin-Arp2/3介導的actin聚合調控；絲狀偽足形成主要由Cdc42-WASPArp2/3通路調控；而侵襲性偽足的形成主要是由其核心成分Cortactin和N-WASP促進Arp2/3復合物而調控的。綜上所述，干擾細胞偽足的形成能夠從根本上阻斷細胞運動的驅動力，從源頭上抑制腫瘤細胞的侵襲和轉移。

圖2 偽足形成的調控信號通路

2 有氧糖酵解與腫瘤細胞遷移

腫瘤細胞遷移不僅與偽足的核心成分有關，還需要足夠能量的供應。在生理條件下，偽足核心成分G-actin與ATP結合形成ATP-actin，牢固的聚集在原有F-actin的前端，隨后ATP水解變成結合能力較弱的ADP-actin而脫落，這個動態(tài)循環(huán)的過程使細胞獲得可以向前運動的驅動力(圖3)[17]。因此，腫瘤細胞若想快速遷移，大量能量的獲取是必不可少的。正常情況下，每消耗1個葡萄糖分子，低氧環(huán)境中無氧糖酵解可產生2個ATP分子；而常氧環(huán)境中經過線粒體電子傳遞鏈徹底氧化則可產生36個ATP分子。腫瘤細胞的快速增殖和遷移造成細胞內的低氧環(huán)境，同時還需要高速率的產能。這種需求與實際情況相矛盾，使得腫瘤細胞獲得重新編排自身能量代謝的能力，即能量代謝重排。此時，腫瘤細胞通常會打破生理狀態(tài)下的能量代謝模式，呈現如下異常特征：糖酵解升高、氨基酸和脂質代謝增強、線粒體生物合成及戊糖磷酸途徑增強等。能量代謝重排被視為腫瘤的一個新特征[18]。其中，“Warburg效應”又稱為有氧糖酵解(即使在氧氣充足的情況下，腫瘤細胞仍優(yōu)先利用糖酵解供能)，是具有較強遷移能力的惡性腫瘤細胞普遍具有的一個代謝重排特征。

糖酵解異常升高是大多數腫瘤細胞能量代謝一個備受關注的特征。圖4概括了細胞內葡萄糖代謝的基本過程及參與調控的主要調節(jié)因子，葡萄糖代謝為乳酸的產能效率遠低于氧化分解為二氧化碳和水。因此，部分腫瘤細胞通過上調葡萄糖轉運蛋白(GLUT-1、GLUT-2、GLUT-3和GLUT-4)來攝取更多的葡萄糖，以維持ATP的供應[19]。葡萄糖攝取增加是區(qū)別腫瘤細胞和正常細胞的主要特征。據報道，Ras、Myc和HIF-1α等癌基因是腫瘤細胞糖酵解的主要誘導因子[20]。其中c-Myc和低氧誘導因子(HIF-1α)這兩種主要的糖酵解激活轉錄因子可協(xié)同促進腫瘤糖酵解酶的表達，如己糖激酶(HK2)、磷酸果糖激酶1(PFK-1)、乳酸脫氫酶A(LDHA)等[20-21]。雖然HIF-1α主要在低氧環(huán)境中發(fā)揮作用，但c-Myc可在氧氣充足環(huán)境中促進糖酵解相關基因的表達。這種協(xié)同作用使得腫瘤能夠持續(xù)促進糖酵解代謝，從而支持其快速增殖和遷移運動[22]。相反，p53則可通過直接抑制GLUT-1和GLUT-4的轉錄來下調葡萄糖的攝取[23]。因此，p53、c-Myc和HIF-1α之間的平衡對腫瘤細胞糖酵解的狀態(tài)有決定性的影響。

圖4 細胞葡萄糖代謝過程及調控

糖酵解酶在腫瘤遷移過程中起著重要作用。丙酮酸激酶(PK)，催化糖酵解的最終限速步驟。在分化的胃癌細胞中，敲除PKM2可以降低E-鈣黏蛋白(E-cadherin)的表達，從而激活EGFR下游信號通路(如PLC-γ1和ERK1/2)，抑制腫瘤細胞的遷移和侵襲[24]。此外，在結直腸癌中PKM2表達異常升高，這與腫瘤淋巴轉移相關，敲除PKM2可抑制結腸癌細胞的增殖和遷移[25]。乳酸脫氫酶(LDH)，催化丙酮酸鹽向乳酸轉化的關鍵代謝酶；轉化生長因子-β2(TGF-β2)是高級別膠質瘤侵襲的重要調節(jié)因子。LDHA和乳酸可以調節(jié)膠質母細胞瘤細胞中TGF-β2的表達，增加基質金屬蛋白酶(MMP2)的表達，繼而增強膠質瘤細胞的遷移[26]。除上述糖酵解酶外，其他糖酵解酶也在腫瘤細胞遷移過程中發(fā)揮潛在作用。據報道，己糖激酶2(HK2)和6-磷酸果糖-2-激酶(PFKFB)均是HIF-1的轉錄靶點。

糖酵解增強的另一個重要后果就是乳酸的大量堆積。過多的乳酸通過單羧酸轉運蛋白(MCTs)轉出細胞，導致細胞外微環(huán)境酸化，pH值降低，基質金屬蛋白酶(MMPs)，尿激酶型纖溶酶原激活劑和組織蛋白酶B、D和L等蛋白酶激活，進而誘導細胞外基質降解并促進腫瘤細胞轉移。此外，乳酸不僅是一種代謝中間產物，而且是一種信號分子，能激活HIF[26]。除了誘導糖酵解相關酶的表達，HIF還可調節(jié)控制多種細胞功能的基因，如血管生成、能量代謝、侵襲和轉移、凋亡或存活等。

糖酵解不僅為癌細胞提供能量，而且為生物合成提供必要的前體。糖酵解代謝產物，如葡萄糖-6-磷酸、磷酸二羥丙酮等，可以被轉移到其他代謝途徑。例如，磷酸戊糖途徑可利用葡萄糖-6-磷酸合成核苷酸和NADPH，其中NADPH是一種重要的還原劑，對氧化還原穩(wěn)態(tài)十分重要。磷酸二羥丙酮可用于脂質合成，對組裝新的細胞器并促進腫瘤生長具有重要的意義。此外，糖酵解代謝產物也是氨基酸生產和大分子合成的重要原料[26]。除了維持代謝功能外，糖酵解酶在促進癌癥生存、轉移、侵襲、染色質重塑、基因表達調控和其他必要的細胞過程中均發(fā)揮著積極的促進作用[25]。因此，靶向糖酵解酶的表達可能是癌癥治療的有效策略。目前，通過糖酵解靶向腫瘤細胞偽足形成的研究甚少。據報道，前列腺癌和內皮細胞依賴糖酵解來調節(jié)片狀偽足的形成和細胞運動[27-28]。在糖酵解被抑制的情況下，線粒體產生的ATP不能被運用到細胞骨架重塑的位點上，這表明葡萄糖代謝在細胞骨架重塑和細胞運動中起著基礎作用[27]。

3 總結

復發(fā)及轉移是導致癌癥患者不良預后的主要原因。細胞偽足是腫瘤遷移運動能力強弱的關鍵所在，偽足的形成過程需要大量ATP供應?？梢?，充足的能量獲取是腫瘤細胞運動必不可少的驅動力。目前大量研究證實，多數腫瘤細胞都存在能量代謝重排現象，以滿足腫瘤細胞快速增殖及運動遷移的需求。因此，通過靶向能量代謝重排來研究偽足形成對腫瘤細胞轉移的影響已經成為腫瘤防治的一個新策略。