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E-鈣黏蛋白雙面刃:癌細胞生存或轉移的兩難選擇

癌症轉移是造成癌症患者死亡的一大主因,而科學家認為癌細胞從原生組織轉移到其他組織與細胞間質黏附蛋白 ( cell–cell adhesion protein ) 有很大的關聯性,其中「E-鈣黏蛋白」( E-cadherin ) 扮演重要角色。E-鈣黏蛋白是一種細胞間質黏附蛋白,功能是讓上皮細胞在組織中可以緊密的連結。然而,有越來越多研究顯示E-鈣黏蛋白與癌症發生、侵襲性及轉移有很大的關連性 ( 註一及註二 ) [1]。

I. E-鈣黏蛋白在上皮間質轉化過程中的調控促進癌細胞轉移
上皮間質轉化(Epithelial-mesenchymal transition; EMT ) 在發育初期是組織與器官的分化很重要的過程,然而其也被證明與癌症進程有關 [2]。當癌細胞發生上皮間質轉化時,細胞具有遷徙及入侵的特性、使細胞具有幹細胞的特徵、避免細胞衰老凋亡,並具有免疫抑制的功能。因此,間質狀態的細胞能遷徙到其他器官中並維持幹細胞的特性。科學家根據過往研究結果認為在上皮間質轉化的過程中,癌細胞會藉由減少 E-鈣黏蛋白使癌細胞之間黏附力下降,成為具轉移能力並侵犯其他組織的癌細胞 ( 圖一 ) [1, 2]。此外,上皮間質轉化也參與在組織修復及器官纖維化的過程中。

 

圖一: 在上皮間質轉化的過程中,E-鈣黏蛋白與癌細胞轉移的關聯性。
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41388-018-0304-2

 

II. E-鈣黏蛋白在乳癌細胞型態與轉移中的角色
然而在臨床方面,科學家們發現在多種乳癌中發現在轉移性的癌細胞上高度表現E-鈣黏蛋白,例如:侵襲性乳腺管癌 ( Invasive ductal carcinoma; IDC )、發炎性乳癌、卵巢癌及大腸癌;然而這個觀察與過去科學家的癌症轉移假說不符。因此,約翰霍普金斯大學的團隊開始研究造成此現象的原因 [3]。團隊以帶有侵襲性乳腺管癌的小鼠作為模式物種,發現在體外培養時,不表達E-鈣黏蛋白的癌細胞遷徙能力確實較強 ( 圖二 )。

接著團隊也想了解在老鼠體內缺乏E-鈣黏蛋白是否也會增加癌細胞轉移。他們分別轉移了具有E-鈣黏蛋白以及無E-鈣黏蛋白的類器官(organoid; 註三 ) 到免疫不全老鼠身上,並在6-8週後評估老鼠癌細胞轉移到肺臟的情形 ( 圖三 ),卻發現缺少E-鈣黏蛋白的癌細胞轉移能力較低,說明E-鈣黏蛋白的存在對癌細胞轉移是必要的因素

圖二:野生型乳癌細胞與E-鈣黏蛋白缺失的乳癌細胞的型態變化。有鈣黏蛋白(左)及缺少鈣黏蛋白(右 ) 的乳癌細胞在不同時間下形態有所差異。圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1526-3

圖三:E-鈣黏蛋白的缺失抑制乳癌細胞轉移到其他組織。圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1526-3

 

III. E-鈣黏蛋白抑制乳癌細胞轉移的分子機轉
因此,科學家想更進一步了解:癌細胞內若失去E-鈣黏蛋白的表現反而造成癌細胞轉移能力下降的原因。團隊發現缺乏E-鈣黏蛋白的癌細胞會出現較多的細胞膜起泡 ( Membrane blebbing ) ( 圖四a ),顯示細胞凋亡比率較高 ( 圖四b;註四 ),恰恰說明E-鈣黏蛋白的存在對於乳癌細胞生存至關重要。

團隊接著分析造成細胞凋亡發生的原因,並發現缺乏E-鈣黏蛋白會造成 TGF-α、TGF-β 、p53 的訊息傳遞路被徑活化,當這些路徑被活化後,會引發氧化壓力及活性氧化物(Reactive oxygen species,ROS)的產生且持續累積,並調節癌細胞轉移,他們發現:在轉移時,具有E-鈣黏蛋白的乳癌細胞,相較於類器官內的細胞 ROS 多了2.5 倍,而缺乏E-鈣黏蛋白的乳癌細胞更高達 7 倍 ROS 的含量 。這些上升的 ROS含量代表癌細胞內的氧化壓力增加,最終導致癌細胞凋亡。總結來說,除去E-鈣黏蛋白的癌細胞會累積細胞內的氧化壓力,並活化細胞凋亡相關基因表現。

圖四: 缺少E-鈣黏蛋白的乳癌細胞出現較高比率的細胞凋亡。
圖片來源:https://doi.org/10.1038/s41586-019-1526-3

 

