Hedgehog信號通路與大腸癌的研究進展

白鷺鷺,盧振霞,代恩勇,孫步彤

(吉林大學中日聯誼醫院腫瘤血液科,吉林長春130000)

1 HH通路概述

1.1 概念 HH信號通路為一個高度保守的細胞間信號傳導系統,果蠅的該通路基因突變可導致幼蟲蟲體出現許多刺突,形似刺猬,故命名為Hedgehog(HH)通路[1]。

1.2 HH通路在脊椎動物中主要由以下成員組成 配體sonic HH(Shh)、desert HH(Dhh)、indian HH(Ihh);膜受 體patched(PTCH1、PTCH2)、smoothened(Smo);cos2、SuFu 等胞漿內極性蛋白;鋅指轉錄因子Gli(glioma associated oncogene)(Gli1、Gli2、Gli3),Gli1、Gli2是轉錄促進因子,Gli3是轉錄抑制因子;下游靶基因[2,3]。HH通路的激活在細胞的初級纖毛中完成。位于初級纖毛內中心體附近細胞膜表面的PTCH膜受體缺乏相應配體時,Smo不能由胞漿囊泡內進入初級纖毛,從而Smo活性被抑制,核轉錄因子GLi(主要為GLi3)與SuFu、cos2等胞漿內極性蛋白結合,與微管形成復合體,在GSK3β、PKA、CKI激酶作用下磷酸化后被蛋白酶降解,GLi C端片段釋放并轉運至細胞核內,作為轉錄抑制子(GLi R)抑制下游靶基因轉錄(圖1A)。當配體與PTCH結合后,PTCH移動至初級纖毛以外膜表面,失去對Smo的抑制作用,Smo從胞漿囊泡內遷移至初級纖毛附近膜表面后激活,引起下游SuFu、cos2過度磷酸化,Gli(主要為GLi1、Gli2)從復合體中釋放,以全長形式進入細胞核,調節靶基因轉錄(圖1B)。這些基因包括血小板衍生因子(PDGF)、血管內皮生長因子(VEGF)、細胞周期蛋白D1(CyclineD1)、SNAIL、(HH-相互作用蛋白)HHIP、BCL-2等。此外,HH通路的靶基因也包括HH本身成員PTCH和Gli[4,5,6]。在整個信號通路中,HH、Smo起到了正調節作用,而PTCH、cos2、SuFu起著負調節的作用。

1.3 HH通路的功能

HH信號通路與哺乳動物胚胎發育過程中細胞增殖、分裂、極性分化、遷移密切相關,信號傳導途徑成員突變可以導致發育缺陷[7];大部分成體細胞HH通路通常處于休眠狀態;一些組織的干細胞HH信號通路卻仍然活躍,調節干細胞靜止與增殖;某些組織受損時,HH可被激活參與組織的修復。

2 hedgehog與大腸癌

2.1 有研究結果顯示大腸腺瘤細胞系如AA/C1、RG/C2及大腸癌細胞系如CaCo2,HT29 and SW480中可檢測到hedgehog通路成員及蛋白的表達[8]。大腸癌組織中Shh、Gli1及下游靶基因FOX M1、PDGFR α mRNA及蛋白表達高于正常腸道上皮細胞[3,9-11],這些研究結果均提示hedgehog通路與大腸癌之間存在相關性。外源給予HT-29及CaCo2大腸癌細胞系Shh可以促進大腸癌細胞增殖,同時加入抗Shh抗體時其促進大腸癌細胞增殖作用消失。Hedgehog通路阻斷劑cyclopamine可抑制多種大腸腺瘤及大腸癌細胞系如HT-29的增殖,誘導細胞凋亡。外源性Shh可以部分逆轉cyclopamine對細胞的抑制作用[9,10]。這些研究結果均提示HH通路對大腸癌細胞的增殖有促進作用。

但有研究結果顯示HH通路成員在一些大腸癌細胞系中沒有表達或僅有Gli表達,HH上游關鍵成員Smo抑制劑Cyclopamine作用于某些大腸癌細胞系后,對細胞的增殖無明顯影響,因此這些研究認為HH通路并不參與大腸癌的發生、發展[12,13]。

隨著HH通路研究的逐漸深入,推測這種矛盾結果的原因可能與以下因素有關:①部分無Shh、Smo表達的大腸癌細胞系或組織中,仍可檢測到 Gli1的表達[12,13]。OSAMU[14]等研究包括大腸癌在內的多種腫瘤中,Wnt通路可以增強Gli1的轉錄后活性,對Gli1有旁路激活作用。Felicite K等[15]研究證實,Wnt可以上調Gli1 mRNA及蛋白質的表達,其機制是Wnt誘導產生mR NA結合蛋白CRD-BP(c-myc mRNA coding region determinant binding protein),CRD-BP和Gli1 mRNA結合后增強Gli1 mRNA穩定性,抑制其mRNA降解,增強Gli1轉錄后活性。由此可見在Wnt/β-catenin相關的大腸癌中,Hedgehog通路可被Wnt調控,后者使Gli1表達上調。②大腸癌組織、細胞系的異質性:不是所有的大腸癌的發展均受hedgehog通路的調控,hedgehog通路只參與一部分大腸癌細胞的發展。hedgehog通路在不同大腸癌細胞系中被激活的機制也不同,某些細胞系中是經典的激活途徑,在另外一些細胞系中則與HH旁路激活有關。

