STATs信号转导通路与实体瘤研究进展

作者：马向涛    作者单位：100080 北京海淀医院外科

【关键词】  信号转导 肿瘤 治疗

    转录信号传导子与激活子（signal transducers and activators of transcription,STATs）通路与细胞增殖、分化及凋亡密切相关，该通路持续激活可导致细胞异常增殖和恶性转化。目前已发现STATs在恶性黑色素瘤、头颈部鳞状细胞癌、乳腺癌以及前列腺癌等多种实体肿瘤组织与细胞系中异常表达或活性增强。

    1  STATs信号转导通路成员分子结构与功能

    STATs 家族由7个成员组成：STAT1～STAT4，STAT5a，STAT5b及STAT6[1]。研究显示STATs信号转导通路成员STAT1、STAT3、STAT5调控异常与肿瘤发生发展密切相关[2]。STATs蛋白家族成员的分子量在84～113kD之间，其中STAT1、STAT3、STAT4、STAT5a及STAT5b由750～795个氨基酸组成；STAT2、STAT6由大约850个氨基酸组成，它们具有如下保守结构域,见图1。

    分为SH2结构域（SH2）；SH3结构域（SH3）；酪氨酸磷酸化位点；DNA结合域（DNAB）；羧基末端转录活化结构域（TA）；氨基端结构域（H2N）；pY为酪氨酸磷酸化位点，pS为丝氨酸磷酸化位点

    图1  STATs分子结构域

    1．1  SH2结构域  SH2结构域位于第600～700位氨基酸残基之间，主要功能是：（1）使STAT与磷酸化受体之间形成复合物；（2）介导JAKSTAT的相互作用；（3）介导STATs形成二聚体，进行核转位与DNA结合。

    1.2  SH3结构域  SH3结构域位于第500～600位氨基酸之间，序列保守性较SH2结构域差，可以与富含脯氨酸的序列结合，其功能尚不明确。

    1.3  酪氨酸磷酸化位点  酪氨酸磷酸化位点在不同STAT成员中位置不同，当此酪氨酸磷酸化后，STAT分子呈活化状态，可与其他STAT分子中的SH2结构域结合，SH2结构域与磷酸化的酪氨酸结合后，可使两分子STAT单体形成二聚体，进入细胞核内与特异的DNA片段结合。

    1.4  DNA结合域  DNA结合域是高度保守的，位于第400～500位氨基酸之间，多数STATs有一共同的DNA结合序列TTNNNNNAA（N为任意氨基酸），但不同的STATs分子又有其最佳的结合序列。

    1.5  羧基末端转录活化结构域  羧基末端转录活化结构域在STAT1α、STAT3、STAT4及STAT5位于第720～730位氨基酸，此结构域含有保守的P（M）SP基序，其中的丝氨酸残基可被丝、苏氨酸激酶磷酸化，而STAT1β、STAT2和STAT6不含此序列。此结构域保守性极差，与转录激活有关。

    1.6  氨基端结构域  氨基端结构域是由STAT分子氨基末端约50个氨基酸残基组成的保守基序，其功能是介导STATs分子磷酸化，并且参与STAT二聚体与DNA的结合。

    2  STATs信号转导通路作用机制

    多种细胞外蛋白（extracellular signaling proteins）可以作为配体与细胞表面特异受体结合而激活胞浆中的转录因子“STAT”，这些细胞外信号包括：（1）细胞因子(cytokine)：IFN家族、白介素、OSM、LIF、CNTF等；（2）单链家族（single chain family）：EPO、PRL、TPO、GH；（3）受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases）：EGF、PDGF、CSF1、HGF；（4）非受体酪氨酸激酶（nonreceptor tyrosine kinase）：包括Src、Abl、vSis等；（5）G蛋白：包括TSH、MIP1等。STATs信号传导通路的活化机制是：细胞外信号蛋白作为配体与细胞膜表面受体结合后使受体二聚化或寡聚化，这使得与受体偶联的JAK激酶相互聚集，通过交互磷酸化而使JAK活化。JAK激酶活化后可催化受体上的酪氨酸残基发生磷酸化而使受体活化，受体上磷酸化的酪氨酸及其周围的氨基酸序列形成了含有SH2结构域的“停泊位点”（docking site），募集胞浆中以单体存在的STATs分子，成为JAKs的底物。JAKs则进一步使与受体结合的STAT分子酪氨酸磷酸化。酪氨酸磷酸化后，STATs形成同源或异源二聚体从受体上释放下来，进入细胞核与特异的DNA序列（TTNNNNNAA）结合启动靶基因转录,见图2。

