Hedgehog 信號通路在前列腺癌中的研究進展

孫忠杰 綜述，劉志宇 審校

(1.解放軍第404 醫(yī)院 泌尿外科，山東 威海264200;2.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 泌尿外科，遼寧 大連116027)

前列腺癌是男性泌尿系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤，占男性癌癥死亡率第二位。目前前列腺癌的治療仍以手術(shù)、內(nèi)分泌和放療等為最主要的治療手段，對于早期前列腺癌患者治療效果尚可，但對于中晚期前列腺癌患者療效不甚理想。研究發(fā)現(xiàn)Hedgehog 信號途徑與前列腺胚胎發(fā)育及前列腺癌的發(fā)生、發(fā)展均密切相關(guān)，這可能為前列腺癌的診斷治療提供新的靶點、新的技術(shù)、新的手段。以下就Hedgehog 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的組成、轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、在前列腺癌發(fā)生發(fā)展中的作用及以Hedgehog 信號通路為靶點進行腫瘤治療的相關(guān)研究進展作一綜述。

1 Hedgehog(Hh)信號通路的構(gòu)成和轉(zhuǎn)導(dǎo)機制

Hedgehog(Hh)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是一個經(jīng)典的胚胎發(fā)育信號系統(tǒng)，在胚胎發(fā)育和胚胎形成后細(xì)胞的生長和分化過程中都起著重要作用。1980年，Nusslein-Volhard 等［1］在篩選可能引起果蠅突變的基因時發(fā)現(xiàn)了一種基因，由其突變導(dǎo)致果蠅皮膚外表有著連續(xù)的刺猬(Hedgehog)樣刺狀突起，該基因被分離出來后，便被命名為Hh 基因。Hedgehog 信號通路由Hedgehog(Hh)配體(Shh、Ihh、Dhh)、2 個跨膜受體復(fù)合物:Patched(Ptch)和Smoothened(Smo)、下游轉(zhuǎn)錄因子Gli 家族(Gli1、Gli2、Gli3)等組成［2］，在進化上高度保守。

當(dāng)不存在Hh 信號通路分子時，Ptch 直接與Smo 相互作用，抑制Smo 分子向細(xì)胞內(nèi)呈遞信號，這時下游的Hh 信號的終端傳遞者Gli 蛋白在蛋白酶體內(nèi)被截斷，并以羧基端被截斷的形式進入細(xì)胞核內(nèi)，抑制下游目的基因的轉(zhuǎn)錄［3］。當(dāng)Hh 信號通路分子存在時，Hh 與Ptch 結(jié)合后，Ptch 與Smo 組成的受體復(fù)合物的空間構(gòu)象發(fā)生改變，Ptch 對Smo 的抑制作用被解除，Smo 開始向細(xì)胞內(nèi)呈遞信號，并將信號呈遞給轉(zhuǎn)錄因子Gli。激活的轉(zhuǎn)錄因子Gli 進入細(xì)胞核，直接促進目的基因(Ptch、Hip、Gli 等)的表達(dá)［4］，進而調(diào)控細(xì)胞的生長、增殖和分化。

2 Hh 信號通路與前列腺的發(fā)育

Hh 信號通路對于動物的正常胚胎發(fā)育和器官形成具有重要作用［5］，其配體Shh 的表達(dá)為前列腺發(fā)育的起始所必需，前列腺由來自內(nèi)胚層泄殖腔腹側(cè)的泌尿生殖竇以睪酮依賴性導(dǎo)管形成的方式發(fā)育而來，腺體形成從泌尿生殖竇的上皮出芽開始［6］。Bamett 等［7］用RT-PCR 的方法分析孕婦胎兒的前列腺RNA 得出結(jié)論:前列腺上皮的導(dǎo)管出芽和Shh在人類胎兒前列腺的表達(dá)以及胎兒睪酮同期出現(xiàn)。前列腺的發(fā)育早期Shh 過量表達(dá)依賴睪酮的存在，Shh 在泌尿生殖竇的上皮表達(dá)，并通過激活鄰近間質(zhì)細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子Gli，促進間質(zhì)細(xì)胞的增殖和分化，從而促進前列腺管出芽。上皮出芽主要是前列腺導(dǎo)管的發(fā)育，導(dǎo)管則可廣泛分支進人周圍的間充質(zhì)，最后形成由纖維、平滑肌組織包繞的成熟的前列腺腺體。采用Shh 抗體或者Hh 通路阻斷劑西洛帕明作用于鼠泌尿生殖竇，可產(chǎn)生Shh 信號抑制，前列腺導(dǎo)管的形成障礙［8］。Fan 等［9］報道Shh 表達(dá)在前列腺上皮，Gli1 則表達(dá)在前列腺基質(zhì)，并認(rèn)為Shh 過度表達(dá)將增加腫瘤基質(zhì)上的Gli1，從而刺激癌細(xì)胞的生長。

