Gli1的活化与肿瘤发展的相关性研究进展

刘 奇 综述,范娅涵 审校

(陆军军医大学第一附属医院输血科，重庆 400038)

Gli(glioma-associated oncogene homolog)家族在哺乳动物中有3 种同源亚型基因(Gli1、Gli2、Gli3)，均是锌指结构的蛋白转录因子，锌指间由组氨酸、半胱氨酸连接，定位在人类12号染色体q13.2～13.3[1]。在胚胎发育过程中，Gli1蛋白在细胞核和细胞质中均有表达，Gli1可以激活Hh(hedgehog)信号通路的下游靶基因,促进细胞的增殖和分化,影响胚胎的发育[2]。在肿瘤中，Gli1作为一个促癌基因，在大多数的肿瘤细胞和肿瘤组织中的表达显著升高。此外在Gli家族中，Gli1是唯一需要全长入核才能发挥功能的转录因子。但目前关于Gli1在肿瘤中的调控机制还不十分完善。本文聚焦Gli1在肿瘤发展中的分子机制研究。Gli1在胰腺癌、肝癌、肺癌、鳞状细胞癌等中都异常激活[3]，与基质金属蛋白酶9(MMP9)[4]、黏蛋白(MUC5AC)[5]、再生基因Ⅳ(RegⅣ)[6]、甲基转移酶(DNMT)[7]、微囊蛋白1(caveolin-1)[8]、蛋白激酶B(AKT)[9]、腺嘌呤核苷三磷酸结合转运蛋白G超家族成员2抗体(ABCG2)[10]等癌基因相互作用调控各种癌症的发展。特别是近年来越来越多的研究除了把Gli1作为Hh信号通路活化的标志，还重点关注Gli1在其他信号通路中所发挥的关键作用。

1 Gli1与Hh信号通路

Hh信号通路在胚胎发育阶段扮演了重要角色，异常激活的Hh信号通路与人类的多种肿瘤密切相关。Hh的同源基因包括Sonic Hh(SHh)、Desert Hh(DHh)和Indian Hh(IHh)，分别编码Shh、Dhh和Ihh蛋白[11]。Hh蛋白必须经过特定的翻译后修饰才能获得蛋白活性功能[12-13]。Hh信号激活受到靶细胞膜上两种受体Ptched(Ptc)和Smothened(Smo)及Gli1的严密控制，Hh信号通路能否发挥功能取决于Gli1能否全长入核。受体Ptc由肿瘤抑制基因Ptched编码，是由12个跨膜区的单一肽链组成，可以与Hh配体直接结合，对Hh信号起负调控作用。原癌基因Smot编码受体Smo，对Hh信号起正调控作用[14]。具体来说，在细胞缺失Hh配体的情况下，Ptc抑制Smo蛋白活性，导致Smo失活，Gli2和Gli3被蛋白激酶A(PKA)磷酸化与糖原合成激酶3β(GSK3β)形成一个能和β-转导重复相容蛋白(β-TrCP)结合的位点。随后Gli/β-TrCP复合物被泛素化降解形成转录抑制物Gli2R和Gli3R，转位入核后抑制Hh靶基因的转录[15]。但是当Hh配体存在时，Ptc和Hh结合后，Ptc就不能够再抑制Smo的蛋白活性，Smo被激活，并在初级纤毛膜处Smo与β抑制蛋白2(Arrb2)和驱动蛋白Kif3a共同作用促进全长且具有转录活性的Gli1蛋白从Sufu游离出来，使Gli1不被蛋白酶水解降解，从而全长入核发挥功能[16]。此外Hh-Gli1通路可以诱导Ptc的转录，形成负反馈的调控环。纵观在Hh信号通路功能调节中,实质上是对核转录因子Gli1的功能活性的调节进而控制下游基因转录活性的变化。