    图2  STATs信号转导通路示意图

    3  STATs信号转导通路与实体瘤

    3.1  恶性黑色素瘤  恶性黑色素瘤是一种高度恶性肿瘤，进展期皮肤恶性黑色素瘤5年生存率只有14%，其发病机制尚不十分清楚。STAT1作为第一个被发现的STATs成员，可以抑制肿瘤细胞增殖促进细胞凋亡，起抑癌基因作用。Boudny等[3]发现磷酸化STAT1在75%的黑色素瘤组织中呈低表达，STAT1与患者预后呈正相关。Niu等[4]发现STAT3在小鼠恶性黑色素瘤细胞系B16中异常活化，转染STAT3显性负性质粒（STAT3β）可以阻断B16细胞中STAT3活性，促进细胞凋亡。将含STAT3β的质粒及相应的空载体质粒注入荷瘤小鼠的肿瘤中，在15只注射空载体质粒的小鼠中只有1只肿瘤暂时消退，而20只注射STAT3β的小鼠有11只肿瘤缩小，其中5只肿瘤消失，而且在观察期中无复发。细胞周期分析发现，转染STAT3β的B16细胞出现G0～G1期阻滞，同时G2～M期和S期比例下降。转染STAT3β 48小时后B16细胞凋亡比例达75%，而相应转染空质粒的B16细胞只有25%发生凋亡。Mirmohammadsadegh等[5]发现STAT5在皮肤黑色素瘤中持续激活（62%），人类重组表皮生长因子可以激活黑色素瘤细胞系中STAT5通路，应用RNA干扰技术或者STAT5b显性负性质粒转染黑色素瘤细胞系A375可以诱导细胞凋亡阻滞细胞增殖。

    3.2  卵巢癌  卵巢癌是常见的妇科恶性肿瘤，JAK/STATs信号转导通路异常同样也存在于卵巢癌中。Burke等[6]研究发现卵巢癌细胞系MDAH2774和Caov3中STAT3持续活化，同时可检出有较高水平的磷酸化JAK2存在，而在STAT3低表达的卵巢癌细胞系A2780和正常卵巢上皮细胞中未检出JAK2的磷酸化，JAK2磷酸化可能是STAT3异常激活的重要上游调节激酶。应用JAK2的抑制剂AG490（100μmol/L）作用MDAH2774和Caov3细胞48小时后检测pSTAT3和BclxL表达水平明显降低，EMSA检测STAT3的DNA结合活性也明显下降；AG490作用3～4天后39%～50%细胞发生凋亡，5～6天后60%～75%的细胞凋亡，同时AG490可以增强顺铂导致的细胞凋亡作用。进一步转染STAT3显性负性蛋白STAT3β，G418筛选后形成的克隆数明显下降。Rosen等[7］发现STAT3和BclxL高表达的卵巢癌细胞系SKOV3对顺铂及泰素不敏感，STAT3低表达的A2780对化疗药物敏感；将BclxL转染A2780细胞后，A2780对化疗药物的耐受性明显提高。上述实验结果说明：JAK2/STAT3信号传导通路的异常活化在卵巢癌的增殖、凋亡中起着重要作用，并可能通过产生BclxL拮抗化疗药物的促凋亡作用。

    3.3  头颈部鳞状细胞癌  头颈部鳞状细胞癌（squamous cell carcinoma of the head and neck,SCCHN）是来源于口腔、口咽、喉等部位的恶性肿瘤。Leeman等[8]发现SCCHN患者肿瘤组织和其正常粘膜中STAT3的DNA结合活性要比另外7例正常人的粘膜高出8～10倍，pSTAT3和STAT3蛋白的表达水平也比正常人粘膜组织高。免疫组织化学染色也发现在SCCHN病变部位的上皮组织全层都有pSTAT3表达，而在正常人粘膜组织中只在上皮基底层有所表达。Xi等[9]发现SCCHN细胞系中EGFR/TGFα在基因转录水平就已升高，维甲酸可以降低EGFR/TGFα的表达。这提示SCCHN细胞可以同时表达EGFR和它的配体TGFα，通过自分泌机制自我活化而发生异常的增殖。应用EGFR特异性酪氨酸激酶抑制剂PD153035作用SCCHN细胞可以阻断STAT3活化，提示STAT3异常活化和EGFR/TGFα的过表达相关。动物实验中发现皮下接种SCCHN细胞的裸鼠成瘤后，向瘤体内注射STAT3的反义DNA同注射正义DNA组和空载体组相比，SCCHN细胞凋亡加速两倍。应用非甾体类抗炎药舒林酸（150μmol/L）作用于鳞癌细胞系SCC4、9、15、25三天后pSTAT3和STAT3表达水平明显下降，随着舒林酸作用时间的延长SCC9、25细胞的增殖和对照组相比下降约80%[10]。

