HHIP基因与COPD患者并发肺癌关系的研究进展

许靖，张舒，肖中，王海涛，蔡峰

(上海市第七人民医院 上海中医药大学附属第七人民医院呼吸内科，上海 200137)

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)和肺癌是吸烟人群最常见的慢性呼吸道疾病。近年来，我国COPD和肺癌的年发病率居高不下，目前COPD患者已达9 990万，20岁以上人群COPD的患病率达8.6%，2008—2018年，40岁以上人群COPD的患病率增长了67%，40岁以上人群COPD发病率已达10%；预计到2020年，COPD可能成为全球死亡的第三大原因[1]。研究表明，全世界每年新发肺癌约135万例，肺癌占所有恶性肿瘤的12%，自2008年起居恶性肿瘤发病率的首位，居男性恶性肿瘤的第一位，女性恶性肿瘤第二位[2]。近年来，肺癌每年死亡人数超过100万，虽然靶向药物和免疫治疗已应用于恶性肿瘤的治疗，但肺癌的发病率和病死率仍较高；且COPD患者肺癌的发病率明显升高，50%～80%的肺癌患者有明确的COPD病史[3]。目前COPD患者并发肺癌的机制尚不清楚。全基因组关联研究表明，染色体位点15q25、4q31和6q31在有吸烟史肺癌及COPD患者的疾病筛查中显著重复[4-6]。可见，在染色体位点15q25、4q31和6q31编码的基因可能是肺癌和COPD共发生的候选基因，染色体位点15q25编码的烟碱型乙酰胆碱受体基因、染色体位点4q31编码的Hedgehog相互作用蛋白(Hedgehog-interacting protein，HHIP)和血型糖蛋白A基因是研究较多的与COPD患者肺癌相关的候选基因[7]。其中，HHIP基因作为Hedgehog(Hh)信号通路的关键调解因子成为COPD并发肺癌关系的研究热点。现就HHIP基因与COPD患者并发肺癌关系的研究进展予以综述。

1 Hh信号通路及HHIP基因的生理作用

Hh信号通路是多种脏器生长发育的重要信号通路。对果蝇胚胎Hh信号通路的研究表明，Hh信号通路参与了胃肠道、肺等多个脏器的组织发生及损伤后修复等病理生理过程[8]。Hh信号通路在胚胎期果蝇胃肠道、肺组织均明显表达；对于内胚层来源的组织，Hh信号通路在相关组织发育及分化过程中起关键作用。研究证实，哺乳动物的Hh信号通路由分泌性蛋白Hh因子3种Shh配体(Shh、Dhh、Ihh)、2个跨膜受体[含12个跨膜结构域的膜蛋白受体Ptch(patched)以及Smo(Smoothen，含1个7次跨膜结构域，属于G蛋白偶联受体FZ SMO超家族成员)]和3个转录因子(Glil、Gli2、Gli3和下游的靶基因)组成[9]。当Hh蛋白低表达或沉默时，膜蛋白受体Ptch抑制Smo，此时Gli-3与SuFu在细胞质内形成复合物，同时SuFu促进Gli-3水解，从而抑制Gli-l和Ptch的Hh信号通路中目的基因的表达。当Hh蛋白与Ptch结合时，Ptch对Smo的抑制作用被解除，并经过一系列反应引发下游事件[10-11]，因此Gli-1表达被认为是Hh信号通路激活的标志。

Hh蛋白激活HHIP基因的表达，进而反馈抑制Hh信号通路的活性。激活的HHIP基因生成相应HHIP蛋白，与Hh信号通路中分泌性蛋白因子Hh因子结合，导致Hh因子无法与Rtch结合并失活[12]。此负反馈调节机制是组织正常发育所必需，如哺乳动物肺组织发育过程中，通过Hh信号通路反馈激活HHIP蛋白，HHIP蛋白与Shh蛋白结合可抑制Hh信号通路的活化，当Hh信号通路表达受到抑制，成纤维细胞生长因子及Wnt等信号通路出现表达，进一步诱导肺芽形成[13]。动物实验表明，HHIP基因干扰小鼠支气管分支和肺泡上皮分化出现明显的形态改变和肺组织发育不全；敲除HHIP基因小鼠的Hh信号通路持续活化，小鼠出生后因肺发育不全导致呼吸窘迫而死亡[14]。

