胶质瘤发病机制的研究进展

2022-11-22钱王芳

长春中医药大学学报 2022年5期

钱王芳，王臻，肖红

（1.南京医科大学药学院，南京 210009；2.南京医科大学附属脑科医院神经外科，南京 210009；3.南京医科大学附属脑科医院研究所，南京 210009）

胶质瘤是最常见的原发性脑瘤，约占全部脑瘤的80%，其中胶质母细胞瘤（Glioblastoma，GBM）是最恶性的脑肿瘤。尽管最大程度的手术切除后，并开展包括放疗和化疗等积极的辅助治疗手段，GBM患者的生存期中位仍为14个月[1]。GBM的主要特点是肿瘤细胞弥漫性侵袭周围大脑，阻碍治疗效果。虽然浸润通常在原肿瘤肿块的1～2 cm内复发，但在最初或首次诊断几个月后浸润性细胞就已扩散到整个脑实质[2]。因此，胶质瘤预后较差，70%的胶质瘤在第一次术后10年内复发，其原因是快速生长，广泛浸润邻近脑组织，假性坏死和诱导血管生成，且无明显的作用靶点[3]。因此，找到直接且密切相关的靶点，使胶质瘤能够被早期诊断，探索胶质瘤的潜在机制至关重要。

近年来，在分子水平上对胶质瘤发病机理的研究发现，胶质瘤的发病由异常的病理过程导致，例如细胞周期调控，信号转导等[4]。因此，迫切需要在遗传和分子水平上更好地了解胶质瘤的发生和发展，以确定新的治疗策略。目前，围绕胶质瘤发病机制主要存在以下五个研究热点：1）等位基因杂合性缺失及遗传性变异；2）细胞信号通路异常与功能紊乱；3）DNA损伤修复；4）肿瘤干细胞；5）其他等。

1 等位基因的杂合性缺失及遗传性变异

胶质瘤的发生被认为是由关键基因的遗传性变异或基因突变引起的。主要包括癌基因如EGFR的激活和抑癌基因如p53、p16等的失活以及普通基因的异常表达。基因甲基化会抑制抑癌基因，从而进一步抑制积累并诱导突变，故其在肿瘤的发生发展中至关重要。因此，神经胶质瘤的进展是由表观遗传和遗传性改变的积累引起的[5]。全基因组关联研究已经确定了与胶质瘤风险增加相关的若干个可遗传风险等位基因，包括端粒酶逆转录酶TERT启动子突变，EGFR基因的扩增/突变，PTEN的突变/缺失，p53的突变以及血管内皮生长因子VEGF的过表达等。而这些基因突变也是胶质瘤发病机制中的研究热点。

约70%～90%的低级别弥漫性胶质瘤和GBM中存在IDH突变[6]。既往研究[7]发现，IDH突变与胶质瘤中广泛的全基因组甲基化密切相关，IDH突变诱导许多基因包括癌基因的甲基化增加，因此IDH突变已被提出是神经胶质瘤的启动因子之一。

TERT启动子突变在胶质瘤中占很高的比例，约占80%～90%[8]。TERT启动子突变与端粒酶活性水平升高有关，端粒酶消除了细胞寿命的主要障碍，从而可以通过癌基因驱动使肿瘤细胞无限增殖，因此TERT成为研究胶质瘤发病机制的一个常见靶基因。

基因测序技术分析在57%的胶质瘤患者中观察到EGFR的遗传性改变[9]，包括EGFR的扩增和突变，已知EGFR促进肿瘤血管生成、细胞运动和侵袭，EGFR通过受体磷酸化和下游信号通路的激活刺激细胞迁移。GBM中的EGFR，40%扩增，60%过表达，24%～67%基因突变[10]。因此，EGFR改变可能会导致神经胶质瘤的发生。

PTEN是一种常见的突变抑癌基因，是PI3K/Akt信号通路的主要负调控因子，大多数人类胶质母细胞瘤显示高水平激活的Akt，其中不到一半的人携带PTEN突变或纯合缺失[11]。有大量证据表明PTEN在调节细胞迁移和侵袭中发挥作用，并且对化疗药物的耐药性产生负调节。