    3.4  前列腺癌  Ni等[11]研究了人前列腺癌细胞系LNCaP、DU145、PC3和TSU中STAT3的表达和激活情况。Supershift分析实验证实在前列腺癌细胞系中STAT3持续活化；侵袭性最强的细胞系TSU中STAT3的DNA结合活性最高，侵袭性最弱的LNCaP细胞中STAT3活性最低；对Dunning大鼠前列腺癌细胞亚株的检测中同样发现STAT3活性和肿瘤的恶性潜能相关。将STAT3显性负性质粒转染TSU细胞，发现稳定表达显性负性STAT3的TSUSTAT3F细胞中STAT3活性明显受到抑制，而转染空质粒的TSUNeo细胞和TSU细胞STAT3活性仍处在高水平。酪氨酸激酶抑制剂AG490（100μmol/L）可以阻断STAT3的活化，AG490作用TSU细胞48小时后细胞增殖的抑制率可达80%。导致前列腺癌细胞中STAT3持续活化的始动因子目前尚不清楚，Lee等[12]发现前列腺癌细胞系Du145中乳腺癌易感基因1（BRCA1）低表达和STAT3活化有关，将BRCA1转染Du145细胞后，Du145/BRCA1细胞中BRCA1蛋白表达升高，pSTAT3表达明显较转染空质粒的对照组升高。Du145/BRCA1细胞中pJAK1和pJAK2水平较对照组明显升高，BRCA1可能通过激活JAK1、2进一步使STAT3激活。阻断Du145/BRCA1细胞STAT3的活化后，细胞的增殖明显受到抑制，凋亡增加。Jia等[13]发现双氢睾酮可增强前列腺癌细胞系LNCaP中IL6对STAT3信号传导通路的激活作用。应用雄激素受体拮抗剂flutamide后双氢睾酮使STAT3活化增强的作用被抑制；另一方面转染显性负性STAT3可以抑制LNCaP中雄激素受体的激活。STAT3信号转导通路可能和雄激素受体间存在交互作用。

    3.5  乳腺癌  Berclaz等[14]发现乳腺癌组织中STAT表达明显增强。Garcia等[15]发现STAT3在乳腺癌细胞系中表达和活性明显增强，而在正常乳腺上皮细胞MCF10A中未见STAT3表达与活化。应用酪氨酸激酶抑制剂AG490（50μmol/L）作用MDAMB468细胞，6天后活细胞数比对照组下降约15倍，70%的细胞出现细胞凋亡。同样剂量的AG490对正常乳腺上皮细胞没有明显的不良作用，增殖和凋亡无明显增加。转染STAT3β同样可明显抑制MDAMB468细胞的集落形成能力，STAT3的活化在乳腺癌细胞增殖中起着重要作用。乳腺癌细胞系除了可以通过ErbB1等激酶作用下激活STAT3外，还可以由自分泌或旁分泌机制启动STAT3的活化。STAT5是STATs通路的另一重要成员，在乳腺的发育上起着重要作用，在乳腺癌细胞系及乳腺癌组织中也可以观察到STAT5活化。Jacobsen等[16]发现孕激素可以影响PR阳性乳腺癌细胞中STAT家族成员的表达，STAT5和STAT3在孕激素作用下表达上调，STAT1轻度下调；孕激素通过PR上调STAT5a mRNA的表达，增强STAT5a的转录活性。Huang等[17]发现PRL可以使乳腺癌细胞系T47D中STAT5b磷酸化，在应用PRL的拮抗剂G129RhPRL后可以阻断90%以上的STAT5b的磷酸化，并可明显抑制T47D的增殖。泌乳素（PRL）诱导的STAT5磷酸化同样依赖孕激素，乳腺癌细胞系T47D中孕激素及PRL可以影响STAT5的表达和活性，但是STATs家族成员在乳腺癌由激素依赖型转变为非激素依赖型的过程中起什么样的作用尚不清楚。

