Hedgehog信号通路与大肠癌的研究进展

白鹭鹭,卢振霞,代恩勇,孙步彤

(吉林大学中日联谊医院肿瘤血液科,吉林长春130000)

1 HH通路概述

1.1 概念 HH信号通路为一个高度保守的细胞间信号传导系统,果蝇的该通路基因突变可导致幼虫虫体出现许多刺突,形似刺猬,故命名为Hedgehog(HH)通路[1]。

1.2 HH通路在脊椎动物中主要由以下成员组成 配体sonic HH(Shh)、desert HH(Dhh)、indian HH(Ihh);膜受 体patched(PTCH1、PTCH2)、smoothened(Smo);cos2、SuFu 等胞浆内极性蛋白;锌指转录因子Gli(glioma associated oncogene)(Gli1、Gli2、Gli3),Gli1、Gli2是转录促进因子,Gli3是转录抑制因子;下游靶基因[2,3]。HH通路的激活在细胞的初级纤毛中完成。位于初级纤毛内中心体附近细胞膜表面的PTCH膜受体缺乏相应配体时,Smo不能由胞浆囊泡内进入初级纤毛,从而Smo活性被抑制,核转录因子GLi(主要为GLi3)与SuFu、cos2等胞浆内极性蛋白结合,与微管形成复合体,在GSK3β、PKA、CKI激酶作用下磷酸化后被蛋白酶降解,GLi C端片段释放并转运至细胞核内,作为转录抑制子(GLi R)抑制下游靶基因转录(图1A)。当配体与PTCH结合后,PTCH移动至初级纤毛以外膜表面,失去对Smo的抑制作用,Smo从胞浆囊泡内迁移至初级纤毛附近膜表面后激活,引起下游SuFu、cos2过度磷酸化,Gli(主要为GLi1、Gli2)从复合体中释放,以全长形式进入细胞核,调节靶基因转录(图1B)。这些基因包括血小板衍生因子(PDGF)、血管内皮生长因子(VEGF)、细胞周期蛋白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本身成员PTCH和Gli[4,5,6]。在整个信号通路中,HH、Smo起到了正调节作用,而PTCH、cos2、SuFu起着负调节的作用。

1.3 HH通路的功能

HH信号通路与哺乳动物胚胎发育过程中细胞增殖、分裂、极性分化、迁移密切相关,信号传导途径成员突变可以导致发育缺陷[7];大部分成体细胞HH通路通常处于休眠状态;一些组织的干细胞HH信号通路却仍然活跃,调节干细胞静止与增殖;某些组织受损时,HH可被激活参与组织的修复。

2 hedgehog与大肠癌

2.1 有研究结果显示大肠腺瘤细胞系如AA/C1、RG/C2及大肠癌细胞系如CaCo2,HT29 and SW480中可检测到hedgehog通路成员及蛋白的表达[8]。大肠癌组织中Shh、Gli1及下游靶基因FOX M1、PDGFR α mRNA及蛋白表达高于正常肠道上皮细胞[3,9-11],这些研究结果均提示hedgehog通路与大肠癌之间存在相关性。外源给予HT-29及CaCo2大肠癌细胞系Shh可以促进大肠癌细胞增殖,同时加入抗Shh抗体时其促进大肠癌细胞增殖作用消失。Hedgehog通路阻断剂cyclopamine可抑制多种大肠腺瘤及大肠癌细胞系如HT-29的增殖,诱导细胞凋亡。外源性Shh可以部分逆转cyclopamine对细胞的抑制作用[9,10]。这些研究结果均提示HH通路对大肠癌细胞的增殖有促进作用。

但有研究结果显示HH通路成员在一些大肠癌细胞系中没有表达或仅有Gli表达,HH上游关键成员Smo抑制剂Cyclopamine作用于某些大肠癌细胞系后,对细胞的增殖无明显影响,因此这些研究认为HH通路并不参与大肠癌的发生、发展[12,13]。

随着HH通路研究的逐渐深入,推测这种矛盾结果的原因可能与以下因素有关:①部分无Shh、Smo表达的大肠癌细胞系或组织中,仍可检测到 Gli1的表达[12,13]。OSAMU[14]等研究包括大肠癌在内的多种肿瘤中,Wnt通路可以增强Gli1的转录后活性,对Gli1有旁路激活作用。Felicite K等[15]研究证实,Wnt可以上调Gli1 mRNA及蛋白质的表达,其机制是Wnt诱导产生mR NA结合蛋白CRD-BP(c-myc mRNA coding region determinant binding protein),CRD-BP和Gli1 mRNA结合后增强Gli1 mRNA稳定性,抑制其mRNA降解,增强Gli1转录后活性。由此可见在Wnt/β-catenin相关的大肠癌中,Hedgehog通路可被Wnt调控,后者使Gli1表达上调。②大肠癌组织、细胞系的异质性:不是所有的大肠癌的发展均受hedgehog通路的调控,hedgehog通路只参与一部分大肠癌细胞的发展。hedgehog通路在不同大肠癌细胞系中被激活的机制也不同,某些细胞系中是经典的激活途径,在另外一些细胞系中则与HH旁路激活有关。