野生型p53是公认的抑癌基因。p53的突变率约为25%～40%，是人类癌症中突变最频繁的基因[12]。证据表明，突变型p53不但无法抑制肿瘤的形成，甚至还促进肿瘤的产生。p53的异常表达促进各种肿瘤的发生和进展，包括胶质母细胞瘤。也有研究[13]表明，无论胶质瘤级别如何，p53都可能存在突变，并且相较于低级别胶质瘤，高级别胶质瘤的突变率明显更高。

VEGF过表达亦是促进神经胶质瘤形成的一个重要因素。VEGF是GBM中最丰富和重要的血管生成介质。Ryota等[14]研究表明抑制VEGF可以使胶质瘤体积和血管的形成显著减少，当胶质瘤细胞过度表达VEGF时，肿瘤的生长可以恢复，并且实验证明源自髓样细胞的VEGF可能影响胶质瘤生长的早期阶段。

2 细胞信号通路紊乱

研究[15]发现，GBM发生发展相关的三大经典信号通路包括RTK/RAS/PI3K通路，CDKN2A-MDM2-TP53通路和P16-CDK4/CDK6-Rb通路。70%～80%患者GBM与其中之一或多种通路相关，故表明这三种途径的失控是胶质母细胞瘤发病机理的核心要求。除了这三种通路，还有其他通路也与胶质瘤发病机制密切相关。与胶质瘤相关信号通路主要归纳如下。

2.1 RTK/RAS/PI3K通路

约90%的胶质母细胞瘤在RTK/RAS/PI3K通路中包含一个或多个基因畸变，是胶质瘤研究中最深入的通路之一。该通路的失活会对癌症的进展有多种影响，如产生连续的增殖信号，避开生长抑制因子。RTK可以激活RAS/PI3K基因介导的下游信号途径，改变相关基因转录进而调控肿瘤的发生发展。RAS信号通路在调节细胞增殖、分化、信号转导中起着至关重要的作用，RAS/MAPK转导途径的异常表达会导致细胞异常增殖和分化。大量研究表明，PI3K/AKT信号通路的激活与大多数癌症的发生和进展密切相关，并且几乎与癌症恶性表型的所有方面相关。因此，RTK/RAS/PI3K通路失活是导致胶质瘤产生的重要原因之一。

2.2 CDKN2A-MDM2-TP53通路

大约80%～90%的胶质母细胞瘤在p53途径中包含一种或多种遗传异常。p53蛋白可抑制肿瘤形成和生长，p53途径的失调通常通过扩增MDM2/4或使TP53失活而导致细胞死亡抗性和逃避生长抑制。MDM2抑制p53的转录活性，刺激其核输出和降解。当CDKN2A-MDM2-TP53通路上的相关基因突变时可引起细胞周期调控失常导致胶质瘤产生。

2.3 P16-CDK4/CDK6-Rb通路

Rb在抑制细胞周期进程中起着至关重要的作用。大约80%的胶质母细胞瘤在Rb通路中包含一种或多种基因畸变。细胞周期蛋白依赖性激酶4和6（CDK4/6）催化Rb蛋白的磷酸化和激活，但受p16结合抑制。细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（CDKN2A，CDKN2C）的缺失或突变，以及CDK4和CDK6的扩增，会导致Rb通路的失调。CDKN2A编码与CDK4/6结合的肿瘤抑制因子p16。因此，当CDKN2A缺失时，CDK4/6保持激活状态，细胞生长不受调节。Rb通路上的基因改变可导致细胞生长失去抑制进而形成肿瘤。

2.4 转化生长因子β（TGF-β）信号通路

有充足的证据表明，TGF-β通路对于促进胶质瘤细胞的侵袭性至关重要。TGF-β在神经胶质瘤的早期阶段抑制肿瘤生长，在晚期阶段促进肿瘤转移[16]。

TGF-β可能通过多种途径参与肿瘤的发病机制：1）直接支持肿瘤生长；2）维持胶质瘤启动干细胞的自我更新；3）抑制抗肿瘤免疫。在胶质瘤细胞中观察到的染色体畸变和遗传突变的增加将TGF-β转变成癌基因。因此，它通过诱导涉及致癌过程（例如增殖，血管生成和侵袭）的几种基因，在胶质瘤的发生发展中发挥着关键作用。