3 Hh 信號通路與前列腺癌

Hh 信號通路的異常激活導(dǎo)致腫瘤發(fā)生，腫瘤中Hh 信號通路的激活形式分為3 種:第1 種為Hh 配體非依賴性，Hh 信號通路成員基因缺失或突變;第2 種為Hh 配體依賴性(自分泌型)，Hh 配體既由腫瘤細(xì)胞分泌，又能作用于腫瘤細(xì)胞自身。第3 種也是配體依賴性(旁分泌型)，其又分為2 種:Ⅲa 和Ⅲb。Ⅲa 為腫瘤細(xì)胞自身分泌Hh 配體作用于周圍間質(zhì)細(xì)胞，間質(zhì)細(xì)胞通過激活VEGF、Wnt 等信號反作用于腫瘤細(xì)胞促進其生長增殖。Ⅲb 為腫瘤周圍間質(zhì)細(xì)胞分泌Hh 配體后作用于腫瘤細(xì)胞自身。這種腫瘤細(xì)胞與周圍間質(zhì)的復(fù)雜相互作用為腫瘤細(xì)胞的生長增殖創(chuàng)造了有利的微環(huán)境［1］。

3.1 Hh 信號通路與前列腺上皮肉瘤

前列腺上皮內(nèi)瘤(PIN)是前列腺導(dǎo)管和腺泡上皮異常增生而出現(xiàn)的一種病理征象，因其病變局限于上皮內(nèi)，所以稱為上皮內(nèi)瘤。1992年Mostofi［10］主持召開的名稱統(tǒng)一會議上把前列腺上皮內(nèi)腫瘤作為前列腺的癌前期病變，提出形態(tài)學(xué)上具有一定異型性，尚保存原腺體結(jié)構(gòu)或基底細(xì)胞層，且無間質(zhì)浸潤的病變統(tǒng)稱為PIN，明確其腫瘤性生長特性及具有逐漸發(fā)展成浸潤性癌的潛能。根據(jù)其異型性程度分為2 個級別，即低級別前列腺上皮內(nèi)瘤(LGPIN)及高級別前列腺上皮內(nèi)瘤(HGPIN)。前列腺上皮內(nèi)瘤(PIN)與前列腺癌關(guān)系密切，尤其是HGPIN 目前已被公認(rèn)為前列腺癌的癌前病變。Chen 等［11］把pCX-shh-IG 注射小鼠前列腺內(nèi)模擬出高表達(dá)Hh的模型，觀察到所有小鼠在第7 天、第20 天、第30天、第90 天都有PIN 的形成，而注入生理鹽水的對照組小鼠無一例形成PIN，在所有注射pCX -shh -IG 的小鼠前列腺中(25 例)，有9 例最終形成了前列腺癌。Chang 等［12］將pCX -shh -IG 注射小鼠前列腺內(nèi)發(fā)現(xiàn)，90 天后小鼠前列腺明顯呈腫瘤樣改變，其呈現(xiàn)出從BPH、PIN 到前列腺癌這一特有的前列腺腫瘤逐步演變過程，說明Hh 信號通路對誘導(dǎo)PIN 的發(fā)生及發(fā)展并且最后形成癌的過程起著十分重要的作用。

