近日节律与癌症研究进展#

2021-01-07应俊杰李世平屈艺

四川生理科学杂志 2021年2期

应俊杰李世平屈艺

（四川大学华西第二医院儿科/出生缺陷与相关妇儿疾病教育部重点实验室，四川成都，610041）

近日节律又称昼夜节律，具有24小时振荡模式，可调节机体包括睡眠、新陈代谢和细胞分裂在内的多种重要的生理过程和行为。近日节律的中枢位于下丘脑视交叉上核（Suprachiasmatic Nucleus，SCN），是核心生物钟的中央起搏器[1]。外周组织（如肝脏、肾脏、皮肤、小肠、肺、卵巢和心脏等）的细胞自身也存在节律性，形成外周节律。一方面，SCN与环境信号（如光照）同步，调控相关分子24小时的节律振荡；另一方面，SCN还通过神经和体液调节，同步外周节律系统，从而维持机体的生理稳态[2,3]。随着对近日节律的研究不断深入，研究者们发现近日节律与人类的很多疾病息息相关，其中就包括癌症[4-6]。

癌症是常见的死亡原因之一，全球每年约有1810万癌症新发病例及960万癌症死亡病例，中国癌症的发病率和死亡率均居世界首位，约占全球病例的五分之一[7]。因此，弄清癌症的发病机制，找到治疗癌症的有效方法一直以来都是世界医学研究的热点。肿瘤细胞具有异质性，在细胞增殖、转移、耐药性等方面特质各不相同，难以找到有效抑制所有肿瘤细胞的方法。因此，研究者们试图从近日节律等一些新的角度寻找抑制肿瘤的新方法。本文从近日节律的调控机制及其在癌症中的研究现状、治疗应用等方面进行综述，供癌症治疗相关研究提供参考。

1 近日节律调控的分子机制

SCN和外周组织的节律振荡受到细胞中节律基因和蛋白组成的转录-翻译负反馈环路（Transcription-translation feedback loop，TTFL）调控。核心生物钟蛋白CLOCK（Circadian locomotor output cycles protein kaput）和BMAL1（又称Aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator-like protein 1，ARNTL）形成异源二聚体，调控节律基因Per（Period）和Cry（Cryptochrome）的转录，CRY-PER二聚体又会从细胞质转移到细胞核，并抑制clock - bmal1驱动的E-box转录，从而形成了经典的负反馈环路[8]。随着研究的深入，研究者们对TTFL又进行了补充，即核受体REV-ERBa和视黄酸受体相关孤儿受体（Retinoic acid receptor–related orphan receptor alpha，RORA）组成的二级环路[5,6,8]。这两个环路通过影响染色质构象、组蛋白乙酰化和RNA聚合酶II进而调控许多基因转录的节律。目前的研究发现，在人类和小鼠中，50 - 80%的蛋白质编码基因都受到了节律基因的调控。此外，节律基因还调控了一些影响细胞分裂的关键基因，节律基因紊乱就会导致细胞分裂失调，有可能引起肿瘤发生[9]。

2 近日节律在癌症中的作用机制研究

流行病学研究表明，昼夜节律紊乱（如时差反应、轮班工作、睡眠中断等）与癌症风险增加有关[10-13]。此外，节律紊乱会影响癌症的治疗效果，并与癌症早期死亡率相关[14,15]，但具体机制尚未研究清楚。现阶段，研究者们主要从肿瘤细胞中的节律基因表达谱、近日节律与细胞分化及近日节律与新陈代谢关系这三个方面探究近日节律在肿瘤发生发展中可能的作用机制。

2.1 肿瘤细胞中节律基因表达谱变化

研究发现，在结肠直肠癌样本中，癌细胞的节律基因表达异常，并且不再有明显的节律振荡[16]；而乳腺癌样本中的节律性转录本数量则大大低于正常乳腺组织[17]，说明乳腺癌细胞中基因表达的节律遭到显著破坏。此外，多种人类癌症样本的转录组数据的meta分析结果显示，多种节律基因表达异常广泛存在于各类癌症样本中[18-20]。可见，与正常组织相比，肿瘤细胞中的节律基因表达受到干预，生物钟功能被破坏。研究者推测这些被破坏的生物钟调节分子，很有可能也具有肿瘤抑制因子的功能[21,22]。更有意思的是，节律基因表达异常的程度似乎与各种癌症的分期或侵袭程度密切相关，例如三阴性乳腺癌（一种具有高转移率的侵袭性肿瘤）比其他乳腺癌具有更明显的节律基因异常表达情况[23]。

既然肿瘤细胞中节律基因的表达谱发生改变，那么就有可能通过调控核心节律基因表达来抑制肿瘤。研究发现，过表达BMAL1可以减弱人类肝细胞癌、骨肉瘤、结肠直肠癌和卵巢癌中肿瘤细胞的生长[11-13,24]；而BMAL1沉默后则会降低人骨肉瘤和小鼠结肠癌细胞的凋亡，促进细胞增殖和肿瘤生长[25]。此外，关于节律基因PER家族的研究表明：在神经胶质瘤和胃癌中，PER1和PER2表达降低与生存周期缩短相关[26]；在结肠癌中，PER2低表达与结直肠癌的肝转移相关，而PER2和PER3高表达则抑制肿瘤生长，促进肿瘤细胞凋亡，延长患者生存期[27]。因此，调控节律基因的表达会对肿瘤细胞的生长、转移、凋亡产生一定的影响，但节律基因参与的具体生理过程及分子机制尚有待进一步研究。