2.2 2009年Warnat F等克服了以往關于Shh在大腸癌中作用研究僅針對少數幾種細胞系而非原代大腸癌細胞及Shh成員在單細胞中定位不明確的不足,首次證實Shh通路與大腸癌相關。對40例原位或轉移性大腸癌組織以及LS174T、HT29、Caco2大腸癌細胞系進行系統檢測,結果表明①在大腸癌上皮細胞中及肝轉移組織中Shh成員高表達,而大腸癌間質細胞中未檢測到Shh成員表達,證明HH通路與大腸癌之間存在相關性 。②下調GLi1、GLi2、Smo的表達或環靶明處理可抑制人類原代大腸癌細胞或人大腸癌細胞系的增殖,促進細胞凋亡;干擾GLi3則對大腸癌細胞增殖無明顯影響,反之,下調PTCH1或加入外源性GLI1后可促進大腸癌細胞的增殖,抑制細胞凋亡。將表達Gli1、shPTCH1的原代大腸癌細胞或細胞系種植于裸鼠皮下,與對照組(轉染空載體)相比成瘤能力明顯增強,而表達ShSmO、GLi3原代大腸癌細胞或細胞系種植于裸鼠皮下后,不能形成瘤塊。上述體外實驗及體內實驗結果表明大腸癌在體內、外增殖存活有賴于HH通路的激活。③大腸癌細胞HT-29接種于裸鼠皮下后,待皮下形成肉眼可見瘤塊,給予環靶明治療至腫塊消失后再分別給予5、10、20天,a.繼續給藥5天、10天組所有裸鼠均重新形成瘤塊;b.繼續給予環靶明20天組所有裸鼠1年后仍無復發,證實Hedegehog通路參與大腸癌復發。④在早期(TNM1、2)大腸癌組織中Gli1僅低表達,而進展期(TNM3、4)其表達明顯增加。鼠尾靜脈注射大腸癌細胞后,在肺部形成少量轉移灶,注射表達Gli1、shPTCH1的大腸癌細胞肺部轉移灶明顯增多,而注射表達ShSmo的大腸癌細胞則不能形成肺轉移灶,證明HH通路參與調控大腸癌的進展、轉移。⑤以CD133(大腸癌干細胞表面標志抗原)為表面標志分選CD133+大腸癌干細胞,Gli1、Gli2在CD133+大腸癌干細胞中表達明顯高于CD133-大腸癌細胞。干擾Smo表達后CD133+/CD133-細胞比例明顯減少,反之,干擾PTCH1表達后CD133+/CD133-細胞比例明增多,表明Shh通路參與維持大腸癌干細胞的存活和自我更新。該研究為Shh在大腸癌的發生、發展、復發、轉移中的作用提供了直接的證據[16]。

2.3 目前為止,Shh通路過度激活后通過哪些機制促進大腸癌的增殖、轉移,研究還不十分透徹,但一些研究提出了可能的機制:

2.3.1 Shh過度激活后促進大腸癌增殖的機制 血小板衍生因子受體α(PDGFR α)已經被證實與腫瘤細胞的增殖和腫瘤血管形成有關[3]。Xie等研究顯示PTCH1失活突變的基底細胞癌細胞系ASZ001重新表達PTCH1后,PDGFR α表達下調,細胞的DNA合成及增殖被抑制,提示上調PDGFR α表達是Shh通路促進腫瘤增殖的機制之一[17]。Gli高表達的大腸癌組織中也可檢測到PDGFR α的表達,表明在大腸癌的發展中,也存在與基底細胞癌類似的機制,即Shh信號通路通過上調PDGFR α促進腫瘤細胞增殖和腫瘤血管形成[3]。

2.3.2 Shh通路過度激活后促進大腸癌細胞轉移可能是誘導大腸癌上皮細胞發生上皮細胞間充質化(EMT),轉染了能表達Gli1或shPTCH1載體的大腸癌細胞不但失去了上皮細胞形態,且高表達 EMT標志蛋白如 FOXC2、VIMENTN、SNAIL1、ZFHX1B[16]。

2.4 除了Shh信號通路,目前認為Ihh通路在大學腸癌中的作用主要是通過下調 TCF4-βcatenin復合物,對抗wnt通路從而刺激上皮細胞分化,抑制大腸癌細胞增殖[18,19]。

綜上所述,HH是調節大腸癌發生、發展、復發、轉移的重要信號痛路,其與其它通路存在交叉作用,深入了解HH信號通路的分子作用機制將為大腸癌的診斷、治療及預后提供新的思路。

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