Gli1的活化與腫瘤發展的相關性研究進展

劉 奇 綜述,范婭涵 審校

(陸軍軍醫大學第一附屬醫院輸血科，重慶 400038)

Gli(glioma-associated oncogene homolog)家族在哺乳動物中有3 種同源亞型基因(Gli1、Gli2、Gli3)，均是鋅指結構的蛋白轉錄因子，鋅指間由組氨酸、半胱氨酸連接，定位在人類12號染色體q13.2～13.3[1]。在胚胎發育過程中，Gli1蛋白在細胞核和細胞質中均有表達，Gli1可以激活Hh(hedgehog)信號通路的下游靶基因,促進細胞的增殖和分化,影響胚胎的發育[2]。在腫瘤中，Gli1作為一個促癌基因，在大多數的腫瘤細胞和腫瘤組織中的表達顯著升高。此外在Gli家族中，Gli1是唯一需要全長入核才能發揮功能的轉錄因子。但目前關于Gli1在腫瘤中的調控機制還不十分完善。本文聚焦Gli1在腫瘤發展中的分子機制研究。Gli1在胰腺癌、肝癌、肺癌、鱗狀細胞癌等中都異常激活[3]，與基質金屬蛋白酶9(MMP9)[4]、黏蛋白(MUC5AC)[5]、再生基因Ⅳ(RegⅣ)[6]、甲基轉移酶(DNMT)[7]、微囊蛋白1(caveolin-1)[8]、蛋白激酶B(AKT)[9]、腺嘌呤核苷三磷酸結合轉運蛋白G超家族成員2抗體(ABCG2)[10]等癌基因相互作用調控各種癌癥的發展。特別是近年來越來越多的研究除了把Gli1作為Hh信號通路活化的標志，還重點關注Gli1在其他信號通路中所發揮的關鍵作用。

1 Gli1與Hh信號通路

Hh信號通路在胚胎發育階段扮演了重要角色，異常激活的Hh信號通路與人類的多種腫瘤密切相關。Hh的同源基因包括Sonic Hh(SHh)、Desert Hh(DHh)和Indian Hh(IHh)，分別編碼Shh、Dhh和Ihh蛋白[11]。Hh蛋白必須經過特定的翻譯后修飾才能獲得蛋白活性功能[12-13]。Hh信號激活受到靶細胞膜上兩種受體Ptched(Ptc)和Smothened(Smo)及Gli1的嚴密控制，Hh信號通路能否發揮功能取決于Gli1能否全長入核。受體Ptc由腫瘤抑制基因Ptched編碼，是由12個跨膜區的單一肽鏈組成，可以與Hh配體直接結合，對Hh信號起負調控作用。原癌基因Smot編碼受體Smo，對Hh信號起正調控作用[14]。具體來說，在細胞缺失Hh配體的情況下，Ptc抑制Smo蛋白活性，導致Smo失活，Gli2和Gli3被蛋白激酶A(PKA)磷酸化與糖原合成激酶3β(GSK3β)形成一個能和β-轉導重復相容蛋白(β-TrCP)結合的位點。隨后Gli/β-TrCP復合物被泛素化降解形成轉錄抑制物Gli2R和Gli3R，轉位入核后抑制Hh靶基因的轉錄[15]。但是當Hh配體存在時，Ptc和Hh結合后，Ptc就不能夠再抑制Smo的蛋白活性，Smo被激活，并在初級纖毛膜處Smo與β抑制蛋白2(Arrb2)和驅動蛋白Kif3a共同作用促進全長且具有轉錄活性的Gli1蛋白從Sufu游離出來，使Gli1不被蛋白酶水解降解，從而全長入核發揮功能[16]。此外Hh-Gli1通路可以誘導Ptc的轉錄，形成負反饋的調控環。縱觀在Hh信號通路功能調節中,實質上是對核轉錄因子Gli1的功能活性的調節進而控制下游基因轉錄活性的變化。

