初級纖毛在腫瘤發生發展中的研究進展

楊明清，肖勝軍

纖毛是一種來源于細胞基體并突出于細胞表面的特殊細胞器，有3種類型：運動纖毛(motile cilia)、初級纖毛(primary cilia)和節點纖毛(nodal cilia)[1]。其中初級纖毛分布于哺乳動物中幾乎所有類型的細胞表面，其異常會導致多種人類疾病(如腎囊腫[2]、視網膜變性[2])和腫瘤(如黑色素瘤[3])的發生，所以初級纖毛的異常影響著腫瘤的發生、發展。該文就初級纖毛的基本結構、組裝與解體的動態過程、纖毛相關信號通路及纖毛異常與腫瘤發生、發展關系進行一系統綜述。

1 初級纖毛的結構

初級纖毛是一種以微管為結構基礎的不具有運動功能的細胞器，其含有一個“9+0”的軸絲，無中央微管和動力蛋白臂。其結構一般分為3個區域：基體(basal body, BB)、過渡區(transition zone, TZ)和軸絲(axoneme)。其中基體是一個重塑的母中心粒(mother centriole, MC)，初級纖毛從此結構伸出；而過渡區是基體與軸絲之間長約0.5 μm的區域；另外軸絲是由環狀排列的9個經過翻譯后修飾的雙微管結構組成，這三個區域相互連接，構成初級纖毛的基本結構(圖1)。初級纖毛的纖毛膜包裹著微管且與細胞質膜相接[4]，但二者的脂質和蛋白質含量不同[4-6]，這是它具有不同于細胞膜特化功能的分子結構基礎。總之，初級纖毛的基本結構是纖毛發揮特定功能的物質基礎。

2 初級纖毛的組裝與解體

初級纖毛的組裝與解體經常與有絲分裂偶聯在一起，它只能在細胞周期的G0期或G1期形成，在G1/S期或G2/M期被解體吸收[7-8]。當中心體結構演變出MC進而轉化為BB時，初級纖毛開始形成；而當細胞準備進入分裂期之前，初級纖毛開始解體。

2.1 初級纖毛的組裝初級纖毛的組裝通常開始于細胞周期G0/G1期，當有絲分裂原缺乏或細胞進行分化需要退出細胞周期的分裂期時，初級纖毛開始組裝。

初級纖毛的組裝是從一個子中心粒逐漸成熟為MC開始的。血清饑餓之后，高爾基體的小細胞質囊泡(pre-ciliary vesicles, PCVs)依賴特定的激肽和動力蛋白(kinesin family member C1, KIFC1)沿微管轉運至成熟的MC遠端[9-11]。PCVs在MC遠端附屬物附近停靠，隨后依賴中心體肌動蛋白網絡與多巴胺(dopamine, DA)對接。當PCVs與DA完成對接后，膜形成蛋白(EPS15-homology domain-containing 1, EHD1)被募集到PCVs上，促進大量的PCVs在MC遠端融合成一個大纖毛囊泡進而覆蓋了MC的整個遠端。隨著PCVs的不斷運輸，纖毛帽不斷擴大、微管不斷生長，進而將軸絲不斷的包裹在雙層質膜中。其中纖毛膜的組裝伴隨著中心體從細胞中心向細胞表面遷移，基體通過DA錨定在細胞質膜且與其融合之后，軸絲內的微管及其包囊的纖毛膜進一步生長[12]。新生的纖毛通過其纖毛膜與質膜的對接，建立這些結構區域的連續性。

纖毛完成組裝之后，通過儲存在纖毛基部的可溶性蛋白屏障和過渡區的功能來維持其生長所需的蛋白質，通過門控機制來保持其獨特的基本結構。

2.2 初級纖毛的解體相比于纖毛的組裝來說，我們對該細胞器的解體機制知之甚少。在培養哺乳動物細胞實驗中表明，纖毛要經過雙相方式分解[13]，初級纖毛進行第一次解體發生在有絲分裂原刺激靜止期細胞之后(G1期)，第二次解體發生在有絲分裂前。

有絲分裂激酶——極光激酶(Aurora A)在促進初級纖毛的解體中發揮著重要作用[14]。當初級纖毛準備解體時，Aurora A被激活使組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase 6, HDAC6)發生磷酸化，這就導致了軸絲內的微管蛋白不穩定和去乙酰化，最終促進初級纖毛的解體。另外去聚合激肽Kinesin-13家族成員Kif2a和Kif24也與初級纖毛的解體相關。其中Kif2a是定位于兩個中心粒近端以及MC亞遠端的附屬物，其被G2/M期的激酶Plk163磷酸化并激活。活化的Kif2a促進纖毛微管的解聚，在增殖信號發出之后不久激發纖毛的解體；而Kif24主要通過與中心粒卷曲螺旋蛋白110(centriolar coiled coil protein 110, CP110)的結合來發揮作用[15]。Kif24的敲除和CP110缺失影響著增殖細胞中初級纖毛的組裝，同時Kif24通過絲/蘇氨酸激酶NeK2[16]介導的磷酸化增強微管的解聚活性[16]。Nek2在S期和G2期表達，確保Kif24在缺乏纖毛的細胞中具有活性。研究表明，Kif24的作用是抑制解聚微管的延伸，防止在有絲分裂前纖毛進行異常組裝[17]。總之，Kif2a和Kif24被S/G2期(Nek2)或G2/M期(Plk163)表達的激酶激活，進一步將細胞周期與維持有絲分裂所必需的纖毛解體過程聯系起來。