2 Gli1在多种肿瘤中异常活化

胰腺癌被认为是最为致命的疾病之一，生存率非常低。在所有的胰腺癌患者中几乎都可以检测到鼠类肉瘤病毒癌基因(KRAS)基因的突变，而KRAS被认为是Gli1的一个活化剂[17]。此外Gli1调控许多的致癌基因促进胰腺癌的发生，其中包括MUC5AC，其被认为是胰腺癌预后差的重要指标，INAGUMA等[5]研究发现Gli1可以直接结合在MUC5AC的启动子区，调控MUC5AC的表达，影响肿瘤的侵袭、转移；在胰腺癌中另一个比较重要的Gli1靶基因是RegⅣ，RegⅣ与肿瘤细胞的增殖、侵袭、转移及凋亡等密切相关，WANG等[6]通过免疫组织化学、Western blot等实验发现在胰腺癌组织和细胞中Gli1与RegⅣ的表达均显著升高且呈正相关,染色质免疫共沉淀(CHIP)和凝胶迁移实验(EMSA)检测显示Gli1蛋白可以与RegⅣ启动子区5-′GAT CAT CCA-3′结合。HE等[7]研究表明在胰腺癌组织中Gli1和DNA甲基转移酶(Dnmt)的表达显著高于正常组织，芯片分析显示Gli1蛋白可以与Dnmt1结合。此外Gli1促进转化生长因子-β1(TGF-β1)的表达，调节β-连环蛋白(β-catenin)和E-钙黏蛋白(E-cadherin)从而促进胰腺癌细胞的侵袭、转移，并且Gli1与Wnt2B、白细胞介素6(Interleukin-6)、信号转导与转录激活因子3(STAT3)也存在相互调控作用[18-19]。在肝癌中,CHEN等[20]通过RNA干扰技术在7721和SK-Hep1细胞系中干扰Gli1，结果发现细胞的侵袭、转移能力明显降低，此外，Gli1的下调显著降低了基质金属蛋白酶-2(MMP-2)和MMP-9的表达和活性。组蛋白乙酰转移酶(PCAF)是真核细胞内一种重要的组蛋白乙酰转移酶，GAI等[21]发现在细胞质中Gli1蛋白的518处亮氨酸可以被PCAF乙酰化，从而阻止Gli1的入核，进一步实验发现Gli1可以促进B淋巴细胞瘤-2(Bcl-2)的表达，抑制Gli1又可以影响PCAF在肝癌增值方面的效果，具体的分子机制还有待更深入的研究。LU等[22]发现Gli1可以通过调控ERK信号通路的活性来影响MMP-9的表达，促进肝癌的发生。GAI等[8]研究表明小窝蛋白-1(caveolin-1)可以与Gli1相互作用影响肝癌的侵袭、转移能力，但具体的机制有待更深入的剖析。蟾毒灵(bufalin)是传统中药蟾酥成分中的蟾毒配基之一，SHENG等[23]实验表明蟾毒灵可以影响肝癌细胞中Gli1的活性，抑制Gli1靶基因的表达，显著降低肝癌细胞的恶性生物学行为[24]。在肺癌中，Gli1可以与ww45相互作用，促进Gli1的泛素化，抑制Gli1的靶基因表达。肿瘤干细胞(CSCs)是一群在肿瘤组织中数量极少，但具有自我更新能力，以及具有使肿瘤细胞产生异质性能力的细胞，CHANG等[25]研究发现在非小细胞肺癌(NSCLC)和小细胞肺癌(SCLC)中三氧化二砷可以抑制Gli1的活性，抑制肺癌的增值，减少CSCs表面标志物CD133和干细胞转录因子(SOX2，OCT4)的表达。在鳞状细胞癌中，Gli1可以促进血管内皮生长因子(VEGF)的表达从而提升细胞的侵袭、转移能力。在弥漫性大B细胞淋巴瘤(DLBCL)中，SINGH等[10]研究发现ATP结合盒超家族G家族第2个成员(ABCG2)是Gli1的直接靶基因，并且Gli1可以通过调节ABCG2的活性进而影响肿瘤的化学耐药，AGARWAL等[9]研究发现Gli1可以影响AKT的活性，Gli1有助于弥漫性大B细胞淋巴瘤的生存。近年来在Gli1的靶基因研究中，其中与细胞周期调节有关的基因有细胞周期蛋白D1/2(cyclin D1/2)；增殖相关的基因有血小板衍生生长因子受体(PDGFR)、C-myc癌基因；细胞凋亡基因Bcl-2；与血管生成相关的VEGF、促血管生成素1/2(ANG1/2)；上皮细胞间质转化相关基因MMP-9、snail和自我更新及干性维持的基因NANOG、SOX2。此外Gli1可能参与了Wnt、Ras、CtBP2、Nothc、TGF等信号通路的调控，影响肿瘤的发生发展[15]。