2.5 Wnt/ β-catenin 信号通路

Wnt/β-catenin通路包含Wnt蛋白、卷曲受体家族等，是肿瘤发生过程中较为成熟的信号通路之一[17]。但有研究发现，Wnt/β-catenin通路中成分的突变与多种癌症相关，Wnt/β-catenin级联中某些成分的功能缺失触发了癌症的发展。有研究[18]表明，Wnt/β-catenin通路通过调控肿瘤进展控制Wnt/β-catenin通路的分子，从而抑制恶性胶质瘤的生长。此外，有文献[19]描述了在高级别胶质瘤中，典型的Wnt/β-catenin通路是如何维持GSCs（glioma stem cells）的增殖和自我更新，从而维持其致瘤潜力的。因此，Wnt/β-catenin信号通路是胶质瘤研究新方向。

2.6 Notch信号通路

Notch通路是胶质细胞生成开关，维持着胶质祖细胞群，在胶质瘤中呈高度激活状态，能够促进神经干细胞的增殖代谢，维持胶质祖细胞群的数量。Notch信号失调会导致包括胶质瘤在内的多种恶性肿瘤。Notch的致癌性可能与维持脑肿瘤细胞未分化状态有关，改变Notch信号传导可能导致癌细胞分化。越来越多的证据表明Notch信号在GSCs中高度活跃，能够抑制分化并维持干细胞样特性，有助于胶质母细胞瘤的发生和常规治疗的耐药性[20]。

除了上述与胶质瘤相关的信号通路，cl-通道、MAPK、EMT、RTKs等信号通路的激活也参与了胶质瘤的调控。胶质瘤的发生、发展是一个非常复杂的过程，可能由一个、两个或是多个信号通路共同参与、调控。相信随着研究的不断深入，将会发现更多与神经胶质瘤的发生发展有关的基因和途径。

3 DNA损伤修复缺陷

面对无数的DNA损伤来源，复杂的DNA修复机制用来保护基因组的完整性。当DNA修复失败时，会导致癌变和肿瘤基因组不稳定。DNA修复缺陷在许多肿瘤进展中具有关键作用，包括胶质瘤。如Ege等[21]根据最新基于全外显子组测序的分析鉴定DNA损伤修复缺陷是成人弥漫性胶质瘤胶质形成的主要因素，表明DNA损伤修复可能是胶质形成的一个基本机制。以上证据均提示DNA损伤修复缺陷很可能会导致胶质瘤的发生。

4 肿瘤干细胞（GSCs）

GSCs被认为位于肿瘤发生的层次的顶端，具有诱导血管生成、转移和调节治疗反应的潜力。近年来的研究表明，具有高效克隆和肿瘤发生能力的GSCs可以促进和维持GBM的恶性生长。此外，由于较强的DNA修复能力，GSCs能从常规治疗应激中迅速恢复，从而导致神经胶质瘤患者产生耐药性并最终导致疾病复发。微血管增生被认为是胶质瘤发生和发展的关键特征，GSCs已被证明能高度促进血管生成和表达血管内皮生长因子（VEGF）等因子，吸引内皮细胞进入肿瘤体积并驱动新生血管生长，也是GSCs导致胶质瘤产生的一个重要原因[22]。此外，GSCs上调维持神经干细胞干性所需的一系列信号通路，增强了其干性和异常细胞存活，从而导致胶质瘤发生。

5 其他

5.1 非编码RNA

大量研究证实，包括许多亚型在内的非编码RNA可促进胶质瘤的发生发展，如LncRNA、miRNA和circRNA。

5.1.1 LncRNA 基于基因组测序技术，大部分哺乳动物基因组属于非蛋白质编码RNA（ncRNA）。其中长链非编码RNA（lncRNA）的异常调控可以通过影响表观遗传信息为癌症提供细胞生长优势，从而导致肿瘤生长失控。例如，LncRNA UBE2R2-AS1通过靶向miR-877-3p/TLR4轴促进胶质瘤细胞凋亡[23]。此外，LncRNA SNHG3是最近确定的非编码蛋白RNA，SNHG3通过招募EZH2到KLF2和p21启动子，从表观遗传学方面抑制KLF2和p21，进而促进了胶质瘤的恶性发展[24]。这些研究表明，LncRNA调控胶质瘤的进展，然而LncRNA在胶质瘤中的作用尚需进一步探讨。