纖毛解體之后會進行纖毛膜的重塑。在纖毛吸收時，纖毛口袋(ciliary pocket, cipo)發生主動重塑，它是一個富含肌動蛋白的、圍繞纖毛軸絲近端區域的纖毛周圍亞結構。由于纖毛是一個動態的細胞器，其維持需要囊泡源源不斷的運輸到cipo膜進行停靠然后等待著釋放。總之，cipo的重塑進一步加速了纖毛的解體。

3 初級纖毛相關的信號通路

初級纖毛是Hedgehog(Hh)、Wnt、Notch、PDGFRα和TGFβ等多條信號通路的關鍵調節因素。本文主要闡述Hh、Notch和Wnt這三條信號通路。

3.1 Hh信號通路Hh信號通路主要包括Hh配體[Sonic(SHH)、Indian(IHH)和Desert(DHH)]、腫瘤抑制膜蛋白1(Patched1, PTCH1)和7次跨膜結構域G蛋白偶聯受體樣蛋白(Smoothened, SMO)，糖原合成酶激酶(Glycogen synthase kinase, GSK)、蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)和酪蛋白激酶1(casein kinase 1, CK1)，G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptors, GPR)、融合同源物抑制因子(suppressor of fused, SUFU)、神經膠質瘤相關癌基因同源蛋白1(Glioma-associated oncogene homolog1, GLI1)、GLI2、GLI3。

當Hh配體出現且與PTCH1結合之后，Hh信號通路被激活。PTCH1被排除到纖毛之外，進而解除了其對SMO的抑制作用，此時SMO通過其羧基端第7個跨膜結構域后的一個共同的疏水性和堿基殘基序列定位于初級纖毛。SMO在纖毛上的積累激活了SUFU以及阻斷GLI轉錄因子的水解，進而促進GLI與SUFU的解離。之后全長的GLI轉錄因子經過一系列的翻譯后修飾轉化為GLI的激活形式并轉運到細胞核，在細胞核中結合轉錄共激活因子促進靶基因的表達。

當Hh配體不存在時，初級纖毛膜上的PTCH1抑制SMO進入初級纖毛。在這情況下，GLI2和GLI3的C端部分被水解掉，這就去除了它們的轉錄激活結構域，使它們發揮其N端的轉錄抑制功能從而抑制Hh靶基因表達。由于只有全長的GLI蛋白定位于初級纖毛[18-19]，而GLI蛋白水解形式從纖毛脫落開始，所以定位在纖毛的全長GLI蛋白與聚集在纖毛頂端的SUFU相互作用進而阻止GLI轉錄因子的核轉位。

圖1 初級纖毛骨架由9個雙聯微管組成(即軸絲)，其軸絲起源于母中心粒，而初級纖毛的貨物運輸依靠IFT-B和IFT-A以及驅動蛋白和動力蛋白來向纖毛頂端(順向)和纖毛基部(逆向)進行轉運

3.2 Wnt信號通路Wnt信號通路可以分為經典型(β-catenin依賴性)和非經典型(β-catenin非依賴性)兩種類型。由于非經典型Wnt信號通路的具體機制尚不清楚，所以本文主要描述經典型Wnt信號通路。

Wnt信號通路的糖原合成酶(glycogen synthase kinase, GSK)和結腸腺瘤樣息肉病蛋白(adenomatous polyposis coli, APC)均定位于初級纖毛上[20]。研究表明，纖毛蛋白中的反轉蛋白(inversin, INVS)調節Wnt通路中關鍵效應因子DSH片段極性蛋白1(dishevelled segment polarity protein 1, DVL1)的表達和定位且使其降解，進而調控Wnt信號通路[21]。

經典型Wnt信號通路在失活狀態下，APC和AXIN(是負責β-catenin復合物形成的一種濃度限制因子)組成的復合物觸發GSK3和CK1對β-catenin的磷酸化、泛素化和最終的降解[22]。而在激活狀態下，Wnt配體與卷曲蛋白受體(frizzled, FZ)和低密度脂蛋白相關蛋白(low density lipoprotein-related proteins, LRP)受體結合激活蓬亂蛋白(dishevelled, DSH)。DSH將APC和AXIN組成的復合物聚集到質膜上來抑制β-catenin磷酸化，導致β-catenin不被降解而聚集于細胞質中，之后β-catenin轉位到細胞核中激活相應的靶基因進行相應的表達。