2 COPD患者发生肺癌的关键分子学机制

Hh信号通路持续异常活化可能是COPD患者发生肺癌的关键分子学机制。COPD患者往往存在吸烟史，甚至是长期吸烟史。COPD患者吸烟过程中所产生的尼古丁等多种有害物质可通过局部炎症反应破坏呼吸道上皮的防御机制，进而损伤呼吸道上皮，导致Hh信号通路再次被激活。有学者认为，Hh信号通路再激活与尼古丁等有害物质对气道上皮产生损伤的免疫应答相关[15]。激活的Hh信号通路通过调控呼吸道上皮干细胞及祖细胞的定向分化使再生的肺间质细胞分化为平滑肌细胞和呼吸道上皮细胞，促进呼吸道受损上皮的完整修复[16-17]。和胚胎发育期一样，Hh信号通路可被其激活的HHIP基因表达产物负反馈调控，若HHIP基因异常表达下调，可能导致Hh信号通路负反馈机制异常，使上述分化过程失调，导致呼吸道上皮细胞分化缺陷，从而进一步加重气道重构及肺泡结构破坏。研究发现，HHIP基因下调小鼠出生后，其小肠上皮呈泛平滑肌化[18]。小气道泛平滑肌化可能影响气道平滑肌的厚度，可在一定程度上引起气流受限，进而导致肺组织结构塌陷引起肺通气功能障碍。Zhou等[19]对COPD患者肺组织与正常肺功能吸烟者肺组织中的HHIP基因表达水平进行研究发现，COPD患者肺组织信使RNA(messenger RNA,mRNA)和蛋白的表达水平均较后者显著降低。

若Hh信号通路持续处于激活状态，将出现Shh、Glil及Gli2过度表达，细胞增殖紊乱进一步加重，甚至可能导致恶性肿瘤的发生[20]。上皮细胞中再激活的Hh信号通路需要HHIP基因的负反馈抑制。Hh信号通路的异常持续活化及HHIP表达下调与包括肺癌在内的多种恶性肿瘤相关，约1/3的人类肿瘤需要Hh信号通路的活化来维持肿瘤细胞的生存活性[20]。研究表明，肺癌患者手术切除组织可检测到Hh信号通路中Shh和Glil的异常高表达[21]。进一步研究发现，肺癌组织中HHIP基因出现不同程度的表达下调，提示无论何种原因引起的HHIP基因反馈抑制Hh信号通路活化功能缺失均可导致Hh信号通路持续活化，这可能是肺癌细胞不断增殖、生长的主要原因之一[20]。Shh抗体可阻断Hh信号通路的持续活化，抑制肿瘤细胞生长，促进其凋亡[22]。研究发现，HHIP基因在肺癌、胃癌、结直肠癌、胰腺癌、肝癌、乳腺癌、前列腺癌等癌组织中均有不同程度的表达下调或沉默，故推测HHIP基因表达下调进而负反馈抑制Hh信号通路持续活化是导致COPD患者肺癌发生的重要分子学基础之一[23]。

3 COPD患者HHIP基因表达下调的可能原因

多种原因可导致COPD患者HHIP基因表达下调，如HHIP基因本身转录减少、HHIP基因中增强转录活性的蛋白下调、抑制HHIP基因作用的蛋白增加，若涉及表观遗传学则可能与HHIP基因启动子附近甲基化增加，或基因附近组蛋白的甲基化乙酰基化改变，或外源物质在基因或启动子区与结合抑制蛋白结合等有关。

3.1HHIP基因的单核苷酸多态性(single-nucleotide polymorphism，SNP)变化 SNP是指个体基因组内某一特定核苷酸位置序列上单个碱基的转换、颠倒等现象，可导致COPD患者HHIP基因表达下调，引发肺癌。研究发现，约20%的COPD患者罹患肺癌[3]。目前，尚无研究证实COPD患者的HHIP基因存在重大突变。不同遗传学背景COPD患者的肺癌发生风险存在差异，而SNP是影响疾病发生发展的最常见的个体遗传学因素之一。Wang等[24]发现，6p21.1、9p21.3和12q13.13的SNP位点rs7741164、rs72658409和rs11610143与亚洲非吸烟女性肺癌易感性相关。

有研究表明，HHIP基因位点rs1489759与COPD患者发生肺癌的关系密切[25]。但不同种族人群的遗传背景存在较大差异，因此对不同种族人群的相关重复研究具有重要意义。一项对1 017例中国汉族COPD患者的研究显示，HHIP基因多态性位点rs768942纯合子基因型的COPD患者发生肺癌的风险显著降低，而欧美COPD患者内含子位点rs1489759在汉族人群的研究中却未见与肺癌发生有关联性[26]。

