STAT3: 慢性炎症介导肝癌进程的关键分子

音金萍， 岳紫晨， 卓少元

广西中医药大学 基础医学院， 南宁 530200

STAT3是STAT家族的主要成员之一，最初作为应答IL-6等炎症因子的关键胞内分子被发现。正常情况下存在于细胞质中，被激活后转移至细胞核，调控基因表达。目前研究[1]发现，STAT3在多种癌症中存在异常激活，不仅作为转录因子影响多种癌症相关基因的表达，还在许多致癌信号通路中发挥转导的作用。STAT3可通过介导细胞外炎症因子信号调控肿瘤细胞、免疫细胞等的生物学行为，是慢性炎症促进肿瘤发生及肿瘤相关性炎症形成过程中不可或缺的关键分子[2]，在肿瘤进程中发挥重要作用。作为一种典型的慢性炎症相关性肿瘤，肝癌的发生发展及转移等都与STAT3密切相关。本文就STAT3与肝癌关系新进展综述如下。

1 STAT3简介

人STAT3基因定位于染色体17q21.2，其转录生成的mRNA含有24个外显子，通过外显子23的可变剪接、翻译生成2种不同的亚型：STAT3α和STAT3β[3]，并且经蛋白水解作用可生成STAT3γ和STAT3δ[4]。本文的STAT3主要指STAT3α，它是全长转录本表达产物，具有六个结构域：保守的氨基末端、螺旋结构域、DNA结合域、连接域、SH2结构域，以及羧基端的反式激活蛋白结构域[3]。众多研究表明，STAT3α介导细胞增殖、分化、免疫和炎症反应在内的多等种生物学过程，已被发现它在多种消化道肿瘤中存在异常活化。

STAT3β的表达与STAT3 pre-mRNA的外显子23出现移码突变有关，导致突变位置出现了7个新的氨基酸密码子和1个终止密码子，使STAT3β与STAT3α相比，丢失了羧基端的反式激活蛋白结构域，而尾部新增了7个氨基酸组成的CT7结构域；该结构域被证实与STAT3β的核保留时间相关[3]。虽然结构上发生了改变，但STAT3β仍可形成同源或异源二聚体与DNA结合。研究[5]表明，STAT3β是一种重要的抑癌因子，调控抑癌基因的表达，抑制化学耐药和肿瘤干细胞活性。值得注意的是，剪接因子PCBP1过表达可显著抑制STAT3α的表达并降低STAT3α/STAT3β的比例[3]。

由蛋白水解加工生成的STAT3γ和STAT3δ并不主动介导转录，但其异常表达与人体中某些疾病(如急性髓系白血病[6])的发生发展密切相关。

2 STAT3在肝癌细胞中异常激活受到多种因素的调控

临床研究[7]表明，STAT3和p-STAT3在肝癌组织中阳性表达率明显高于癌旁组织。STAT3在患者肝癌组织中的异常激活是多种因素在不同过程中共同作用的结果(图1)。IL-6是肝癌微环境中主要的炎症因子之一，可通过与其受体结合促使gp130蛋白二聚化和磷酸化，活化的gp130激活JAK激酶，后者通过磷酸化STAT3的SH2结构域Tyr705位点激活STAT3[2,8]。目前已证实，IL-6不仅是STAT3的活化因子，还是STAT3的下游效应分子，由此形成的IL-6/STAT3正反馈环被确认是“炎癌转化”的关键纽带和STAT3在癌细胞中过度活化的重要原因[9]。IL-11[10]作为IL-6家族的成员之一也可通过上述路径活化STAT3蛋白。此外，IL-8[11]、IL-27[12]、TNFα[13]、TGFβ1[14]等多种炎症因子也是促进肝癌细胞中STAT3过度活化的影响因素。除JAK激酶介导Tyr705磷酸化的经典激活方式外，许多其他的激酶如Src家族相关激酶[15]、Abl家族相关激酶[16]和丙酮酸激酶M2(PKM2)[17]也可以介导Tyr705磷酸化，促进STAT3活化。此外，反式激活蛋白结构域Ser727的磷酸化也是STAT3活化的重要方式[4]。