3.3 Notch信號通路初級纖毛對Notch通路的影響似乎具有組織特異性。目前對于Notch信號通路的了解較少，所以本文僅進行簡要的概括。

當Notch配體的細胞外結構域與Notch受體(Notch1～4)結合時啟動Notch信號通路，隨后位于初級纖毛基體近端的γ-分泌酶復合體裂解已與配體結合的Notch蛋白，進而釋放Notch胞內結構域(Notch1 intracellular domain, NICD)，最終NICD進入細胞核作為轉錄因子激活相應的靶基因表達。

4 初級纖毛與腫瘤

初級纖毛異常會導致多囊腎[23]、視網膜變性[23]和惡性腫瘤[3]等多種疾病。然而初級纖毛與癌癥之間的聯系取決于腫瘤的類型，在同一腫瘤內以及不同腫瘤亞型之間均存在差異。腫瘤的特征包括細胞無止境的分裂和凋亡能力受損，而正常細胞內或細胞間的信號通路發生改變也會使初級纖毛介導的信號通路紊亂，進而導致腫瘤的發生、發展。初級纖毛的解體必須發生在有絲分裂之前，其解體在人類疾病(特別是腫瘤)中具有重大意義。在腫瘤治療中，初級纖毛也是一個不可忽略的新型靶標。下面我們將通過纖毛及其相關信號通路的異常導致腫瘤的發生和發展進行探討。

4.1 與Hh信號通路相關的腫瘤Hh作為初級纖毛主要的信號通路與許多腫瘤相關，其中皮膚癌中的基底細胞癌比較常見。其發生與Hh信號通路中一些因子的改變(如PTCH1、SUFU、SMO、GLI轉錄因子)有著密切的聯系。大多數散發性基底細胞癌中PTCH1至少有1個等位基因發生功能缺失性突變，阻止Hh信號通路級聯的抑制性；其他少數散發性基底細胞癌中膜蛋白SMO存在功能獲得性突變，導致Hh通路的過渡激活[24]。當缺乏Hh配體時，轉錄因子GLI被磷酸化、泛素化并部分裂解為抑制物形式，阻止其核轉位進而激活靶基因。當存在Hh配體時，SMO易位入初級纖毛，使聚集在初級纖毛頂端的GLI與SUFU復合物解離并釋放出GLI活性物質進行核轉位激活相應的靶基因。有研究表明，在散發性基底細胞癌中發現SUFU功能缺失性突變使纖毛頂端復合物解離釋放出GLI轉錄因子，進而導致GLI的轉錄增加[24-25]。

總之，探索Hh信號通路調控因子的變化可能為阻止某些腫瘤的進一步發展提供了新的選擇。

4.2 與Wnt信號通路相關的腫瘤在APC基因突變導致的結直腸癌中，Wnt信號通路被過度激活。APC基因突變會引起β-catenin復合物功能喪失或增加，導致β-catenin核轉位反式激活Wnt的靶基因，進而促進腫瘤的發生、發展[26]。

在黑色素瘤的研究中表明，甲基轉移酶(enhancer of zeste homolog 2, EZH2)是纖毛基因的沉默子，它能夠通過組蛋白甲基化抑制基因的表達，所以惡性黑色素瘤中EZH2表達與初級纖毛的表達水平呈負相關。因此EZH2對黑色素瘤細胞纖毛基因的抑制促進了初級纖毛的解體，進而促進Wnt信號通路。

在前列腺癌中[27]，正常前列腺組織中的纖毛細胞比例比前列腺上皮內瘤和浸潤性前列腺癌中的纖毛比例高，而前列腺癌細胞纖毛較少且擁有高水平的核β-catenin從而激活經典型Wnt信號通路。

4.3 與Notch信號通路相關的腫瘤Notch信號通路中Notch1受體是致癌基因Ras的媒介[28]，而Ras基因在早期乳腺癌的發生、發展中起著核心作用。其它Notch成員在乳腺癌中也發揮著各自不同的作用，Notch2高表達與高分化乳腺癌患者的生存率相關[29]；Notch3在體內具有轉化的潛力，其上調會導致乳腺癌的發生[30]。總之，Notch信號通路在乳腺癌的發生、發展中扮演著重要角色。

5 總結與展望

初級纖毛是一種來源于微管的特殊細胞器，在調節細胞生長、分化以及相關信號通路中發揮著重要作用，初級纖毛的異常在腫瘤的發生、發展中起重要作用。初級纖毛異常可以啟動腫瘤的發生，并激活多條腫瘤相關的信號通路；因此闡明腫瘤中初級纖毛異常的相關機制，對于靶向干預異常纖毛治療腫瘤具有重要價值。