    3.6  结直肠癌  结直肠癌是常见的消化道恶性肿瘤之一，我国结直肠癌发病率呈上升趋势。Ma等[18]研究显示pSTAT3、Cyclin D1与BclxL 表达水平在结直肠癌组织中明显增高。pSTAT3 与cyclin D1 表达呈正相关。pSTAT3高表达患者5年生存率明显低于pSTAT3低表达者，STAT3可能成为新的结直肠癌预后指标。Kusaba等[19]应用组织芯片技术检测了113例结直肠癌标本中表皮生长因子受体与STAT3的表达情况，结果显示EGFR与STAT3分别在76%与94%的标本中呈高表达，EGFR与STAT3均为阳性表达的肿瘤侵袭性强，多因素分析发现STAT3与pSTAT3分别与血管癌栓与神经侵犯相关。应用酪氨酸酶抑制剂AG490与反义寡核苷酸可以阻断结肠癌细胞中STAT通路，使Cyclin D1与BclxL蛋白表达下调，抑制结肠癌细胞增殖并促进细胞凋亡，使肿瘤细胞恢复对化疗药物的敏感性[2023]。

    3.7  脑胶质瘤  脑胶质瘤是颅内最常见的恶性肿瘤，而对脑胶质瘤中JAK/STATs信号传导通路的研究还比较少。Schaefer等[24]发现脑胶质瘤细胞系U87MG和SNB19中STAT1与STAT3酪氨酸磷酸化水平及活性明显的研究中发现在gp130家族的细胞因子作用下；OSM作用SNB19细胞后很快可以检测到STAT3蛋白发生酪氨酸磷酸化和核转位。将包含STAT结合位点的报告质粒转染U87MG，该质粒中含有氯霉素乙酰转移酶（CAT），CAT的活性受插入的STAT结合位点的控制，可以通过CAT的活性间接反映STAT3的转录活性。应用OSM刺激细胞4～8小时，CAT的活性增加了3倍。提示在U87MG细胞中OSM可直接激活STAT3转录活性；应用显性负性STAT3可以阻断OSM诱导的STAT3转录活化。上述实验证实人脑胶质瘤细胞系在gp130家族细胞因子作用下可以发生STAT1和STAT3分子的活化，并可激活其转录活性。但JAK/STATs信号传导通路在脑胶质瘤的发生、发展中的具体作用机制尚待研究。

    总之，STATs信号转导通路与多种恶性肿瘤发生发展密切相关，但其详细作用机制尚未阐明，深入研究STATs信号转导通路可能为肿瘤诊断及预后提供线索，并为基因治疗提供新的靶点[25]。

【参考文献】  ［1］ Nikitakis NG,Siavash H,Sauk JJ.Targeting the STAT pathway in head and neck cancer: recent advances and future prospects[J].Curr Cancer Drug Targets,2004,4(8):637651.

［２］ Haura EB,Turkson J,Jove R.Mechanisms of disease: Insights into the emerging role of signal transducers and activators of transcription in cancer[J].Nat Clin Pract Oncol,2005,2(6):315324.

［３］ Boudny V,Dusek L,Adamkova L,et al.Lack of STAT 1 phosphorylation at TYR 701 by IFNgamma correlates with disease outcome in melanoma patients[J].Neoplasma,2005,52(4):330337.

［４］ Niu G,Shain KH,Huang M,et al.Overexpression of a dominantnegative signal transducer and activator of transcription 3 variant in tumor cells leads to production of soluble factors that induce apoptosis and cell cycle arrest[J].Cancer Res,2001,61(8):32763280.

［５］ Mirmohammadsadegh A,Hassan M,Bardenheuer W,et al.STAT5 phosphorylation in malignant melanoma is important for survival and is mediated through SRC and JAK1 kinases[J].J Invest Dermatol,2006,126(10):22722280.