2.2 近日节律与细胞分化有关

研究表明，在未分化的多能干细胞中，没有明显的近日节律振荡，但随着细胞分化，节律振荡会逐渐出现[28]，说明近日节律与细胞分化存在某种联系。而胚胎干细胞和肿瘤细胞具有相似性，可以推测近日节律与肿瘤细胞分化也可能存在就联系。有研究者在进行细胞核重编程时发现，通过重编程因子OSKM（Oct3/4, Sox2, Klf4 and c-Myc）对体细胞进行体内重编程，会导致畸胎瘤和肾脏肿瘤的发生[29]。而重编程诱导的肾脏肿瘤却并没有与癌症相关的基因突变[30]，这表明脱分化和表观遗传变化参与了癌变的过程。

另有研究表明，将OSKM/Per2Luc敲入小鼠体内进行重编程，并通过荧光素酶标记的Per2观察节律结果显示，在OSKM敲入前，未观察到肾脏形态学、结构和Per2Luc节律的明显异常；然而，OSKM敲入后，肾脏明显变大，Per2Luc的节律性消失，并形成由未分化细胞组成的肾母细胞样肿瘤。说明脱分化后，不仅可能会诱导肿瘤的发生，并且会破坏细胞原本的近日节律[31]。

另外，肿瘤细胞的侵袭性特征（如浸润和转移）往往与癌细胞的分化减少有关[23]。鉴于细胞分化在癌症中的作用，研究者提出了分化治疗的概念，即通过激素或细胞因子在体内促进癌细胞分化，从而不可逆地改变癌细胞的表型[32]。

2.3 近日节律与新陈代谢有关

生物钟控制着机体的绝大多数代谢过程，包括糖酵解、脂肪生成、氨基酸代谢等。代谢组学或脂质组学的非靶向质谱鉴定结果显示，30-60%的脂类、氨基酸、核苷酸、碳水化合物和辅助因子/辅酶都具有节律性[33,34]。肝脏中的生物钟还通过昼夜节律转录抑制因子REV-ERBα和哺乳动物组蛋白去乙酰化酶sirtuin 6（SIRT6）来调控脂肪酸、胆固醇和胆汁的合成[35]。此外，在小鼠和人类胰岛中，生物钟通过调节与分泌机制有关的基因表达和胰岛素释放的信号因子，可以直接调节胰岛素分泌的节律[36,37]。胰腺中clock条件敲除也会导致葡萄糖耐受不良和糖尿病[27]。此外，破坏小鼠的近日节律，会导致肝脏胆固醇和胆汁酸水平异常，诱发小鼠非酒精性脂肪性肝病, 最终导致肝癌[38]。

代谢节律破坏会诱发肿瘤，肿瘤又是否会改变体内代谢的节律呢？一项在肺腺癌中的研究表明，肺腺癌对肝脏代谢进行了远端重编程，破坏了宿主原有的代谢昼夜节律，并引起脂质代谢及胰岛素/葡萄糖代谢信号的改变[39]。三阴性乳腺癌小鼠模型中，在肝脏远端观察到昼夜节律基因表达的重编程，导致氧化应激增加[40]。肿瘤细胞对代谢节律进行重编程，可以获得更多的能量支持新陈代谢并促进转移。肿瘤的转移过程需通过侵袭、循环肿瘤细胞、微观定植、宏观转移四个步骤，通过代谢重编程可以使转移更顺利[5]。肿瘤对代谢的重编程灵活且异质，难以寻找固定的治疗靶点，大大提高了治疗的难度。而近日节律在肿瘤对代谢重编程的过程中有较高的参与性，有可能成为阻断这一过程的关键。

3 近日节律在癌症治疗中的应用——时间疗法

时间疗法是指在昼夜节律的适当阶段给药，以达到最佳疗效。早在1985年，Hrushesky等就已经在Science上发表了时间疗法在癌症治疗中的应用成果，该研究在31名晚期卵巢癌患者8个月的疗程中，通过比较阿霉素和顺铂这两种抗癌药物在不同时间给药的疗效，提出应根据昼夜节律选择合适的给药时间。但在当时，核心生物钟的分子机制都尚未研究清楚，时间疗法主要是建立在临床经验基础上[41]。随着科学家们对近日节律的研究逐渐深入，时间疗法也在不断完善和改进，力求以最小化的毒副作用达到最大化的抗肿瘤效果，提高生存率。

时间疗法已被应用在哮喘、高血压和心血管疾病的治疗中，但其在癌症治疗中的应用目前有一定的争议性：有研究表明时间疗法对卵巢癌、膀胱癌、肾癌等的疗效有明显改善[42,43]，但也有研究认为“时间疗法对整个研究人群没有益处”，甚至与传统治疗组相比，接受时间疗法的妇女死亡率增加了38%[44]。这一发现提示我们，定时给药并非一定有益，对某些特定人群甚至有害。由于时间疗法在癌症治疗中的经验性应用一致性较差，对癌症的治疗不具有广泛的益处，因此需要更多的机制研究来支持，才能协调特定药物靶点、药物代谢以及药物毒性，以便更准确地用于癌症的治疗。