馬丹 高軍 李兆申
Hedgehog信號(hào)通路與胰腺癌
馬丹 高軍 李兆申
胰腺癌是人類最難治愈的致死性惡性疾病之一,5年生存率不到5%,在美國(guó),胰腺癌居癌癥相關(guān)死亡的第四位。造成臨床預(yù)后較差的部分原因是胰腺癌發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中的機(jī)制尚未完全清楚。Hedgehog(Hh)信號(hào)通路是胚胎發(fā)育的主要調(diào)控子,其產(chǎn)物控制細(xì)胞分化、組織成形和細(xì)胞增殖。在成人正常組織中Hh信號(hào)通路已無(wú)表達(dá)或低表達(dá)。近年來(lái),研究發(fā)現(xiàn)在胰腺癌中Hh信號(hào)通路異常是普遍存在的,100%胰腺癌存在Hh信號(hào)通路相關(guān)分子的基因突變[1]。本文就Hh信號(hào)通路的異常激活與胰腺癌的關(guān)系做一綜述。
一、 Hh信號(hào)通路
Hh信號(hào)通路由配體Hh、膜受體Ptch及Smo、核轉(zhuǎn)錄因子Gli和下游靶基因組成。HH基因于1980年由Nusslein-Vollhard和Wieschaus在研究果蠅的基因突變時(shí)發(fā)現(xiàn),該基因突變可以導(dǎo)致果蠅幼蟲(chóng)發(fā)育成刺猬一樣的形態(tài),故名Hedgehog。果蠅中只存在一種HH基因,而在脊椎動(dòng)物中至少發(fā)現(xiàn)3種同源基因,即Sonic hedgehog(SHH)、Indian hedgehog(IHH)和Desert hedgehog(DHH),分別編碼3種相應(yīng)的蛋白:Shh、Ihh 和Dhh。膜蛋白受體包括Ptch(Patched)和Smo 受體。Ptch家族是一種十二次跨膜蛋白,起Hh受體作用。Ptch在人類中有2個(gè)同源基因:Ptch1、Ptch2分別編碼Ptch1、Ptch2蛋白。二者均能與3種Hh蛋白結(jié)合,并且親和力相似。Smo是一種起信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子功能的7次跨膜蛋白。Gli為核轉(zhuǎn)錄因子,在人類有3種亞型,即Gli1、Gli2 和Gli3,三者功能各不相同。Gli1有激活功能,Gli2 表現(xiàn)為Hh靶基因的激活與抑制子,Gli3也可作為Hh信號(hào)的激活子與抑制子,Hh信號(hào)通路便是通過(guò)調(diào)節(jié)下游的Gli 轉(zhuǎn)錄因子控制靶基因的表達(dá)的。
初級(jí)纖毛是由微管構(gòu)成的發(fā)生于哺乳動(dòng)物細(xì)胞表面的突觸樣結(jié)構(gòu)。很多文獻(xiàn)證實(shí),初級(jí)纖毛是Hh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的必需條件。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,Hh信號(hào)通路的Ptch、Smo及下游轉(zhuǎn)錄因子Glil、Gli2和Gli3均存在于初級(jí)纖毛上。配體激活的Hh信號(hào)通路促發(fā)SuFu和Gli蛋白復(fù)合體發(fā)生細(xì)胞內(nèi)易位,最終到達(dá)初級(jí)纖毛頂部,SuFu的抑制作用解除,Gli被釋放,易位到胞核,作用于靶基因,表明初級(jí)纖毛在這一過(guò)程中的樞紐地位[2]。另有文獻(xiàn)報(bào)道,Hh通路激活的過(guò)程如下:無(wú)配體時(shí),受體Ptch1定位于初級(jí)纖毛,阻止Smo的進(jìn)入,抑制性Gli蛋白易位到細(xì)胞核,無(wú)法激活靶基因。配體結(jié)合Ptch1后,Hh-Ptch1復(fù)合體內(nèi)在化,Smo易位到初級(jí)纖毛,活化性Gli蛋白易位到細(xì)胞核,最終靶基因開(kāi)始轉(zhuǎn)錄,這些是Hh通路自身成員;另外,眾多與促增 殖(如D-及E-型細(xì)胞周期蛋白)、抑制凋亡(如BCL2)或干細(xì)胞活化(如NANOG)相關(guān)的基因被激活。