［６］ Burke WM,Jin X,Lin HJ,et al.Inhibition of constitutively active Stat3 suppresses growth of human ovarian and breast cancer cells［J］.Oncogene,2001,20(55):79257934.

［７］ Rosen DG,MercadoUribe I,Yang G,et al.The role of constitutively active signal transducer and activator of transcription 3 in ovarian tumorigenesis and prognosis[J].Cancer,2006,107(11):27302740.

［８］ Leeman RJ,Lui VW,Grandis JR.STAT3 as a therapeutic target in head and neck cancer[J].Expert Opin Biol Ther,2006,6(3):231241.

［９］ Xi S,Zhang Q,Dyer KF,et al.Src kinases mediate STAT growth pathways in squamous cell carcinoma of the head and neck[J].J Biol Chem,2003,278(34):3157431583.

［10］Hambek M,Baghi M,Strebhardt K,et al.STAT 3 activation in head and neck squamous cell carcinomas is controlled by the EGFR[J].Anticancer Res.2004,24(6):38813886.

［１１］Ni Z,Lou W,Lee SO,et al.Selective activation of members of the signal transducers and activators of transcription family in prostate carcinoma[J].J Urol,2002,167(4):18591862.

［１２］Lee SO,Lou W,Qureshi KM,et al.RNA interference targeting Stat3 inhibits growth and induces apoptosis of human prostate cancer cells[J].Prostate,2004,60(4):303309.

［１３］Jia L,Choong CS,Ricciardelli C,et al.Androgen receptor signaling: mechanism of interleukin6 inhibition[J].Cancer Res,2004,64(7):26192626.

［１４］Berclaz G,Altermatt HJ,Rohrbach V,et al.EGFR dependent expression of STAT3 (but not STAT1) in breast cancer[J].Int J Oncol,2001,19(6):11551160.

［１５］Garcia R,Bowman TL,Niu G,et al.Constitutive activation of Stat3 by the Src and JAK tyrosine kinases participates in growth regulation of human breast carcinoma cells[J].Oncogene,2001,20(20):24992513.

［１６］Jacobsen BM,Schittone SA,Richer JK,et al.Progesteroneindependent effects of human progesterone receptors (PRs) in estrogen receptorpositive breast cancer: PR isoformspecific gene regulation and tumor biology[J].Mol Endocrinol,2005,19(3):574587.

［１７］Huang Y,Li X,Jiang J,et al.Prolactin modulates phosphorylation,signaling and trafficking of epidermal growth factor receptor in human T47D breast cancer cells[J].Oncogene,2006,25(58):75657576.

［１８］Ma XT,Wang S,Ye YJ,et al.Constitutive activation of Stat3 signaling pathway in human colorectal carcinoma[J].World J Gastroenterol,2004,10(11):15691573.

［１９］Kusaba T,Nakayama T,Yamazumi K,et al.Expression of pSTAT3 in human colorectal adenocarcinoma and adenoma; correlation with clinicopathological factors[J].J Clin Pathol,2005,58(8):833838.

［２０］马向涛,余力伟,王杉,等.COX2抑制剂调控Stat5信号转导通路抑制结肠癌细胞增殖的分子机制[J].中华医学杂志,2005,85(36):25662569.

［２１］马向涛,余力伟,王杉,等.Stat3与过氧化物酶体增殖因子激活受体δ信号转导通路间交互作用对结肠癌细胞增殖的调控影响[J].中华实验外科杂志,2005,22(12):14931495.

［２２］马向涛,余力伟,王杉,等.Stat5反义寡核苷酸联合Jak激酶抑制剂AG490调控结肠癌细胞增殖与凋亡的分子机制[J].肿瘤防治研究,2006,33(12):883886.

［２３］马向涛,余力伟,王杉,等.Stat3信号转导通路调控bcl2成员表达及抑制结肠癌细胞凋亡的机制[J].肿瘤防治研究,2007,34(3):182184.

［２４］Schaefer LK,Ren Z,Fuller GN,et al.Constitutive activation of Stat3alpha in brain tumors: localization to tumor endothelial cells and activation by the endothelial tyrosine kinase receptor (VEGFR2) [J].Oncogene,2002,21(13):20582065.

［２５］Klampfer L.Signal transducers and activators of transcription (STATs): Novel targets of chemopreventive and chemotherapeutic drugs[J].Curr Cancer Drug Targets,2006,6(2):107121.