S100A9与基质金属蛋白酶9在消化系统恶性肿瘤中的研究进展

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　　[摘要]钙结合蛋白S100A9是S100蛋白家族的重要一员，基质金属蛋白酶9（MMP-9）是目前研究最为广泛的基质金属蛋白酶之一，其在许多生物过程中都发挥着重要作用。近年来的研究发现，S100A9与MMP-9在消化系统恶性肿瘤进程中发挥重要作用，且在癌细胞中敲低S100A9后可导致MMP-9表达降低。本文就S100A9与MMP-9蛋白在消化系统恶性肿瘤中的研究进展进行综述。
　　[关键词]消化系统恶性肿瘤;S100A9;基质金属蛋白酶9
　　[中图分类号] R735          [文献标识码] A          [文章编号] 1674-4721（2019）6（c）-0019-05
　　[Abstract] Calcium-binding proteins S100A9 is one of the important members of the S100 protein family， and matrix metalloproteinase-9 （MMP-9） is one of the most widely studied matrix metalloproteinases， which play an important role in many biological processes. Recent research suggest that S100A9 and MMP-9 play a key role in the progression of digestive system malignant tumors， and knockdown of S100A9 in cancer cells could lead to decrease the expression of MMP-9. This article will review the research progress of S100A9 and MMP-9 protein in digestive system malignant tumors.
　　[Key words] Digestive system malignant tumors; S100A9; Matrix metalloproteinase-9
　　消化系统恶性肿瘤是指发生于食管、胃肠、肝胆胰等消化器官的肿瘤，其发病率和死亡率在世界范围内呈逐年上升趋势[1-2]。尽管近年来对消化系统恶性肿瘤的诊治水平有所提高，但由于其发生发展的关键机制仍未完全阐明，造成消化系统恶性肿瘤的诊治并无重大突破，而肿瘤易侵袭转移的特性仍然是导致其预后不良的主要原因。因此，积极探讨消化系统恶性肿瘤侵袭转移的分子机制以及寻求新的有效治疗靶点有着重要的现实意义。S100A9是钙结合蛋白家族S100的重要成员之一，其作用广泛，参与多种生物学过程。此外，有研究发现S100A9可通过高选择性结合基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）来发挥生理作用，而基质金属蛋白酶9（MMP-9）是目前研究最广泛的MMP之一[3]。近年来的研究发现，S100A9和MMP-9在消化系统恶性肿瘤的发生发展过程中扮演着重要角色。本文结合国内外文献就S100A9与MMP-9蛋白在消化系统恶性肿瘤中的研究进展进行综述。
　　1 S100A9与消化系统恶性肿瘤
　　1.1 S100A9的结构与生物学特性