二、 Hh信號(hào)通路的激活模式
關(guān)于腫瘤中Hh通路的激活至少已提出了3種模式。第一種為非配體依賴型模式:Hh通路任一水平發(fā)生突變均可以引起腫瘤發(fā)生。例如,當(dāng)通路的負(fù)調(diào)節(jié)因子如Ptch[3-4]基因發(fā)生失活突變或功能性缺失或正調(diào)節(jié)因子如Smo[5]發(fā)生功能獲得性突變導(dǎo)致Ptch對(duì)其抑制作用失敏均可以激活該通路。第二種模式為配體依賴型模式:認(rèn)為配體發(fā)生異常過(guò)表達(dá),以自分泌、旁分泌或逆分泌方式作用于Ptch受體,導(dǎo)致Hh通路的激活。第三種模式為非經(jīng)典的腫瘤干細(xì)胞模式,認(rèn)為Hh信號(hào)的激活存在于腫瘤干細(xì)胞(CSCs)內(nèi),負(fù)責(zé)干細(xì)胞的自我更新,從而促進(jìn)腫瘤的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移[6]。
三、 Hh信號(hào)通路與胰腺癌
1.Hh信號(hào)通路與胰腺癌的發(fā)生、發(fā)展:Hh信號(hào)通路的激活與胰腺癌有著密切關(guān)系。Thayer等[7]發(fā)現(xiàn),在小鼠的發(fā)育過(guò)程中,Shh的異常表達(dá)可引起類似于人胰腺癌的早期病變。在胰腺癌早期及癌前病變階段即可檢測(cè)到Hh信號(hào)通路的激活。對(duì)不同時(shí)期的胰腺上皮內(nèi)瘤變及胰腺癌進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)隨著上皮內(nèi)瘤變向胰腺癌的逐步發(fā)展,病變組織中Hh信號(hào)通路成員的表達(dá)水平也急劇上升。對(duì)54例胰腺癌標(biāo)本進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)Ihh、Ptch、Smo蛋白均呈高表達(dá),相應(yīng)癌旁組織中只有胰島細(xì)胞表達(dá),在正常胰腺導(dǎo)管組織中均未見(jiàn)表達(dá)[8]。Quint等[9]發(fā)現(xiàn),Shh、Ptch和Glil蛋白在胰腺癌組織中呈低到中度表達(dá);在胰腺上皮內(nèi)瘤變中,隨著病變進(jìn)展,Shh,Ptch和Gli1蛋白的表達(dá)量呈非線性增加; Shh、Ptch和Gli1蛋白的表達(dá)與臨床病理特征(如淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移,腫瘤大小)存在顯著的相關(guān)性。綜上所述,胰腺癌組織及其癌前病變中存在Hh通路的異常激活,Hh通路參與了胰腺癌的發(fā)生、發(fā)展。
2.Hh信號(hào)通路與胰腺癌腫瘤相關(guān)間質(zhì):近年來(lái),胰腺癌與其周圍間質(zhì)的相互作用受到廣泛關(guān)注,其中Hh信號(hào)通路也發(fā)揮重要作用。研究證實(shí)Shh是引起胰腺癌中結(jié)締組織反應(yīng)的重要遞質(zhì),主要由腫瘤細(xì)胞分泌,以旁分泌作用模式促進(jìn)腫瘤間質(zhì)的形成,同時(shí)也作用于胰腺癌間質(zhì)細(xì)胞[10]。胰腺導(dǎo)管腺癌(PDAC)的特征之一是癌旁結(jié)締組織增生,這是上皮組織來(lái)源的Hh配體旁分泌作用于間質(zhì)引起的。胰腺上皮癌細(xì)胞可能通過(guò)分泌Hh配體激活了胰腺星狀細(xì)胞(PSCs),而它又分泌了一些可溶性因子反作用于癌細(xì)胞,增加其活性[11]。Olive等[12]證實(shí)Hh的小分子抑制劑可以引起明顯的間質(zhì)消退,提高原位胰腺癌小鼠模型的給藥效率。