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肿瘤内调控TGF-β信号和EMT的RNA调控机制

已有 871 次阅读 2024-9-30 16:33 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

肿瘤内调控TGF-β信号和EMT的RNA调控机制

上皮-间充质转化(Epithelial-mesenchymal transition，EMT)是上皮细胞向成纤维细胞形态转化并获得迁移特性的表型分化过程。最初是在发育过程中描述的，现在有大量证据表明，EMT在肿瘤向转移状态发展的过程中重演，并进一步增强了这些肿瘤对一系列治疗的抵抗力。虽然EMT通常被描述为双细胞状态，但最近的研究强调了与病理状态相关的EMT部分或中间状态的重要性。例如，具有部分EMT特征的鳞状皮肤癌细胞比完全间充质细胞表现出更大的转移倾向。在头颈癌中，可以检测到部分EMT细胞向肿瘤周围转移，并与转移潜力相关。谱系分析和数学模型也表明，癌细胞存在于连续的EMT状态中，受转录和后转录效应物之间的动态相互作用调控。这些研究强调了理解驱动EMT的分子机制的巨大兴趣，这有可能有助于开发对抗肿瘤转移和治疗耐药性的治疗方法。

肿瘤中最具特征的EMT诱导剂可能是TGF-β细胞因子家族，它由肿瘤微环境内的细胞以及癌细胞本身分泌。TGF-β通过与TGF-β受体结合引发细胞反应，TGF-β受体通过下游SMAD转录因子(TF)发出信号，协调促进EMT的基因表达变化。特别是，TGF-β显著诱导一组核心EMT转录因子，包括SNAI1、SNAI2、TWIST1、ZEB1和ZEB2，它们是上皮基因的关键抑制剂和间充质基因表达的启动子。值得注意的是，这些EMT转录因子直接抑制E-cadherin的表达，E-cadherin是一种粘附连接蛋白，对维持细胞间接触至关重要，其缺失可促进间充质特性。EMT转录因子还可以与SMAD 转录因子成员相互作用，增强其下游信号传导，并通过TGF-β配体的产生诱导自分泌信号传导。虽然核心EMT转录因子的功能已经得到了很好的表征，但许多其他转录因子已经被证明可以增强EMT转录因子的功能，或者在促进EMT方面发挥特定的作用。核心EMT转录因子在转录和后转录水平受到复杂的调控，其表达受到非编码RNA的严格控制。最近，Bracken等人重点关注非编码RNA(包括microRNA (miRNA)，长链非编码RNA (lncRNA)和环状RNA (circRNA))如何在癌症进展中促进EMT及其与TGF-β信号的相互作用的最新进展。

miR-200家族包含5个成员，它们聚集在两个染色体位点上(miR-200b~200a~429和miR-200c~141)，并根据各自种子区域的单核苷酸差异分为两个功能群(miR-200a/141和miR-200b/200c/429)(图1)。2008年，几个研究小组发现miR-200家族在几个体外模型中具有高度上皮特异性，并且在EMT过程中被严重下调。发现两个miR-200功能簇分别通过与其3' UTR中的8个和9个miR-200靶点相互作用强烈靶向ZEB1和ZEB2，这是单个靶基因异常高浓度的miRNA位点(图1)。此外，发现ZEB1和ZEB2转录因子抑制miR-200位点，在这些因子之间形成双负反馈回路。miR-200-ZEB反馈回路在上皮细胞和间充质细胞中驱动这些因子几乎互斥的表达，但也提供了这些状态之间相互转换的潜在机制，同时缓冲导致细胞状态不良变化的信号波动（例如在完全分化的上皮细胞或间充质细胞类型中）(图1)。

图1 EMT中miRNA反馈回路及其与TGF-β信号的相互作用。(A) miR-200家族和ZEB1/2转录因子及其相互调控示意图。(B) miR-200-ZEB反馈回路是EMT的中心调节器。MiR-200在上皮细胞中的表达由基础和上皮特异性转录因子诱导，进而抑制ZEB1/2、剪接因子QKI和许多肌动蛋白细胞骨架通路的成员。在间充质细胞中，ZEB1/2抑制上皮连接蛋白和剪接因子ESRP1/2，激活间充质基因表达。剪接因子QKI和ESRP1/2主要在肌动蛋白细胞骨架通路内的基因中，分别执行间充质和上皮特异性的选择性剪接程序。miR-200-ZEB环直接或间接地与TGF-β信号通路的相互作用，导致间充质细胞中持续的TGF-β信号传导。(C)促进EMT的主要反馈回路的相互作用。实线表示组件之间的相互调控，虚线表示单向调控