近年的研究还发现，多种microRNA(如miR-298[18]、miR-15a-3p[19]、miR-4516[20]等)对肝癌细胞内STAT3具有转录后抑制作用；而这种抑制作用常常受到长链非编码RNA(long non-coding RNA, lncRNA)的影响，后者可作为竞争性内源RNA竞争结合microRNA，从而影响microRNA对STAT3 mRNA的转录后抑制。如LINC01287具有miR-298的结合位点，并通过与miR-298结合调节STAT3表达[18]；lncRNA HOXA11-AS[19]和 lncRNA LSINCT5[20]也分别竞争性结合miR-15a-3p和miR-4516，上调STAT3蛋白表达。

注：箭头表示促进作用；问号表示尚未阐明的机制。

3 STAT3与肝癌进程的关系

3.1 STAT3参与肝癌发生中的“炎癌转化”

促进肿瘤的炎症是目前公认的肿瘤十大特征之一[21]。研究[22]表明，慢性肝脏炎症在肝癌的发生发展过程中具有至关重要的推动作用；作为“炎癌转化”的核心转录因子之一，STAT3在其中扮演着十分重要的角色。

3.1.1 STAT3是传染性病原体诱发肝癌发生的炎症介质 流行病学研究表明，传染性病原体如HBV和HCV引起的慢性肝炎与肝癌的发生密不可分，长期的病原体感染是诱发肝癌发生的重要因素。通过TaqMan 单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)基因分型法对HBV慢性感染者分析发现，STAT3的3′UTR多态性与HBV感染和HBV相关肝病的易感性相关，并且STAT3 SNP rs4796793和rs2293152与HBV突变宿主的肝癌发生息息相关[23]。HBV可通过多种途径激活STAT3。Sun等[24]研究表明，HBV复制可促进STAT3磷酸化，增强sal4样蛋白4 (SALL4)转录。而HBV x蛋白(HBx)能够促进SH2结构域蛋白D5与转酮酶结合，刺激STAT3 Tyr705磷酸化，进而活化STAT3及其下游分子[25]。HBV大蛋白的变体W4P也可通过作用于STAT3信号通路而介导肝癌的发生[26]。此外，活化的STAT3又是HBV在宿主中大量复制的调控因子[27]，由此形成的正反馈通路是慢性炎症诱发肝癌发生的重要路径。与HBV相同，STAT3也是HCV诱发肝癌的重要介质，其在人肝细胞中诱导STAT3活化，并刺激STAT3癌症相关靶基因表达，促进肝癌等肝脏疾病发生[28]。

3.1.2 STAT3在活性氧(ROS)诱发肝癌发生中发挥重要作用

ROS是一种激发态的氧分子，当肝脏因为病毒性肝炎、酗酒过度等情况发生炎症时，ROS水平都会增加。Yuan等[29]研究发现高水平的ROS可能会特异性导致肝内胆管细胞癌。而STAT3在ROS的诱癌作用中扮演重要角色。Liang等[30]发现作为生成ROS的关键酶之一，NADPH氧化酶1在小鼠模型中促进慢性肝炎向肝癌转化，其机制之一可能是激活STAT3。

3.1.3 STAT3促进肝癌细胞上皮-间质转化(epithelial-mesenchymal transition, EMT) EMT是上皮细胞转化为具有间质表型细胞的可逆生物学过程，为肿瘤的侵袭、迁移和转移提供有利条件，表现为上皮细胞的细胞骨架由角蛋白细胞骨架转化为以波形蛋白(Vimentin)为主的细胞骨架，黏附分子(如E-cadherin)表达降低[31]，并且获得间充质标记物，如N-cadherin、MMP-2、MMP-9、Vimentin等。近年来，众多研究[31]表明，EMT作为链接“炎癌转化”的重要纽带，在促进肝癌发生发展及转移等方面均发挥关键作用。Wu等[32]研究证实STAT3是增强Vimentin蛋白水平的重要因素，活化的STAT3不仅可以通过与Vimentin基因启动子-757区的抗沉默子元件及负调控因子ZBP-89结合，抑制沉默子元件(ZBP-89结合位点，位于-319区)的作用，在转录水平直接增强肿瘤细胞Vimentin基因的转录；而且在蛋白水平通过直接促进survivin等蛋白的表达抑制Caspase-3活性[33]、使后者裂解Vimentin蛋白的能力减弱[34]。此外，有研究[35]表明，肝癌细胞EMT的发生还与Snail、Slug以及Twist等多种因子的调控相关，而STAT3能够上调Snail、Slug和Twist表达，增加EMT，促进肝癌细胞的侵袭、迁移和转移；当抑制STAT3活性后，则可逆转EMT，表现为上皮细胞标志物E-cadherin表达增多，间质标志物N-cadherin、 MMP-2、MMP-9表达减少等[36]。