同樣,Lauth等[13]最近發(fā)現(xiàn)了在腫瘤相關(guān)間質(zhì)細(xì)胞中存在Hh通路目的基因Gli1過(guò)表達(dá),而在腫瘤中表達(dá)極少,與Hh通路在間質(zhì)高活性而在腫瘤低活性一致。Shh誘導(dǎo)的旁分泌信號(hào)還可通過(guò)初級(jí)纖毛中的功能復(fù)合體引起間質(zhì)分子改變(VEGF、MMP9表達(dá)上調(diào)),促進(jìn)血管生成、淋巴管生成和腫瘤轉(zhuǎn)移[14]??傊?,Hh信號(hào)通路通過(guò)腫瘤間質(zhì)相互作用提供有利于癌細(xì)胞生長(zhǎng)的微環(huán)境從而加速胰腺癌的發(fā)生。
腫瘤微環(huán)境是由細(xì)胞外組分構(gòu)成的致密混合物,包含細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)、成纖維細(xì)胞、PSCs、炎癥細(xì)胞、機(jī)制金屬蛋白酶等。其中,PSCs被認(rèn)為是ECM的主要來(lái)源細(xì)胞,腫瘤來(lái)源的Hh信號(hào)可以作用于PSCs,而PSCs對(duì)胰腺癌細(xì)胞也有反作用。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)已證實(shí)PSCs對(duì)胰腺癌有促進(jìn)作用。PSCs可使胰腺癌細(xì)胞株的遷移明顯增加,并促進(jìn)其增殖、抑制凋亡;在動(dòng)物模型上,共注射PSCs和胰腺癌細(xì)胞后,腫瘤生長(zhǎng)更快,局部播散發(fā)生率增加,肝轉(zhuǎn)移發(fā)生率也增加[15]。以上研究證實(shí),Hh通路通過(guò)介導(dǎo)腫瘤間質(zhì)相互作用,促進(jìn)胰腺癌的發(fā)展。
3.Hh信號(hào)通路與胰腺癌干細(xì)胞:腫瘤干細(xì)胞(CSCs)與腫瘤的發(fā)生、侵襲、轉(zhuǎn)移及腫瘤的放化療耐藥性密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)Hh通路參與了CSCs的功能維持、自我更新等過(guò)程,Hh通路的異?;罨梢砸餋SCs的增殖和腫瘤的復(fù)發(fā)。胰腺癌患者體內(nèi)分離出的CD44+CD24+ESA+CSCs中Shh的表達(dá)明顯高于其陰性三倍體對(duì)照[16]。Gli1的表達(dá)也與CSCs的代表特征之一——化療抵抗性有關(guān)[17]。另外,體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),Smo抑制劑可以促進(jìn)CD133+胰腺癌干細(xì)胞的消退[18]。環(huán)巴明也可以通過(guò)阻斷Hh通路抑制胰腺癌干細(xì)胞的自我更新[19]。
4.Hh信號(hào)通路與上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化:上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)的特點(diǎn)是上皮標(biāo)志性蛋白E-鈣黏蛋白(E-cadherin)等表達(dá)降低并定位于細(xì)胞膜上,以及間質(zhì)標(biāo)志性蛋白波形蛋白等表達(dá)增加。EMT可以增強(qiáng)腫瘤的侵襲力,促進(jìn)腫瘤的轉(zhuǎn)移和發(fā)展。近年來(lái),研究提示Hh通路可以誘導(dǎo)腫瘤的EMT過(guò)程。