　　1965年Moore等从牛脑组织中分离出一种能够100%溶解于饱和硫酸铵溶液的蛋白混合物，称之为S100蛋白。迄今发现S100蛋白家族成员超过20个，其中S100A9是在1987年由Haimoto等从髓样细胞中纯化而得[4]。S100A9曾被称为骨髓相关蛋白-14、细胞迁移抑制因子相关蛋白-14等，2006年根據S100家族成员编码基因在染色体上的顺序而被统一命名为S100A9。人类S100A9基因定位于1q21.3，全长3174 bp，编码蛋白由114个氨基酸残基构成，相对分子质量为13.2 KD。在S100A9蛋白的氨基末端和羧基末端，各有一个EF-手型结构（EF-hand motifs），由具有高选择性和高亲和性结合Ca2+的螺旋-环-螺旋配基组成，此结构为钙离子结合位点。羧基端结合位点由12个氨基酸组成，氨基端结合位点则由14个氨基酸组成，羧基端结合位点与Ca2+的亲和力比氨基末端结合位点高。EF-手型结构与钙离子结合的能力与pH值密切相关，在弱酸性环境下，即pH<6.0时，不能结合钙离子;当pH值位于7.0～7.5时，只能与1个钙离子结合;当pH值为8.3时，可与2个钙离子结合[5]。除钙离子结合位点之外，S100A9蛋白还存在花生四烯酸和锌离子的结合位点。S100A9常与另一家族成员S100A8形成异源二聚体，通过结合各种靶蛋白来传递Ca2+信号以及调节胞质中的Ca2+浓度，同时可选择性结合Zn2+、Toll样受体4（toll-like recptor-4，TLR-4）、高级糖基化终产物受体（receptor for advanced glycation end products，RAGE）等，从而参与调节钙离子稳态、花生四烯酸代谢、炎性反应和调节细胞生长分化等生物学过程[6]。
　　1.2 S100A9在消化系统恶性肿瘤中的表达
　　正常情况下，S100A9主要限制性地表达在单核/巨噬细胞系及中性粒细胞中，并主要定位表达于胞质中，但在胞核、细胞骨架和质膜上也可有少量表达。在正常人的口腔黏膜、舌、食管、子宫颈等上皮细胞中可见S100A9表达。在肿瘤组织中，S100A9主要位于肿瘤微环境中的基质细胞及炎性细胞中，通过自分泌或旁分泌两种方式作用于细胞外膜受体，调控细胞内信号通路中下游效应分子的表达。S100A9在不同种类的消化系统恶性肿瘤中表达水平也不尽相同，既有可能促进肿瘤生长，也可能表现出抑癌作用。 　　在胃癌的研究中，El-Rifai等[7]发现，5种S100钙结合蛋白家族成员（S100A2、S100A7、S100A8、S100A9和S100A10）在胃癌组织中高表达。Sill等[8]采用高通量蛋白芯片技术检测16对胃癌组织及相应癌旁组织中蛋白表达情况，结果显示癌组织中S100A10蛋白表达显著升高，同时该结果得到免疫组织化学方法进一步证实。Fan等[9]的研究发现S100A9特异性表达于胃癌和慢性胃炎组织中的巨噬细胞及中性粒细胞等炎性细胞中，而非癌胃黏膜中无表达，进一步研究发现高S100A9阳性细胞数与淋巴结转移成负相关，且预后较好;在细胞体外实验中，外源性S100A9蛋白可抑制胃癌AGS和BGC-823细胞的侵袭和迁移能力。Wang等[10]的研究结果也支持高表达S100A9的胃癌患者预后更好。以上两项研究提示S100A9在胃癌中扮演抑癌基因角色。但Yong等[11]在胃癌细胞株SNU484中却发现沉默S100A9表达时，细胞的侵袭迁移能力明显被抑制，提示S100A9具有促癌作用。为此，S100A9在胃癌发生、发展中所起的具体作用还有待进一步研究。