2 Gli1在多種腫瘤中異常活化

胰腺癌被認為是最為致命的疾病之一，生存率非常低。在所有的胰腺癌患者中幾乎都可以檢測到鼠類肉瘤病毒癌基因(KRAS)基因的突變，而KRAS被認為是Gli1的一個活化劑[17]。此外Gli1調控許多的致癌基因促進胰腺癌的發生，其中包括MUC5AC，其被認為是胰腺癌預后差的重要指標，INAGUMA等[5]研究發現Gli1可以直接結合在MUC5AC的啟動子區，調控MUC5AC的表達，影響腫瘤的侵襲、轉移；在胰腺癌中另一個比較重要的Gli1靶基因是RegⅣ，RegⅣ與腫瘤細胞的增殖、侵襲、轉移及凋亡等密切相關，WANG等[6]通過免疫組織化學、Western blot等實驗發現在胰腺癌組織和細胞中Gli1與RegⅣ的表達均顯著升高且呈正相關,染色質免疫共沉淀(CHIP)和凝膠遷移實驗(EMSA)檢測顯示Gli1蛋白可以與RegⅣ啟動子區5-′GAT CAT CCA-3′結合。HE等[7]研究表明在胰腺癌組織中Gli1和DNA甲基轉移酶(Dnmt)的表達顯著高于正常組織，芯片分析顯示Gli1蛋白可以與Dnmt1結合。此外Gli1促進轉化生長因子-β1(TGF-β1)的表達，調節β-連環蛋白(β-catenin)和E-鈣黏蛋白(E-cadherin)從而促進胰腺癌細胞的侵襲、轉移，并且Gli1與Wnt2B、白細胞介素6(Interleukin-6)、信號轉導與轉錄激活因子3(STAT3)也存在相互調控作用[18-19]。在肝癌中,CHEN等[20]通過RNA干擾技術在7721和SK-Hep1細胞系中干擾Gli1，結果發現細胞的侵襲、轉移能力明顯降低，此外，Gli1的下調顯著降低了基質金屬蛋白酶-2(MMP-2)和MMP-9的表達和活性。組蛋白乙酰轉移酶(PCAF)是真核細胞內一種重要的組蛋白乙酰轉移酶，GAI等[21]發現在細胞質中Gli1蛋白的518處亮氨酸可以被PCAF乙酰化，從而阻止Gli1的入核，進一步實驗發現Gli1可以促進B淋巴細胞瘤-2(Bcl-2)的表達，抑制Gli1又可以影響PCAF在肝癌增值方面的效果，具體的分子機制還有待更深入的研究。LU等[22]發現Gli1可以通過調控ERK信號通路的活性來影響MMP-9的表達，促進肝癌的發生。GAI等[8]研究表明小窩蛋白-1(caveolin-1)可以與Gli1相互作用影響肝癌的侵襲、轉移能力，但具體的機制有待更深入的剖析。蟾毒靈(bufalin)是傳統中藥蟾酥成分中的蟾毒配基之一，SHENG等[23]實驗表明蟾毒靈可以影響肝癌細胞中Gli1的活性，抑制Gli1靶基因的表達，顯著降低肝癌細胞的惡性生物學行為[24]。在肺癌中，Gli1可以與ww45相互作用，促進Gli1的泛素化，抑制Gli1的靶基因表達。腫瘤干細胞(CSCs)是一群在腫瘤組織中數量極少，但具有自我更新能力，以及具有使腫瘤細胞產生異質性能力的細胞，CHANG等[25]研究發現在非小細胞肺癌(NSCLC)和小細胞肺癌(SCLC)中三氧化二砷可以抑制Gli1的活性，抑制肺癌的增值，減少CSCs表面標志物CD133和干細胞轉錄因子(SOX2，OCT4)的表達。在鱗狀細胞癌中，Gli1可以促進血管內皮生長因子(VEGF)的表達從而提升細胞的侵襲、轉移能力。在彌漫性大B細胞淋巴瘤(DLBCL)中，SINGH等[10]研究發現ATP結合盒超家族G家族第2個成員(ABCG2)是Gli1的直接靶基因，并且Gli1可以通過調節ABCG2的活性進而影響腫瘤的化學耐藥，AGARWAL等[9]研究發現Gli1可以影響AKT的活性，Gli1有助于彌漫性大B細胞淋巴瘤的生存。近年來在Gli1的靶基因研究中，其中與細胞周期調節有關的基因有細胞周期蛋白D1/2(cyclin D1/2)；增殖相關的基因有血小板衍生生長因子受體(PDGFR)、C-myc癌基因；細胞凋亡基因Bcl-2；與血管生成相關的VEGF、促血管生成素1/2(ANG1/2)；上皮細胞間質轉化相關基因MMP-9、snail和自我更新及干性維持的基因NANOG、SOX2。此外Gli1可能參與了Wnt、Ras、CtBP2、Nothc、TGF等信號通路的調控，影響腫瘤的發生發展[15]。