3 Gli1与人端粒酶反转录酶(human telomerase reverse enzyme,hTERT)

hTERT是端粒酶的一个亚单位，其表达直接决定了端粒酶的活性，并决定了细胞的复制能力。在良性细胞中，外源性的过表达或者干扰Gli1不会影响hTERT的表达，但是在结直肠癌、前列腺癌、胶质瘤细胞中，通过基因干扰技术或者药理抑制Gli1都可以抑制hTERT的表达，此外有研究报道Gli1可以直接结合在hTERT的启动子区从而调控hTERT的表达[26]。在胃癌组织中hTERT与Gli1的表达呈显著正相关，通过构建hTERT的过表达质粒并转染到胃癌细胞7901中，结果发现Gli1的mRNA和蛋白水平显著升高。双荧光素酶实验发现hTERT可以促进Gli1的启动子区的活性，提示hTERT可能是通过转录水平调控Gli1的表达，此外抑制Gli1的表达可以降低胃癌细胞的侵袭、转移能力[27]。

4 Gli1与表皮细胞间质转化(EMT)

肿瘤细胞在发生侵袭转移的过程中一个非常重要的特征就是EMT，经历EMT的细胞侵袭转移能力明显增强。有研究报道Gli1与EMT存在着非常重要的关系，过表达Gli1可以促进细胞发生EMT。此外在多种癌症细胞中，无论是干扰还是过表达Gli1,通过Western blot实验都可以观察到波形蛋白(vimentin)，E-cadherin、N-cadherin、β-catenin、twist等的表达也发生相应变化[28-31]。但是Gli1是如何调控EMT的分子机制还是有待更深入的研究，Snail1是公认的调控EMT的一个非常重要的转录因子，Snail1可以与CtBP2相互作用促进肿瘤的侵袭、转移，并有研究报道Gli1可以结合在CtBP2的启动子区促进CtBP2表达[31]。E-cadherin蛋白的缺失导致β-catenin的入核增加从而诱发细胞的侵袭、转移，β-catenin是Wnt信号通路中非常重要的成员，在大多数的恶性肿瘤组织中都发现β-catenin和Gli1的高表达,并且在子宫内膜癌中Gli1可以促进β-catenin的表达[32-33]。在卵巢癌中，过表达Gli1可以促进细胞的转移，在裸鼠中，注射过表达Gli1的卵巢癌细胞能够促进肝转移和新陈代谢[34]。基因芯片分析发现Gli1调控肿瘤侵袭转移的潜在因子可能包括TGF-β1、Ras、Wnt，(PI3K)/AKT、四跨膜蛋白超家族(TM4SF)、重组人S100钙结合蛋白A4(S100A4)[27]。但是在永生化细胞中过表达Gli1可以减少表皮生长因子受体(EGFR)的表达、抑制细胞外ERK的活性，不能诱发EMT[35]。为何会存在这种差异有待更深入的探索。

5 小结与展望

Gli1作为核转录因子，在Hh信号通路活化的过程中发挥了极其关键的作用，并通过诱发EMT从而促进肿瘤的侵袭、转移。此外Gli1在肿瘤中通过与众多的致癌基因相互作用进而调控肿瘤的发生发展。但是Gli1在DNA损伤修复、细胞代谢、药物抵抗，肿瘤微环境等中的分子机制研究在将来的工作中有待进一步探索。尽管有研究支持在肿瘤干细胞治疗中靶向Gli1可以抑制肿瘤生长，改善肿瘤的耐药性，但是Gli1介导肿瘤干细胞的调控机制并不十分完善，还需要更深入的研究，并且目前临床上也还没有研究出针对Gli1很好的抑制剂，以及如何更好地将Gli1抑制剂和常规肿瘤治疗手段联合应用也需要更多研究去证实。因此对Gli1在肿瘤中的分子机制研究,可以帮助人们更好地理解Gli1在癌症中的复杂作用，可以使人们更好地掌握它的功能,从而为肿瘤的治疗提供更多的方案。