　　在对其他消化系统恶性肿瘤的研究中，Duan等[12]报道在HBV阳性肝细胞肝癌（hepatocellular carcinoma，HCC）患者的血清和组织标本中，S100A9蛋白表达显著高于HBV阴性HCC患者;沉默S100A9的表达可以部分阻断HBV病毒X蛋白（HBV encoded X protein，HBx）诱导的HepG2细胞在体内外的生长和转移。此外，血清S100A9水平与HBV相关肝癌的TNM分期、肝外转移和HBV DNA含量密切相关。其认为S100A9在HBx诱导的肝癌生长和转移中起着关键作用，并可作为肝外转移的潜在诊断标志物。Nedjadi等[13]的研究发现S100A8和S100A9蛋白可诱导胰腺癌细胞分泌促炎细胞因子IL-8、TNF-α和FGF，同时这些促炎细胞因子又进一步上调S100A8和S100A9的表达，这种旁分泌方式的“交叉对话”（crosstalk）调控关系可参与调节胰腺癌细胞的侵袭转移潜能。Mu等[14]研究结肠癌和非肿瘤结肠黏膜组织中基质细胞的差异表达蛋白，结果显示S100A9在结肠癌中表达升高。在结肠炎相关结肠癌的小鼠模型中，Ichikawa等[15]发现S100A8/A9阳性细胞聚集在发育不良和腺瘤的所有区域;在小鼠体内实验中，敲除S100A9可显著降低结肠肿瘤发生率，抑制肿瘤生长和转移。Pawar等[16]采用定量蛋白质组学方法来鉴别食管鳞状细胞癌中差异性表达的蛋白质，研究共收集病例288例，其中192例（67%）癌组织中显示S100A9蛋白表达下调，尤其是在低分化癌。Wang等[17]也证实，与食管相邻的正常上皮细胞相比，食管鳞状细胞癌和腺癌组织中S100A9表达下调，且该蛋白在3株食管癌细胞系中均未检测到表达，提示S100A9在食管癌中可能起抑癌作用。
　　1.3 S100A9调控相关信号通路与消化系统恶性肿瘤发生、发展的关系
　　1.3.1 MAPK信号通路  MAPK信号通路在肿瘤细胞增殖、侵袭、转移、凋亡和血管生成过程中都起着重要的作用。在胃癌、食管癌、结肠癌和肝癌的研究中，发现S100A9可以非特异性结合细胞表面的RAGE、TLR4等，激活MAPK信号通路中的ERK1/2、p38等蛋白，诱导各种效应因子如MMP、CCXL等的表达，从而促进肿瘤细胞的增殖、浸润和转移[13，18]。
　　1.3.2 TGF-β/Smads信号通路  在正常生理过程中，TGF-β/Smads信号通路参与调节体内细胞的生长与分化。目前有研究发现，TGF-β/Smads信号通路中Smad4蛋白的功能缺失会导致结肠癌和胰腺导管腺癌的发生、发展，究其原因为S100A8/A9在Samd4蛋白功能存在的情况下可抑制AKT、NF-κB信号通路的激活。因此，当TGF-β/Smads信号通路发生异常并导致Smad4蛋白的功能缺失时，S100A8/A9蛋白不再抑制AKT、NF-κB信号通路的激活而促进肿瘤增殖和侵袭转移[19-20]。
　　1.3.3 Wnt/β-catenin信号通路  业已证实，Wnt/β-catenin信号通路是结直肠癌等消化系统恶性肿瘤发生、发展的关键通路之一。Duan等[21]的研究发现S100A8和S100A9在超过50%的结直肠癌组织中異常表达上调，且与肿瘤分化程度、Dukes分期和淋巴结转移有关;重组S100A8和S100A9蛋白可上调结直肠癌细胞中β-catenin及其靶基因c-myc和MMP-7的表达，而β-catenin过表达可增加肿瘤细胞活力和迁移。该研究提示，在结直肠癌中，S100A9可通过Wnt/β-catenin信号通路发挥促癌作用。然而，目前有关S100A9调控Wnt/β-catenin信号通路参与消化系统恶性肿瘤进展的研究较少，其具体机制仍有待更多的研究去阐明。
　　2 MMP-9与消化系统恶性肿瘤
　　2.1 MMP-9的结构和生物学特性
　　MMP-9是当前研究最为广泛的MMP之一，参与多种重要的生物过程。该基因定位于人染色体20q13.12，包含12个内含子和13个外显子，相对分子质量为92 kD。在人体内，MMP-9蛋白结构主要由血红素结合蛋白样结构域、催化结构域、信号肽、铰链区和前肽区组成[22]。MMP-9蛋白主要通过以下三种方式促进肿瘤浸润及转移：①通过降解细胞外基质蛋白来重构细胞外基质;②调节细胞的黏附性;③配合其他酶类降解血管基底膜及血管周围基质。