3 Gli1與人端粒酶反轉錄酶(human telomerase reverse enzyme,hTERT)

hTERT是端粒酶的一個亞單位，其表達直接決定了端粒酶的活性，并決定了細胞的復制能力。在良性細胞中，外源性的過表達或者干擾Gli1不會影響hTERT的表達，但是在結直腸癌、前列腺癌、膠質瘤細胞中，通過基因干擾技術或者藥理抑制Gli1都可以抑制hTERT的表達，此外有研究報道Gli1可以直接結合在hTERT的啟動子區從而調控hTERT的表達[26]。在胃癌組織中hTERT與Gli1的表達呈顯著正相關，通過構建hTERT的過表達質粒并轉染到胃癌細胞7901中，結果發現Gli1的mRNA和蛋白水平顯著升高。雙熒光素酶實驗發現hTERT可以促進Gli1的啟動子區的活性，提示hTERT可能是通過轉錄水平調控Gli1的表達，此外抑制Gli1的表達可以降低胃癌細胞的侵襲、轉移能力[27]。

4 Gli1與表皮細胞間質轉化(EMT)

腫瘤細胞在發生侵襲轉移的過程中一個非常重要的特征就是EMT，經歷EMT的細胞侵襲轉移能力明顯增強。有研究報道Gli1與EMT存在著非常重要的關系，過表達Gli1可以促進細胞發生EMT。此外在多種癌癥細胞中，無論是干擾還是過表達Gli1,通過Western blot實驗都可以觀察到波形蛋白(vimentin)，E-cadherin、N-cadherin、β-catenin、twist等的表達也發生相應變化[28-31]。但是Gli1是如何調控EMT的分子機制還是有待更深入的研究，Snail1是公認的調控EMT的一個非常重要的轉錄因子，Snail1可以與CtBP2相互作用促進腫瘤的侵襲、轉移，并有研究報道Gli1可以結合在CtBP2的啟動子區促進CtBP2表達[31]。E-cadherin蛋白的缺失導致β-catenin的入核增加從而誘發細胞的侵襲、轉移，β-catenin是Wnt信號通路中非常重要的成員，在大多數的惡性腫瘤組織中都發現β-catenin和Gli1的高表達,并且在子宮內膜癌中Gli1可以促進β-catenin的表達[32-33]。在卵巢癌中，過表達Gli1可以促進細胞的轉移，在裸鼠中，注射過表達Gli1的卵巢癌細胞能夠促進肝轉移和新陳代謝[34]。基因芯片分析發現Gli1調控腫瘤侵襲轉移的潛在因子可能包括TGF-β1、Ras、Wnt，(PI3K)/AKT、四跨膜蛋白超家族(TM4SF)、重組人S100鈣結合蛋白A4(S100A4)[27]。但是在永生化細胞中過表達Gli1可以減少表皮生長因子受體(EGFR)的表達、抑制細胞外ERK的活性，不能誘發EMT[35]。為何會存在這種差異有待更深入的探索。

5 小結與展望

Gli1作為核轉錄因子，在Hh信號通路活化的過程中發揮了極其關鍵的作用，并通過誘發EMT從而促進腫瘤的侵襲、轉移。此外Gli1在腫瘤中通過與眾多的致癌基因相互作用進而調控腫瘤的發生發展。但是Gli1在DNA損傷修復、細胞代謝、藥物抵抗，腫瘤微環境等中的分子機制研究在將來的工作中有待進一步探索。盡管有研究支持在腫瘤干細胞治療中靶向Gli1可以抑制腫瘤生長，改善腫瘤的耐藥性，但是Gli1介導腫瘤干細胞的調控機制并不十分完善，還需要更深入的研究，并且目前臨床上也還沒有研究出針對Gli1很好的抑制劑，以及如何更好地將Gli1抑制劑和常規腫瘤治療手段聯合應用也需要更多研究去證實。因此對Gli1在腫瘤中的分子機制研究,可以幫助人們更好地理解Gli1在癌癥中的復雜作用，可以使人們更好地掌握它的功能,從而為腫瘤的治療提供更多的方案。