2.2 2009年Warnat F等克服了以往关于Shh在大肠癌中作用研究仅针对少数几种细胞系而非原代大肠癌细胞及Shh成员在单细胞中定位不明确的不足,首次证实Shh通路与大肠癌相关。对40例原位或转移性大肠癌组织以及LS174T、HT29、Caco2大肠癌细胞系进行系统检测,结果表明①在大肠癌上皮细胞中及肝转移组织中Shh成员高表达,而大肠癌间质细胞中未检测到Shh成员表达,证明HH通路与大肠癌之间存在相关性 。②下调GLi1、GLi2、Smo的表达或环靶明处理可抑制人类原代大肠癌细胞或人大肠癌细胞系的增殖,促进细胞凋亡;干扰GLi3则对大肠癌细胞增殖无明显影响,反之,下调PTCH1或加入外源性GLI1后可促进大肠癌细胞的增殖,抑制细胞凋亡。将表达Gli1、shPTCH1的原代大肠癌细胞或细胞系种植于裸鼠皮下,与对照组(转染空载体)相比成瘤能力明显增强,而表达ShSmO、GLi3原代大肠癌细胞或细胞系种植于裸鼠皮下后,不能形成瘤块。上述体外实验及体内实验结果表明大肠癌在体内、外增殖存活有赖于HH通路的激活。③大肠癌细胞HT-29接种于裸鼠皮下后,待皮下形成肉眼可见瘤块,给予环靶明治疗至肿块消失后再分别给予5、10、20天,a.继续给药5天、10天组所有裸鼠均重新形成瘤块;b.继续给予环靶明20天组所有裸鼠1年后仍无复发,证实Hedegehog通路参与大肠癌复发。④在早期(TNM1、2)大肠癌组织中Gli1仅低表达,而进展期(TNM3、4)其表达明显增加。鼠尾静脉注射大肠癌细胞后,在肺部形成少量转移灶,注射表达Gli1、shPTCH1的大肠癌细胞肺部转移灶明显增多,而注射表达ShSmo的大肠癌细胞则不能形成肺转移灶,证明HH通路参与调控大肠癌的进展、转移。⑤以CD133(大肠癌干细胞表面标志抗原)为表面标志分选CD133+大肠癌干细胞,Gli1、Gli2在CD133+大肠癌干细胞中表达明显高于CD133-大肠癌细胞。干扰Smo表达后CD133+/CD133-细胞比例明显减少,反之,干扰PTCH1表达后CD133+/CD133-细胞比例明增多,表明Shh通路参与维持大肠癌干细胞的存活和自我更新。该研究为Shh在大肠癌的发生、发展、复发、转移中的作用提供了直接的证据[16]。

2.3 目前为止,Shh通路过度激活后通过哪些机制促进大肠癌的增殖、转移,研究还不十分透彻,但一些研究提出了可能的机制:

2.3.1 Shh过度激活后促进大肠癌增殖的机制 血小板衍生因子受体α(PDGFR α)已经被证实与肿瘤细胞的增殖和肿瘤血管形成有关[3]。Xie等研究显示PTCH1失活突变的基底细胞癌细胞系ASZ001重新表达PTCH1后,PDGFR α表达下调,细胞的DNA合成及增殖被抑制,提示上调PDGFR α表达是Shh通路促进肿瘤增殖的机制之一[17]。Gli高表达的大肠癌组织中也可检测到PDGFR α的表达,表明在大肠癌的发展中,也存在与基底细胞癌类似的机制,即Shh信号通路通过上调PDGFR α促进肿瘤细胞增殖和肿瘤血管形成[3]。

2.3.2 Shh通路过度激活后促进大肠癌细胞转移可能是诱导大肠癌上皮细胞发生上皮细胞间充质化(EMT),转染了能表达Gli1或shPTCH1载体的大肠癌细胞不但失去了上皮细胞形态,且高表达 EMT标志蛋白如 FOXC2、VIMENTN、SNAIL1、ZFHX1B[16]。

2.4 除了Shh信号通路,目前认为Ihh通路在大学肠癌中的作用主要是通过下调 TCF4-βcatenin复合物,对抗wnt通路从而刺激上皮细胞分化,抑制大肠癌细胞增殖[18,19]。

综上所述,HH是调节大肠癌发生、发展、复发、转移的重要信号痛路,其与其它通路存在交叉作用,深入了解HH信号通路的分子作用机制将为大肠癌的诊断、治疗及预后提供新的思路。

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