Hedgehog信号通路在非小细胞肺癌的研究进展

岳东升，孙冰生，王长利

Hedgehog信号通路在非小细胞肺癌的研究进展

岳东升，孙冰生，王长利

Hedgehog（Hh）信号转导通路与肿瘤的关系逐渐受到重视，该通路不但在胚胎时期的细胞分化、组织发育及器官形成中扮演重要角色，而且研究显示Hh信号通路在多种恶性肿瘤与细胞系中激活，包括肺癌、胰腺癌、基底细胞癌、乳腺癌等，参与肿瘤的增殖分化、细胞凋亡、血管新生、侵袭转移等过程，因此，Hh可能会成为肿瘤治疗一个新的靶点。非小细胞肺癌（NSCLC）目前发病率及死亡率均居恶性肿瘤首位，也是学者研究的热点，本文就Hedgehog在NSCLC中的研究进展作一综述。

Hedgehog；信号通路；非小细胞肺癌

Hedgehog(Hh)基因在1980年首先由Nussllein-Volhard和Wieschaus在筛选可能引起果蝇突变的基因时发现[1]。Hh信号通路在多种生理过程中起着关键作用，例如胚胎发育及维持成人机体内环境稳定等[2]。近年来多项研究显示Hh信号通路在多种恶性肿瘤与细胞系中激活，包括肺癌、胰腺癌、基底细胞癌、乳腺癌等，参与肿瘤的增殖分化、细胞凋亡、血管新生、侵袭转移等过程，提示异常激活的Hh信号通路在肿瘤发生、发展过程中起到重要作用。阻断肿瘤细胞中Hh信号传导通路可能为肿瘤治疗提供新靶点。

1　Hh信号通路组成

1.1Hh配体果蝇和其他无脊椎动物中只有一种Hh基因，而在哺乳动物中，Hh家族包括三个同源基因：Sonic hedgehog（Shh）、Desert hedgehog（Dhh）和Indian hedgehog（Ihh），分别编码具有自我催化能力的Shh、Dhh和Ihh糖蛋白，而Hh信号传导源于这种自我催化反应。Shh在神经系统、皮肤、消化道中广泛表达，Ihh主要在骨、软骨、消化道、胰腺中表达，Dhh主要在生殖腺中表达，也在外周神经和胰腺中表达[3]。Hh蛋白属于高度保守的分泌性糖蛋白，分子量约45 kDa。Hh蛋白家族成员由两个结构域组成：20 kDa的氨基端(Hh-N)结构域和25 kDa的羧基端(Hh-C)结构域，Hh-N具有Hh配体的全部信号传递功能，Hh-C具有自身蛋白水解酶活性及胆固醇转移酶功能。Hh前体蛋白在内质网中通过自身催化分裂成Hh-N片段及Hh-C片段两部分，其中Hh-C共价结合胆固醇分子，并将其转移到Hh-N的氨基端，随后在酰基转移酶作用下发生棕榈酰化，通过这些翻译后的修饰过程，最后才变成具有信号转导功能的成熟功能蛋白[4]。

1.2跨膜糖蛋白Ptch和Smo在靶细胞膜上有两种主要的Hh下游跨膜受体Ptch和Smo，均为跨膜糖蛋白。Ptch是一种12跨膜蛋白，有2个细胞外结合域和1个细胞内结合域，具有结合Hh配体和抑制Smo的2种功能。人类有两种Ptch同源基因，Ptchl和Ptch2。而Smo是一种7跨膜蛋白，属于G蛋白偶联受体超家族成员，负责细胞内信号传导和靶基因的激活，Smo的活性对于果蝇和脊椎动物中Hh信号是必须的。Ptch是Hh转导途径的负调控因子，当Ptch1与Hh配体结合后，就可以将Smo从抑制状态释放，进而引发Hh信号级联反应[5-6]。与Ptch1结合的Hh配体数量受到一些Hh结合蛋白的严密调控，保证整个信号通路的适度活性。

1.3核转录因子GliHedgehog信号通路的胞内信号分子为Gli蛋白家族，Gli蛋白是分子量较大的多功能转录因子，定位于细胞核和细胞浆，将信号传送至核内。该蛋白家族成员只有在维持全长时才具有转录激活因子的功能，启动下游靶基因的转录；当羧基端被蛋白酶体水解后，就形成了转录抑制因子，抑制下游靶基因的转录[7]。果蝇只有一种核转录因子，为Gli的同源基因；脊椎动物中已鉴定出3个成员，分别为Glil、Gli2和Gli3，其中Gli和Gli2是Hh通路激活因子，而Gli3具备激活和抑制的双向功能，但主要是转录抑制因子[8]，个别情况下以激活因子存在来调节生长发育。由于Gli1既是Hh通路的激活因子，也是该通路激活的靶基因，因此将检测Gli1表达作为Hh通路是否激活的标志。