IV. 結論
團隊根據上述結果認為癌細胞轉移是一個複雜且具多重步驟的過程,且癌細胞中E-鈣黏蛋白的缺失導致癌細胞侵襲性及凋亡訊號上升使團隊推測:癌細胞會藉由調控E-鈣黏蛋白進而在侵襲與轉移取得平衡,而這個平衡可能在癌細胞早期擴散時特別重要。雖然失去E-鈣黏蛋白能使癌細胞的轉移能力增加,卻更容易造成活性氧化物在細胞內累積並導致癌細胞死亡,因此,監測E-鈣黏蛋白在癌細胞內的動態變化將會為癌細胞轉移及治療導管乳腺癌提供更多線索。然而,這也拋出了一個疑問,為什麼臨床上的觀察會與過往的上皮間質轉化理論有出入呢?

過往的上皮間質轉化理論認為癌細胞可以處在兩個狀態,分別為 E 狀態 ( 具有上皮細胞的性質,包括細胞間的緊密連結、細胞骨架的極性、以及貼附組織的特性 ) 以及 M 狀態 ( 具有間葉幹細胞的性質,包括遷移及侵襲性 )。然而,有越來越多研究證據 ( 包含上述的研究結果 ) 指出上皮間質轉化理論的不足,因此,在近幾年也有科學家針對上皮間質轉化提出新的觀念:混雜狀態 ( Hybrid state; 圖五A ) [4]。混雜狀態是指癌細胞從 E 狀態轉化至 M 狀態時,會處在一個過渡狀態 ( Intermediate state ),並在此時具有上皮細胞及間葉幹細胞的特性,因此又稱 Hybrid E/M state。

後續也有研究指出處在混雜狀態時的癌細胞具有特殊的生物標記 ( 圖五B ),且也在臨床癌症病人中的循環腫瘤細胞 ( Circulating tumor cells; CTCs ) 內發現了這些生物標記 [5],證實了混雜狀態的存在。混雜狀態對於E-鈣黏蛋白在乳癌細胞轉移時表現的現象也給了一個合理的解釋:E-鈣黏蛋白的表現並不僅限於癌細胞轉移的最後一步—移生 ( Colonization;註五 ),也有可能發生在早期的同時具有上皮及間葉幹細胞特性的混雜狀態,這也代表混雜狀態在癌細胞轉移的重要性。因此,癌細胞的混雜狀態儼然成為研究癌細胞轉移最重要的一塊拼圖。

圖五:癌細胞處在 E 及 M 狀態間的過度狀態。(A) 過度狀態的示意圖。 (B) 處在上皮間質轉化各狀態的癌細胞的生物標記。 (C) 轉移性乳癌細胞處在上皮間質轉化各狀態的生物標記。
圖片來源:https://doi.org/10.3390/cells9030623

 

註一:侵襲 ( invasion ) 是指癌細胞直接侵襲到週邊的組織。
註二:轉移 ( metastasis ): 癌細胞進入淋巴或是血管組織,隨著全身循環轉移到其他正常的器官或組織。
註三: 類器官是一種體外的立體組織結構,保有原組織或器官類似的外觀及功能,類器官也能保留腫瘤的微環境,因此可以用做研究腫瘤的發展與進程的模型。
註四:Cleaved-caspase 3 ( CC3 ) 是一種凋亡蛋白酶,因此可以做為細胞凋亡的生物標記。
註五:移生 ( Colonization ) 是指癌細胞經過轉移後定居在其他組織或器官。

 

參考文獻:
[1] Mendonsa, A.M., Na, TY. & Gumbiner, B.M. E-cadherin in contact inhibition and cancer. Oncogene 37, 4769–4780 (2018). https://doi.org/10.1038/s41388-018-0304-2
[2] Thiery, J. P., Acloque, H., Huang, R. Y., & Nieto, M. A. (2009). Epithelial-mesenchymal transitions in development and disease. Cell, 139(5), 871-890. https://doi.org/10.1016/j.cell.2009.11.007
[3] Padmanaban, V., Krol, I., Suhail, Y. et al. E-cadherin is required for metastasis in multiple models of breast cancer. Nature 573, 439–444 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1526-3
[4] Liao, T. T., & Yang, M. H. (2020). Hybrid epithelial/mesenchymal state in cancer metastasis: clinical significance and regulatory mechanisms. Cells, 9(3), 623. https://doi.org/10.3390/cells9030623
[5] Grigore, A.D.; Jolly, M.K.; Jia, D.; Farach–Carson, M.C.; Levine, H. Tumor budding: The name is EMT. partial EMT. J. Clin. Med. 2016, 5, 51. https://doi.org/10.3390/jcm5050051

 

撰文|彭顗睿
審稿|蕭皓文

 

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彭 顗睿

彭 顗睿

畢業於台大腦與心智研究所,專長是光遺傳學(optogenetic) 、神經迴路與老鼠行為研究。

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