　　2.2 MMP-9在消化系统恶性肿瘤中的表达
　　Gao等[23]应用免疫组织化学方法检测37例胃癌组织切片中MMP-9的表达情况，并分析其与临床病理特征及预后的关系，结果发现MMP-9在胃癌中表达上调并与患者总体生存率相关，提示MMP-9可作为胃癌患者的预后指标。另有研究显示，MMP-9蛋白在胃癌组织中的阳性表达率为64.3%（36/64），并与肿瘤分化程度、淋巴结转移和TNM分期有关[24]。Xu等[25]证实MMP-9蛋白在胰腺癌组织中表达上调，并且与淋巴结转移、血管侵犯、肝转移及TNM分期密切相关。Omran等[26]报道MMP-9蛋白在结直肠癌组织中的阳性表达率为72%，其中35%为强表达，提示MMP-9有望成为结直肠癌干预和治疗的靶点。此外，MMP-9在肝癌组织中的表达明显高于癌旁组织和正常的肝组织，并可作为肝癌术后复发和预后的预测指标[27-28]。在胆囊癌、胆管癌组织中也检测到MMP-9蛋白高表达，并与肿瘤的发生、侵袭以及转移有关[29-30]。可见，MMP-9在消化系统恶性肿瘤中多呈高表达状态，主要起促癌作用。 　　2.3 MMP-9促进消化系统恶性肿瘤进展的机制
　　2.3.1促進恶性肿瘤细胞的侵袭和转移  肿瘤的转移过程涉及到单个瘤细胞的释放，进而浸润血管，渗入血流或者淋巴系统，最终转移至周围或远处组织。已有研究证实，在恶性肿瘤细胞伪足表面表达有穿膜蛋白酶膜型MMP，该酶可激活MMP-2蛋白并联合MMP-9蛋白降解细胞外基质，促进癌细胞侵袭转移[22，26]。同时MMP-9蛋白的过表达可激活Wnt/β-catenin信号通路并诱导上皮间质转化，从而促进肿瘤进展。另外，通过p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）途径，血管内皮生成因子（VEGF）可诱导转录因子ETS-1的表达，进而促进MMP-9和MMP-13的活化，最终导致癌细胞的侵袭[31]。
　　2.3.2刺激肿瘤血管的形成  MMP-9在新的肿瘤血管系统生成过程中起着不可缺少的作用，同时肿瘤细胞自身分泌的VEGF在血管生成中也起着关键作用。MMP-9可以重塑细胞外基质，为内皮细胞的迁移打下良好根基，并通过与VEGF的相互作用间接促进血管生成，最终促进肿瘤新生血管形成[22，32]。
　　3 S100A9与MMP-9的调控关系
　　有研究显示，S100A9可以特异性地与细胞表面的细胞外MMP诱导因子相互作用，从而促进黑色素瘤细胞转移[33]。在人胃癌和鼻咽癌中，S100A9可以通过调节细胞中MMP的转录活性，从而导致肿瘤细胞易发生浸润、迁移[10]。同时也有证据显示敲低癌细胞中S100A9表达可导致MMP-9表达减少，并且抑制肿瘤细胞侵袭和迁移。另外，用一定剂量的S100A9刺激角质形成细胞后，其MMP-9的表达量也增加[34-35]，提示S100A9与MMP-9之间存在一定的调控关系。
　　4结论与展望
　　在大多数消化系统恶性肿瘤中，S100A9与MMP-9异常表达上调，且与肿瘤的发生、发展密切相关。同时有研究结果初步显示，S100A9可以通过调控MMP-9的表达来促进肿瘤侵袭转移，这或许可以为后续研究S100A9促进肿瘤侵袭转移的具体机制提供新的方向。但其所涉及的作用机制十分复杂，其中S100A9在不同肿瘤类型中所表现出的作用更是不尽相同。相信随着研究的不断深入，S100A9与MMP-9参与消化系统恶性肿瘤的作用机制不断被发现，其有望转化为消化系统肿瘤的诊断及靶向治疗的新靶点。
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　　（收稿日期：2019-01-21  本文編辑：祁海文）
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