1.4下游靶基因Hh信号通路下游靶基因包括通路成员Ptchl、Glil以及调控细胞增殖、控制细胞命运的基因，包括CyclinD、CyclinE[9]、P21[10]、FOX[11]、EMX2[12]等，这些靶基因产物在Hh信号通路的调控、正常胚胎发育和分化中起着重要作用，包括促进或抑制细胞增殖、细胞凋亡、干细胞分化等。

2　Hh信号通路的转导途径及调控

在整个Hh通路信号转导过程中，各个环节都受到严格的调控。Hh通过正负反馈调节靶基因的表达，组成一个复杂的信号转导网络，调节胚胎发育、成体组织内环境稳态。在胚胎期Hh信号通路的异常会造成多种严重的生长缺陷，而成年期异常激活则导致多种肿瘤生成[13]。

在缺乏Hh配体时，Ptch释放一些小分子，与Smo结合并抑制Smo的活性，Gli与一些体节极性蛋白，如Fu、cos2及Su（Fu）结合，在微管上形成复合物，被蛋白酶水解并释放出转录抑制蛋白，以非全长的形式发挥转录抑制因子功能；一旦Hh配体存在时，Hh便与Ptch结合，解除了Ptch对Smo的抑制作用，Smo将Hh信号向细胞质内传递，使cos2和Fu过度磷酸化，导致复合物从微管上解离，激活转录因子Gli，使其以全长形式转入核内引起靶基因的转录[3,14]。在整个信号转导通路中，Hh蛋白是启动因子，Ptch蛋白是效应细胞膜表面直接接受Hh信号的受体，Smo蛋白是信号转换器，Gli蛋白则是转录效应器。Hh、Smo、Gli作为激动因子，发挥正调节作用；Ptch作为抑制因子，发挥负调节作用。

3　Hh通路在肿瘤中异常激活的方式

正常情况下Hh信号通路在胚胎发育成熟后，进入失活状态，Smo蛋白的活性被抑制。但若该信号通路中Hh蛋白异常表达、Smo蛋白的抑制效应被解除，导致Hh信号通路的异常激活，Gli蛋白发挥转录激活因子功能，触发下游靶基因表达，引起细胞过度增殖，最终将导致肿瘤的发生。研究发现多种肿瘤组织中，包括肺癌、乳腺癌等都存在着Hh信号通路的异常激活[15-16]。

在肿瘤中存在三种Hh信号通路异常激活的方式。第一种为Hh信号通路成员（Path1或Smo）基因突变，导致Hh信号通路的异常激活。Path1功能丧失性突变见于单发基底细胞癌、乳腺癌等[17]，而Smo功能激活性突变在肝癌中被发现[18]。第二种为自分泌型，即Hh配体既由肿瘤细胞分泌又作用于肿瘤细胞自身。第三种为旁分泌型，分为两种亚型。一种是肿瘤细胞分泌Hh配体后，作用于间质细胞，间质细胞通过其他通路再反作用于肿瘤细胞；另一种为肿瘤间质细胞分泌Hh配体后，作用于肿瘤细胞。这种肿瘤细胞与周围间质复杂的相互作用为肿瘤细胞的生长增殖创造了有利的微环境。

4　Hh信号通路在正常肺发育中的作用

正常胎肺是由内胚层管外突至外周间质而发育形成。哺乳动物Hh信号通路配体Shh将信号转导给毗邻的肺间质，介导胎肺发育时期上皮-间质的相互作用[19]。Shh及其通路的其他成员功能丢失将导致严重的支气管和肺形成缺陷[20-21]，在正常小鼠胎肺模型发育期即肺内胚层均检测到了Shh表达增加，而Shh减少的小鼠胎肺肺芽发育明显延迟，喉气管食管隔不能建立，而且左右肺分叶形成受阻。动物怀孕早期服用抑制Hh信号通路的植物碱cyclopamine，导致子代出现多种发育畸形，包括异常的肺发育等[22]。这表明Hh信号通路是气管和肺形成发育过程中必不可少的，胚胎期Hh信号通路成员的突变或异常表达与胎肺的发育畸形密切相关。