3.2 STAT3参与肝癌进展中癌细胞的增殖、侵袭与转移

3.2.1 STAT3可直接调控肝癌细胞内增殖侵袭与转移相关基因表达 STAT3促进肝癌细胞增殖与其转录因子的功能密不可分。磷酸化的STAT3由细胞质转移至细胞核后，可通过调控细胞周期相关蛋白的表达来促进细胞周期的进展，进而诱导肝癌细胞的增殖。如Lu等[37]研究发现活化的STAT3可通过上调细胞周期蛋白D1和增殖细胞核抗原的表达，促进HepG2细胞增殖。在ROS诱导下，活化的STAT3对周期蛋白B和周期蛋白依赖性激酶1/2也具有调控作用[38]。此外，STAT3也可激活细胞分裂控制蛋白Rac GTP酶活化蛋白1转录，促使肝癌细胞增殖[39]。

肝癌细胞的侵袭性和转移性是肝癌恶性程度的重要标志，也是其预后不良的重要原因。如Zhou等[40]研究发现，STAT3被尿苷胞苷激酶2激活后，可通过增加下游MMP2和MMP9的表达，促进肝癌细胞的侵袭和转移。阻断肝癌细胞中STAT3的信号传递，可使其迁移和侵袭能力受到明显抑制[41]。

3.2.2 STAT3是肝癌血管生成的重要影响因素 血管生成在促进肝癌细胞增殖、侵袭和转移中具有重要作用。肝癌组织中血管生成的过程非常复杂，受到多种因子相互协调作用，其中最重要和最直接的影响因子是血管内皮生长因子(VEGF)，而STAT3可能是其表达的关键转录因子。Kong等[28]证实HCV及其非结构蛋白NS4B可通过内质网反应激活STAT3，进而激活靶基因VEGF的表达。此外，在肝癌组织中被IL-6等炎性因子活化的STAT3，可调控VEGFA表达[42]；当抑制STAT3活性后，VEGF及其受体——VEGFR2表达下调、血管生成受抑制[43]。

3.2.3 STAT3可维持肝癌干细胞(liver cancer stem cells，LCSCs)的干性 LCSCs虽然是数量很少的细胞群，但是具有自我更新、化疗耐药、致瘤、侵袭和转移等干细胞特性，因而与治疗耐药和术后复发关系密切。肝癌相关成纤维细胞(hepatocellular carcinoma associated fibroblasts, HCAFs)通过旁分泌高水平的IL-6使STAT3活化，进一步激活Notch信号通路，促进LCSCs的干性[8]。在CD24+LCSCs中，癌旁HCAFs可能通过IL-6/JAK2/ p-STAT3信号上调Oct4和胚胎干细胞转录因子的表达，加速LCSCs的自我更新[44]。在CD133介导的肝癌干细胞中，p-STAT3进入细胞核后可直接结合在CD133启动子部位，导致组蛋白H3乙酰化增加，随后启动CD133的转录；使用AG-490抑制STAT3后，肝癌细胞中CD133+细胞群比、CD133表达和CD133乙酰化组蛋白H3水平均降低[45]。此外，STAT3也被发现与CD90、CD44、CD24、EpCAM等LCSCs高表达表面标志物介导的细胞功能相关[45-46]。