EMT過(guò)程中的重要轉(zhuǎn)錄因子Snail可能為Glil蛋白的下游轉(zhuǎn)錄調(diào)控靶點(diǎn)。Li等[20]研究發(fā)現(xiàn),Hh信號(hào)通路轉(zhuǎn)錄因子Gli1通過(guò)誘導(dǎo)Snail的活性,從而抑制E-cadherin的表達(dá),誘導(dǎo)EMT發(fā)生,促進(jìn)腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移。Feldman等[21]也報(bào)道胰腺癌中Hh通路下游因子Gli1過(guò)度表達(dá)可促進(jìn)Snail表達(dá)上調(diào),使E-cadherin表達(dá)明顯下調(diào),促進(jìn)EMT的發(fā)生,導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞侵襲性和轉(zhuǎn)移性增高;使用環(huán)巴明后,Snail水平明顯下調(diào),而E-cadherin表達(dá)水平明顯上調(diào),腫瘤的侵襲能力明顯減弱。通過(guò)Shh基因敲除或使用Hh通路抑制劑可以削弱腫瘤中具有EMT表型的細(xì)胞的侵襲力[22],也提示Hh通路的活化可以誘導(dǎo)EMT及其后的癌細(xì)胞侵襲。另外,Shh基因敲除也可以明顯抑制TGF-β1誘導(dǎo)的EMT過(guò)程[22]。使用Hh通路抑制劑可以逆轉(zhuǎn)細(xì)胞的EMT表型,表現(xiàn)為間質(zhì)標(biāo)記物ZEB1及纖連蛋白減少,上皮標(biāo)志性蛋白E-鈣連素增加[22]。許多研究也發(fā)現(xiàn)Hh通路與TGF-β、Notch、WNT和Ras通路及生長(zhǎng)因子受體可能共同參與EMT過(guò)程。這些結(jié)果證明Hh信號(hào)通路活化與EMT表型的獲得及腫瘤侵襲有關(guān)。
5.胰腺癌中Hh信號(hào)通路與其他通路的相互作用:Hh通路與許多通路之間存在交叉對(duì)話,構(gòu)成一個(gè)龐大精密的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控胰腺癌的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移等過(guò)程。
TGF-β激活激酶-1(TAK1)是MAPK家族成員之一,也是炎癥免疫、應(yīng)激反應(yīng)及腫瘤發(fā)展過(guò)程中許多信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)控因子,它可以通過(guò)激活細(xì)胞外激酶如p38MAPK、JNK及IKK最終誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子NF-κB活化。研究發(fā)現(xiàn),TAK1通過(guò)活化NF-κB和激活蛋白-1(AP-1)參與胰腺癌對(duì)化療藥物的耐受性,基因沉默或抑制TAK1是逆轉(zhuǎn)胰腺癌內(nèi)在耐藥性的有效方法[23]。TAK1的泛素化也參與調(diào)控抗腫瘤藥物阿霉素誘導(dǎo)的NF-κB活化,從而影響阿霉素的抗癌作用。TAK1參與多種形式的NF-κB活化。TAK1對(duì)于TNF-α[24]及基因毒性因素誘導(dǎo)的NF-κB活化都具有調(diào)控作用。而Shh是NF-κB的直接轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)NF-κB p65和Shh在胰腺癌組織標(biāo)本中的表達(dá)呈顯著正相關(guān),阻斷NF-κB可以抑制Shh mRNA的表達(dá)[25]。某些炎性因子(如IL-1β、TNF-α等)可通過(guò)激活NF-κB導(dǎo)致Shh的過(guò)度表達(dá),進(jìn)而激活Hh信號(hào)通路,并影響細(xì)胞周期蛋白的表達(dá),促進(jìn)胰腺癌細(xì)胞的增殖。以上研究提示,在胰腺癌中TAK1-NF-κB的激活是引起Shh高表達(dá)的機(jī)制之一,TAK1-NF-κB引起胰腺癌細(xì)胞增殖一定程度上是通過(guò)Shh高表達(dá)實(shí)現(xiàn)的,兩條通路間存在相互作用。
腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(TAM)是腫瘤微環(huán)境的重要成分之一,在胰腺癌的發(fā)展進(jìn)程中也發(fā)揮重要作用。依據(jù)激活方式的不同,分為M1和M2型TAM,近年來(lái),M2型TAM在胰腺癌進(jìn)展中的作用受到研究者的重視。M2型TAM影響PDAC淋巴轉(zhuǎn)移,與其預(yù)后相關(guān),抑制TAM與癌細(xì)胞的相互作用可以改善患者預(yù)后[26]。之后,又有文獻(xiàn)報(bào)道M2型TAM與胰頭導(dǎo)管腺癌的腫瘤大小、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和預(yù)后不良相關(guān)[27]。TAM促進(jìn)胰腺癌發(fā)展的機(jī)制之一便是TAM中NF-κB活化,可以促進(jìn)促腫瘤因子的分泌,從而影響腫瘤的發(fā)展。有研究者提出設(shè)想,在炎癥刺激如LPS作用下,NF-κB誘導(dǎo)TAM活化,直接或間接通過(guò)Shh的分泌誘發(fā)和促進(jìn)PDAC的發(fā)生[28]。以上研究提示,TAK1-NF-κB、TAM、Hh通路在胰腺癌的發(fā)生中都發(fā)揮重要作用,在這個(gè)過(guò)程中三者之間相互作用,組成復(fù)雜的環(huán)路而參與胰腺癌的進(jìn)展。
Pasea di Magliano等[29]采用一種可特異性激活胰腺上皮細(xì)胞中Hh信號(hào)通路的小鼠模型研究胰腺癌的發(fā)病機(jī)制,發(fā)現(xiàn)小鼠生長(zhǎng)到成年后可形成胰腺未分化癌,通過(guò)激活Ras信號(hào)通路可進(jìn)一步誘導(dǎo)形成胰腺上皮內(nèi)瘤變并提高腫瘤致死性,提示特異性激活胰腺上皮細(xì)胞中Hh信號(hào)通路可以誘導(dǎo)胰腺瘤變。Ras和Hh信號(hào)通路共同參與胰腺導(dǎo)管腺癌的形成。研究證實(shí),Ras通路異常通過(guò)RAF/MEK/MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)促發(fā)上皮內(nèi)瘤變及晚期胰腺癌Hh通路的活化。另外,Shh可以減少腫瘤細(xì)胞對(duì)活化的Ras信號(hào)的依賴性[30]。
Yamazaki等[31]用Shh轉(zhuǎn)染的胰腺癌細(xì)胞的上清液培養(yǎng)內(nèi)皮前驅(qū)細(xì)胞,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其可誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)、間質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(SDF-1)和血管形成素-1(Ang-1)mRNA表達(dá)水平的上調(diào),但以上這些生長(zhǎng)因子與Hh信號(hào)通路相互作用的具體機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。采用靶向Shh的治療既可以抑制腫瘤細(xì)胞的增殖,也可以抑制腫瘤血管的生成。但也有報(bào)道使用Hh通路抑制劑有促進(jìn)腫瘤血管生成的作用[11],這個(gè)問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。
在胚胎發(fā)育時(shí)期,Notch信號(hào)通路和Hh信號(hào)通路共同參與調(diào)控胰腺發(fā)育,Shh的表達(dá)與否決定了細(xì)胞發(fā)育的終點(diǎn);Notch 信號(hào)通路與胰腺前體細(xì)胞的自我更新和分化相關(guān)。Notch信號(hào)通路的異常激活可影響胰腺前體細(xì)胞向各種胰腺細(xì)胞系的發(fā)育。在成熟胰腺組織中,以上兩種信號(hào)通路都處于失活狀態(tài),二者的異常激活將導(dǎo)致胰腺癌的發(fā)生。