5　Hh信号通路与非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer,NSCLC）

吸烟是引起肺癌的罪魁祸首，烟雾中的有害物质使呼吸道上皮反复损伤修复。Lemjabbar-Alaoui等[23]研究显示烟雾暴露激活支气管上皮的Hh信号通路，且该通路的激活与细胞生长和裸鼠肿瘤形成的阶段一致。对烟草暴露产生恶性肿瘤的裸鼠用Hh通路抑制剂处理后，肿瘤明显消退。这提示吸烟导致的Hh通路异常激活是吸烟诱导肺癌发生过程中的关键步骤，但具体机制还有待于进一步的研究证实。

Hh信号通路在NSCLC的研究目前相对较少，表达状况尚不确定，且存在较大争议。Yuan等[24]证实在大多数不同亚型的NSCLC细胞系通过自分泌途径阳性表达Hh，而且阳性表达下游转录因子Gli1。当把Gli1敲除后，这些细胞系开始变得对Hh信号通路抑制剂敏感，这说明NSCLC可能存在其他的Hh信号通路异常激活模式，比如通过旁旁分泌将信号转导给下游的转录因子Gli，代偿了药物对通路的抑制作用，使细胞继续生长增殖，其机制有待明确。同时该研究在NSCLC组织标本中进行验证，也证实大部分均阳性表达Gli1。Gialmanidis等[25]分析80例NSCLC患者标本中Hh信号通路分子的表达状况，与癌旁组织相比，所有Hh信号分子均高表达，再一次证实了Hh信号通路在大多数NSCLC中被广泛激活。行相关性分析结果显示，在肺鳞癌中Path1和Smo明显高表达，Path1在低分级（高分化）肿瘤高表达，而Smo的表达则与淋巴结转移相关，Hh下游的FOXM1的过表达与Path1、Smo及Gli1的表达明显相关。而Chi等[26]检测到84.2%的NSCLC肿瘤组织Shh阳性表达，但仅10.5%有Ptch/Gli表达。如前所述，Gli1表达作为Hh通路是否激活的标志，即该项研究显示仅10%的NSCLC有Hh信号通路激活。

我们的研究证实，Hh/Gli1信号通路在肺鳞癌组织中异常激活，在177例肺鳞癌患者中，90%以上的患者阳性表达Shh，其下游的Smo、Ptch及Gli的阳性率在53%～61%之间，且Gli1的表达与肺鳞癌患者的复发转移明显相关。进一步细胞学研究发现，使用Hh/Gli1通路抑制剂处理肺鳞癌细胞H1703和H2170后，细胞的迁移和侵袭能力均明显受抑；相反，在加入重组Shh蛋白后，细胞的迁移和侵袭能力均明显增强，这强烈提示Hh/Gli1信号通路激活与肿瘤的迁移、侵袭能力相关。因此，深入研究Hh/Gli1通路在肺鳞癌侵袭转移过程中的作用及机制，将进一步揭示肺鳞癌侵袭转移的相关机制，为肿瘤转移防治提供新的思路和靶点[27]。另外Jiang等的研究[28]也证实阻断Hh信号通路蛋白Shh能够抑制肿瘤生长、侵袭转移，可能为肺鳞癌治疗提供新的治疗靶点。

目前更多研究集中在Hh信号通路下游的靶基因上，Shi等[29]证实在肺鳞癌中Gli2明显上调，并且其下游的多个靶基因差异表达。也有研究显示包括血小板衍生生长因子受体α（PDGFRα）、Rab23、TGF-β1、ALDH1A1等在内的Hh通路多个下游基因差异表达[30-32]，以上研究仍停留在蛋白层面上分析肺癌中Hh信号通路的激活，而对Hh信号通路在NSCLC的异常激活方式、浸润转移机制、上皮间质转化作用等领域的研究尚未大范围开展。

6　问题及展望

Hh信号通路可在NSCLC中异常激活，而且可能与NSCLC的发生发展、浸润转移都存在密切关系。到目前为止，Hh信号通路配体的合成加工、释放、运输以及在受体细胞的信号转导机制研究的已比较清楚，但在NSCLC的确切作用机制仍然不是很清楚，包括Hh通路的异常激活方式，在上皮间质转化的相互作用，在肺癌的浸润转移过程中真正发挥作用的下游靶基因，与NSCLC耐药的关系，以及与肺癌其他重要信号通路的相互关系等等。这些问题仍摆在我们面前，需要进一步研究来解决。只有从上述层面突破，才能更加充分的研究、利用Hh信号通路，实现基础研究向临床应用的转化，最终使其在NSCLC的靶向治疗及耐药中发挥积极作用。

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（收稿：2015-06-06修回：2015-07-26）

（责任编辑李志刚屈振亮）

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