人类基因组中lncRNA数量巨大，能超过10万个，但是只有一小部分被功能注释。已经确定了多种机制，然而lncRNA功能往往体现在基因调控或结构上。在基因直接调控方面，lncRNA作为分子支架，引导染色质修饰酶和转录因子到达靶基因启动子，促进染色质远距离相互作用，使增强子物理接近基因。此外，lnRNA调控RNA剪接，并作为竞争的内源性海绵结合和调控miRNA和蛋白质(图2)。它们在相分离RNA-蛋白质凝聚体的组织中也发挥着重要作用，其中高浓度的大分子被组装以促进特定亚细胞结构内的功能相互作用。例如，lncRNA MALAT1是RNA加工因子的核心成分，而在细胞应激反应中起作用的是lncRNA NEAT1转录本。

图2 LncRNA通过多种机制调控TGF-β通路。lncRNA可以通过多种机制调控生物过程，包括蛋白质/miRNA隔离、染色质修饰、转录因子募集到目标启动子/增强子

环状RNA (circRNA)源于下游剪接供体对上游剪接受体位点的非规范反剪接，这些非规范反剪接形成共价闭合RNA环，可发挥生物作用。虽然在正常和癌症组织中检测到的成千上万的大多数环状RNA可能是罕见的错误剪接事件，但一小部分在具有内在细胞功能的分子预期水平上表达。目前，关于功能性环状RNA的文献报道不断涌现，包括影响癌细胞主要信号通路的环状RNA，或自身受TGF-β等信号分子调控的环状RNA。例如，乳腺上皮细胞中大量相对丰富的环状RNA在TGF-β诱导的EMT中上调，而较少数量的环状RNA下调。另一种剪接因子QKI在EMT过程中被诱导，被确定为负责许多环状RNA的形成，这些环状RNA是在对TGF-β的响应中被诱导的。有趣的是，在TGF-β处理HMLE细胞时，由于基因转录减少而被强烈下调的环状RNA之一在TGF-β介导的MCF10A乳腺细胞和A549肺癌细胞的EMT中被强烈诱导。该circRNA由ITGB6基因的11和12外显子产生，因此可以使用Chen等推荐的命名法将其命名为circITGB6。诱导的circITGB6与其同源mRNA一样丰富，并与结直肠癌患者肿瘤分期晚期、淋巴结转移和生存率低相关。由于circRNA受转录调控，同样的关联也适用于共表达的mRNA ITGB6。但针对circRNA的过表达和敲低实验显示，circRNA对几种癌症系的EMT状态有显著影响，主要体现在E-cadherin、N-cadherin、vimentin和迁移方面)。此外，敲低circITGB6阻止了TGF-β对A549细胞内EMT标志物的介导作用，尽管circRNA不影响A549细胞中ZEB1或其他EMT转录因子水平。与circRNA对EMT的调控功能一致，circITGB6过表达增加了SW620结直肠癌细胞在注射到脾脏后向肝脏的转移，并增加了A549肺癌细胞通过尾静脉注射后在肺部的定植。circITGB6的这些作用被发现是其与RNA结合蛋白IGF2BP3相互作用的结果，IGF2BP3有助于招募与PDPN的结合，导致其稳定和随后的上调。IGF2BP3或PDPN的缺失均可消除circITGB6对EMT、迁移和异种移植物肿瘤转移的影响。

TGF-β是一种有效的生物调节剂，在许多不同的情况下起作用，因此发现许多不同的介质和调节剂也就不足为奇了。非编码RNA（miRNA、lncRNA和circRNA）在这些活动中表现突出，特别是在癌症转录组学分析的推动下。虽然一些相互作用可能是特异于癌症类型，但许多相互作用将被期望在更广泛的范围内发挥作用。考虑各种调控关系如何结合在一起以提供TGF-β作为发育调节剂的协调反应将是有趣的。鉴于TGF-β在EMT发展和癌症中的重要作用，鉴定在这些过程中具有保守功能的非编码RNA也将是有益的。确定这些保守的非编码RNA的关键功能可能导致改进的策略来操纵EMT相关的细胞可塑性，解决转移进程，并克服治疗耐药性。

参考文献

[1] Bracken CP, Goodall GJ, Gregory PA. RNA regulatory mechanisms controlling TGF-β signaling and EMT in cancer. Semin Cancer Biol. 2024 Jul;102-103:4-16. doi: 10.1016/j.semcancer.2024.06.001.

以往推荐如下：

1. 分子生物标志物数据库MarkerDB

2. 细胞标志物数据库CellMarker 2.0

3. 细胞发育轨迹数据库CellTracer

4. 人类细胞互作数据库：CITEdb

5. EMT标记物数据库：EMTome

6. EMT基因数据库：dbEMT

7. EMT基因调控数据库：EMTRegulome

8. RNA与疾病关系数据库：RNADisease v4.0

9. RNA修饰关联的读出、擦除、写入蛋白靶标数据库：RM2Target

10. 非编码RNA与免疫关系数据库：RNA2Immune

11. 值得关注的宝藏数据库：CNCB-NGDC