在腫瘤干細(xì)胞中存在著一個(gè)由Hh、BMP /TGF-β、FGF、WNT和Notch信號(hào)通路共同構(gòu)成的信號(hào)網(wǎng)絡(luò),在胰腺癌發(fā)生中發(fā)揮關(guān)鍵作用。而上述通路的協(xié)同作用在EMT過(guò)程中也發(fā)揮重要作用。
上述研究提示,Hh通路與其他通路存在廣泛的相互作用,共同促進(jìn)胰腺癌的發(fā)生、發(fā)展。
四、阻斷Hh信號(hào)通路在胰腺癌治療中的研究
Hh信號(hào)通路與胰腺癌的發(fā)生、發(fā)展、侵襲和轉(zhuǎn)移關(guān)系密切,理論上,阻斷Hh是胰腺癌治療的有效途徑。近年來(lái),一些Hh通路的小分子抑制劑已用于實(shí)驗(yàn)室或臨床研究,包括阻斷Shh和受體結(jié)合,如Robotnikinin、Shh抗體5E1;拮抗Smo,如環(huán)巴明(cyclopamine)、KAAD-cyclopamine、SANTs1-4、Cur-61414、GDC-0449、BMS-833923、IPI-926、LDE-225和PF-0444913等;作用于Smo下游位點(diǎn),如HPI1-4、GANT-58 和GANT61等[32]。在這些抑制劑中,許多成員對(duì)腫瘤的抑制作用已得到證實(shí)。環(huán)巴明可以逆轉(zhuǎn)Hh信號(hào)通路依賴性細(xì)胞株對(duì)吉西他濱的耐藥性,并下調(diào)這些細(xì)胞株CSCs標(biāo)志物的表達(dá)。環(huán)巴明也可以抑制胰腺癌細(xì)胞株snail、E-cadherin上調(diào),抑制EMT,并伴有原位瘤明顯縮小[33]。IPI-926可以誘導(dǎo)胰腺癌小鼠模型間質(zhì)的消退,提高吉西他濱化療藥物的療效[12]。smo的抑制劑AZD8542通過(guò)阻斷Hh信號(hào)通路作用于小鼠腫瘤模型的腫瘤相關(guān)間質(zhì),抑制腫瘤增殖和轉(zhuǎn)移[11]。
但這些藥物的不良反應(yīng)也不容忽視,所以一些相對(duì)無(wú)毒副作用的天然制劑引起了研究者的注意,如大豆異黃酮、白藜蘆醇、綠茶多酚、姜黃素、維生素D等,它們可以有效阻斷Hh信號(hào)通路及其他通路,阻止胰腺癌的進(jìn)展[34]。這些營(yíng)養(yǎng)制劑可以與傳統(tǒng)的化療藥物聯(lián)合應(yīng)用,提高腫瘤治療的效果。
Hh信號(hào)通路的激活在胰腺癌中是廣泛存在的,與胰腺癌的發(fā)生、發(fā)展、侵襲、轉(zhuǎn)移相關(guān)。Hh信號(hào)通路抑制劑對(duì)胰腺癌的抑制作用也得到證實(shí),但是,研究顯示單一靶點(diǎn)Hh通路抑制劑治療后存在快速耐藥現(xiàn)象,提示Hh通路抑制劑的聯(lián)合應(yīng)用是更合理的選擇。另外,我們應(yīng)該注意,Hh通路與眾多其他通路存在交叉對(duì)話。除了經(jīng)典的激活方式,其他通路也可以介導(dǎo)Hh通路的活化。這種情況也造就了Hh通路抑制劑的獲得性耐藥,所以,Hh與其相關(guān)通路的聯(lián)合靶向治療有望為胰腺癌的治療提供新的策略。在不同的腫瘤個(gè)體,發(fā)病的分子機(jī)制可能有所不同,因此,通過(guò)基因測(cè)序、免疫共沉淀等手段明確這些個(gè)體中Hh通路及其他通路的活化狀態(tài),進(jìn)而進(jìn)行分子分型,確定個(gè)體化的治療方案,將是未來(lái)胰腺癌治療的關(guān)鍵。
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(本文編輯:呂芳萍)
10.3760/cma.j.issn.1674-1935.2013.01.020
200433 上海,第二軍醫(yī)大學(xué)長(zhǎng)海醫(yī)院消化內(nèi)科
李兆申,Email: zhsli@81890.net
2012-11-26)