3.2.4 STAT3参与肝癌组织中的Warburg效应 与正常细胞相比，即使在氧气比较充足的状态下，许多肿瘤细胞都主要通过无氧酵解合成ATP，表现出葡萄糖的快速消耗，并伴随着乳酸的大量产生，这种现象称为Warburg效应。肿瘤细胞采用这种效应可获得大量的中间产物，为合成DNA和蛋白质等重要物质提供原料，从而有利于癌细胞的增殖。丙酮酸激酶(PK)是糖酵解过程的限速酶，其亚型PKM2在快速增殖的组织、胚胎和肿瘤中高表达，与肿瘤的关系也最密切。二聚体PKM2是包括肝癌细胞在内的多种癌细胞Warburg效应的重要调控因子，而STAT3不仅能够上调PKM2的磷酸化，还能促进p-PKM2的核易位，增强肝癌细胞的Warburg效应[47]。此外，PKM2作为蛋白激酶，通过磷酸化Tyr705直接激活STAT3[17]。由此形成的STAT3-PKM2正反馈通路，可能是肝癌Warburg效应和恶性程度进一步加深的重要原因。

3.2.5 STAT3参与肝癌细胞的抗凋亡及免疫逃逸 研究[48]发现，活化的STAT3可上调抗细胞凋亡分子、Mcl-1、Survivin和Bcl-2等的表达在肝癌细胞抗凋亡中起关键作用。利用药物抑制STAT3活性，可使肝癌细胞中Caspase-3水平和Bax/Bcl-2比率升高，促进了肝癌细胞的自噬[49]；或利用CRISPR/Cas9技术敲除STAT3后，内质网应激蛋白标志物葡萄糖调节蛋白-78和CCAAT/增强子结合蛋白同源蛋白水平升高，肝癌细胞凋亡增加[50]。

肿瘤免疫逃逸是肿瘤细胞通过多种机制逃避机体免疫系统识别和攻击，得以在体内生存和增殖的现象。STAT3可通过调控程序性死亡配体1(programmed cell death-ligand 1, PD-L1)和吲哚胺2,3-双加氧酶1(indoleamine 2,3-dioxygenase 1, IDO1)等免疫抑制分子的表达、诱导骨髓来源的抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells, MDSCs)等介导肝癌细胞的免疫逃逸。Cheng等[51]研究发现，IL-6/STAT3通路可上调肝癌细胞PD-L1表达；后者是免疫检查点分子PD-1的配体，高表达的PD-L1与免疫细胞表面PD-1结合后可导致T淋巴细胞免疫功能受损，为肝癌的发生发展提供有利条件。与直接结合启动子来调控PD-L1表达不同，在HBV相关性肝癌患者中，磷酸化的STAT3通过上调转录因子SALL4蛋白水平，拮抗miR-200c对PD-L1蛋白表达的抑制，从而诱导T淋巴细胞功能衰竭[24]。Thorn等[52]发现，STAT3与IDO1和PD-L1启动子结合，对肝转移相关的骨髓来源的抑制细胞中IDO和PD-L1表达进行转录调控来驱动免疫抑制。而当STAT3活性被抑制后，肝肿瘤中的MDSCs可通过上调凋亡相关因子Fas和促凋亡蛋白Bax的表达而发生凋亡，一定程度上扭转了免疫抑制[53]。

4 总结

肝癌的致病因素繁多，发病机制复杂，慢性炎症在推动肝癌发生发展中发挥重要作用。尽管炎症介导肝癌进程的机制尚未完全明确，但STAT3作为肝癌炎症微环境中异常激活的关键信号分子，是联系炎症与肝癌的重要纽带，在肝癌进程中扮演不可或缺的角色。STAT3不仅可调控传染性病原体、ROS等的致癌作用及肝癌细胞EMT，参与肝癌发生过程中的“炎癌转化”；而且还可通过影响肝癌血管生成、维持肝癌干细胞的干性、参与肝癌组织Warburg效应，及肝癌细胞的抗凋亡和免疫逃逸等过程，促进肝癌进展中癌细胞的增殖、侵袭与转移。因此，STAT3是一个潜在的肝癌治疗靶标；深入了解STAT3的功能、活性调控因素及其在肝癌进程的作用，对于进一步认识肝癌等炎症相关性肿瘤及其精准治疗具有十分重要的意义。