内含子含有核仁小RNA和微RNA等多种非编码RNA，还有参与基因转录、mRNA加工和蛋白质空间结构等表达的调控元件[27-30]。多种疾病的发生、发展与内含子突变密切相关，如突变发生在内含子与外显子交界(即GU或AG)，则有可能导致内含子剪切异常，进而导致外显子的缺失或突变，从而引起相关疾病[31-32]。发生于内含子中间序列的突变可能通过激活隐性剪切位点影响外显子的剪切，导致疾病。研究表明，细胞色素P450 IA2基因的高诱导性及靶向性与该基因第1个内含子中的C/A多态性密切相关[33]。真核生物mRNA内含子对基因表达的调控不仅发生在前体RNA的剪接阶段，还可发生在转录、RNA编辑、mRNA出核运输、mRNA翻译和无义衰变等过程中[34-35]。另有研究表明，对于本身不含内含子或不需要内含子参与表达的基因，若其mRNA内出现内含子，则转基因生物的基因表达效率明显提高[36-37]。目前，对于HHIP基因SNP与COPD患者肺癌发生的关联性尚缺乏细胞学研究的进一步论证。

3.2HHIP基因DNA启动子区的异常高甲基化 COPD患者HHIP基因DNA启动子区的异常高甲基化导致其表达下调或沉默。有研究表明，与癌旁组织相比，合并COPD史的非小细胞肺癌患者肿瘤组织中HHIP基因启动子区呈现显著高甲基化；此外，患者肿瘤组织中HHIP基因表达显著低于癌旁组织，Hh信号通路异常活化，提示COPD并发非小细胞肺癌患者HHIP基因启动子区的高甲基化可导致HHIP基因表达下调或沉默，进而导致Hh信号通路的异常活化，最终导致肿瘤的发生、发展[21]。DNA甲基化是基因表观遗传学修饰的重要方式之一，其指在DNA甲基化酶的作用下，胞嘧啶(C)5位碳原子上加入一甲基基团而成为5-甲基胞嘧啶(5-mC)的过程。在哺乳类生物基因组中，存在5%～10%的CpG岛，其中70%～80%是mCpG，CpG二核苷酸的聚集称为CpG岛，主要位于异染色质区，呈高度甲基化，基因组中约50%的基因调控区存在CpG岛[38-39]。在胃肠道肿瘤中，HHIP基因启动子区也呈明显高甲基化，且Hh信号通路异常活化。在各种恶性肿瘤中，多种抑癌基因(Rb、VH-L、p16、p15等)启动子区呈明显高甲基化状态，且表达下调甚至沉默。将以上抑癌基因去甲基化，其表达恢复，并可导致恶性肿瘤的表型逆转。正常细胞导入外源性DNA甲基转移酶基因后可出现恶性肿瘤倾向[40-41]。但目前尚缺乏对肺癌细胞细胞层面HHIP甲基化的相关研究，仍有待进一步研究。

4 HHIP基因与COPD患者并发肺癌关系的相关研究

目前，缺乏HHIP基因与COPD患者并发肺癌相关的确切依据，在非小细胞肺癌的相关研究中，关于 HHIP基因及Hh信号通路与肺癌关系的研究结果仍存在矛盾。Watkins等[42]的研究表明，非小细胞肺癌组织中Hh信号通路的激活仅占非小细胞肺癌肿瘤组织及细胞系的10%左右，在多个非小细胞肺癌细胞系中均未检测到Hh信号通路的异常活化。Chi等[43]的研究发现，仅不到10%的非小细胞肺癌组织存在Hh信号通路的异常活化。Savani等[44]对42例非小细胞肺癌患者肺癌组织Hh信号通路因子Shh、Ptch1、Glil、Smo表达情况的研究发现，Shh、Ptch1、Glil和Smo在非小细胞肺癌组织中呈阴性或弱阳性表达，甚至较正常肺支气管组织上皮细胞中的表达更少。故认为Hh信号通路的致肺癌作用远远小于其在正常肺上皮组织生长发育中的作用。但Hh信号通路在非小细胞肺癌组织中存在异常活化，且较普遍。Yuan等[45]研究显示，Hh信号通路在非小细胞肺癌组织及其细胞系中均高度激活，有些肺癌细胞系对Hh抑制剂的敏感性较低，可能与Hh信号通路过度激活导致Hh抑制剂无法发挥作用有关；进一步采用RNA干扰技术下调GL1水平发现，使用Hh抑制剂即可显著抑制Hh信号通路的活化及肿瘤细胞的生长。Gialmanidis等[46]的研究亦显示，大多数非小细胞肺癌存在Hh信号通路的激活。可见，肺癌患者存在Hh信号通路的异常活化。

5 小 结

COPD并发肺癌患者存在HHIP基因表达下调及异常活化的Hh信号通路，但具体机制尚不清楚，可能与HHIP基因内含子的SNP变化及表观遗传学异常有关。HHIP基因及Hh信号通路在肺癌组织及细胞的研究结果仍存在矛盾，不同肺癌细胞系的研究结果仍有争议。目前国内外对HHIP基因的研究主要集中于胃癌及胰腺癌等消化道肿瘤，对其在肺癌发生发展中作用机制的研究较少，仍需要进一步研究。