5.1.2 miRNA 据最新研究[25]，miRNA参与了胶质瘤发展的调控，特别是一些上调的miRNA，如miR-21。miR-21在人体神经胶质瘤和某些细胞系中过表达，可能导致神经胶质瘤的快速发展和恶性进展。此外，其他一些微RNA异常表达，如miR-708[26]，miR221/222[27]等也被证明对癌基因及抑癌基因具有调控作用。根据An T等[28]最新研究发现在脊髓胶质母细胞瘤和低级别胶质母细胞瘤患者血液中共检测到74个miRNA表达差异（上调25个，下调49个），组织标本中检测到207个miRNA（上调20个，下调187个），证明异常表达的miRNA会导致胶质瘤的发生。

5.1.3 circRNA 环状RNA（circRNA）是一种新发现的RNA，所有circRNA涵盖以下主要功能：miRNA海绵，蛋白质海绵，蛋白质翻译和蛋白质复合物的支架。一些circRNA已被发现在胶质瘤中发挥致癌作用，根据报道[29]，敲除这些circRNA可以显著抑制细胞增殖、迁移或血管生成。circRNA可以用作治疗靶标或用作神经胶质瘤治疗策略的组成部分，如研究[30]发现，GBM中表达的circCOL1A2、circPTN、circVCAN、circSMO、circPLOD2、circGLIS3、circEPHB4、circCLIP2较正常脑组织高，由此可将上述八种circRNA视为GBM潜在的肿瘤标志物。

5.2 肿瘤微环境（TME）

TME是肿瘤的动态环境，包括影响肿瘤细胞生长和进化的细胞外基质（ECM）、信号分子、基质细胞和免疫细胞，这些不仅参与胶质发育，而且参与胶质瘤的生长和进展[31]。神经胶质瘤微环境不同于其他实体瘤，因为神经胶质瘤位于大脑中，受血脑屏障的保护，在正常情况下会阻止周围免疫系统细胞进入。然而，炎症和肿瘤生长会破坏血脑屏障。许多研究[32]表明，细胞因子、趋化因子和调节性免疫抑制细胞，例如TGF-β，IL-10，前列腺素E2，NKT细胞，T/B调节细胞，肿瘤—相关的巨噬细胞/小胶质细胞（TAMs）和髓样抑制细胞（MDSCs）[33]产生了特异性的免疫抑制微环境，无法进行有效的抗肿瘤反应，是刺激胶质瘤进展的关键因素。除了免疫抑制微环境的改变外，胶质瘤也具有细胞代谢发生深刻改变的特征，代谢重编程是胶质瘤发病机制的基础。如最新研究发现一系列由异柠檬酸脱氢酶（IDH）和受体酪氨酸激酶（RTK）通路基因突变驱动的代谢重编程，它们重新编程表观基因组、转录组和代谢组来驱动肿瘤生长。即这些基因畸变通过代谢重编程转化为神经胶质瘤侵袭性的机制[34]。

5.3 单基因遗传综合征

单基因遗传综合征也是胶质瘤确定的遗传危险因素，在超过12 000名胶质瘤患者的全基因组关联研究中，验证了25个单核苷酸多态性SNPs与成人胶质瘤发生风险密切相关[35]。在另一项含有1 600多个胶质瘤患者的研究中，发现这25个SNPs与IDH突变、TERT启动子突变和1p19q联合缺失等相关分子亚型相关联。这25个风险基因与胶质瘤各亚型之间具有单变量和多变量关联，大多数SNPs位于已知特定信号通路的基因中或在其附近。在这25个SNPs中，有11个与胶质母细胞瘤发生风险相关，有19个与星形细胞瘤和少突胶质细胞瘤发生风险相关，其中5个SNPs与3种胶质瘤类型风险均相关，而研究证明相对风险最强的SNP可致使胶质瘤发生的风险增加6倍以上[36]。25个风险基因参与特定的生物学功能，与EGFR-PI3K-AKT通路、细胞周期调控、端粒维护、p53介导的信号通路有关，这些风险基因的变异可能与胶质瘤发生发展有着密切联系。