3.2 Hh 信號通路與局限性前列腺癌

前列腺癌腫瘤細(xì)胞的生長與生存依賴于Hh 信號通路的活性［13］，比較正常組織和腫瘤組織中Shh蛋白的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)在前列腺癌中Shh 的表達(dá)水平要高于正常的前列腺組織。Sanchez 等［14］對239例前列腺癌、15 例前列腺癌前癌變和135 例前列腺增生癥標(biāo)本進行檢測，結(jié)果33%的腫瘤標(biāo)本Shh 高度表達(dá);其接著對前列腺癌細(xì)胞系PC3、LN -CaP、DU145 檢測，發(fā)現(xiàn)其中Shh、Ptch1、Gli1、Gli2 和Gli3高度表達(dá)，通過環(huán)耙明和抗Shh 抗體途徑干擾Shh-Gli-1 信號通路途徑，結(jié)果抑制前列腺癌細(xì)胞增殖，說明Shh 可使前列腺腫瘤細(xì)胞增殖。Karhadkar等［15］培 養(yǎng)4 個前 列 腺癌 細(xì)胞系(PC3、DU145、CWR22RV1、LN - CAP)，用RT - PCR 檢測癌細(xì)胞系中Gli 及Ptch 的mRNA 水平，發(fā)現(xiàn)這4 個腫瘤細(xì)胞系均有Shh 及Ihh 的配體轉(zhuǎn)錄，均有Gli 和Ptch的表達(dá)，與正常前列腺上皮細(xì)胞相比，Ptch 表達(dá)水平增高約200 ～400 倍。Chad 等［16］研究發(fā)現(xiàn)絲氨酸蛋白酶抑制劑PN1 為Hh 信號在前列腺的負(fù)調(diào)控因子，Shh 表達(dá)增強的腫瘤的生長，而PN1 的過度表達(dá)抑制小鼠前列腺癌細(xì)胞的生長，Hh 信號通路基因的變異會增加患前列腺癌的風(fēng)險。

3.3 Hedgehog 信號通路與雄激素非依賴性前列腺癌

晚期前列腺癌患者經(jīng)激素去勢治療后往往發(fā)展成為去勢抵抗性的前列腺癌，雖然患者全身雄激素水平低下，但去勢抵抗性的前列腺癌細(xì)胞能在低水平雄激素的環(huán)境中生長，考慮可能與內(nèi)源性雄激素受體異?；顒佑嘘P(guān)。Chen 等［17］應(yīng)Hh 抑制劑環(huán)耙明作用于雄激素剝奪和雄激素非依賴性前列腺癌細(xì)胞，結(jié)果與雄激素調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)呈劑量依賴性。Shaw 等［18］通過研究雄激素非依賴性前列腺癌(AIPC)患者血液中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞，把AIPC 的腫瘤細(xì)胞長期培養(yǎng)于低雄激素水平條件下，檢測結(jié)果顯示Hh 信號通路蛋白受體Ptch 趨向于高表達(dá)。將Hh 信號通路抑制劑環(huán)靶明(cyclopamine)作用于AIPC 培養(yǎng)液，結(jié)果抑制了循環(huán)腫瘤細(xì)胞生長。說明Hh 信號通路有助于非激素依賴性前列腺癌細(xì)胞的生長。

3.4 Hedgehog 信號通路與轉(zhuǎn)移性前列腺癌

Hh 信號通路同樣參與腫瘤的侵襲及轉(zhuǎn)移。Karhadkar 等［15］通過免疫組織化學(xué)研究前列腺癌手術(shù)標(biāo)本，結(jié)果顯示癌旁正常組織、局限性前列腺癌、轉(zhuǎn)移性前列腺癌均表達(dá)Shh 和Ihh，但正常前列腺組織不表達(dá)Ptch 和Gli，12 例局限性前列腺癌中只有3 例表達(dá)Ptch 和Gli，轉(zhuǎn)移性前列腺癌均表達(dá)Ptch和Gli。實時半定量RT -PCR 進一步分析提示，局限性前列腺癌中Ptch mRNA 的最高水平尚不及轉(zhuǎn)移性前列腺癌中最低水平的十分之一，說明轉(zhuǎn)移性前列腺癌中Hh 信號通路被強烈激活。Karhadkar同時對裸鼠進行研究發(fā)現(xiàn)，具有低轉(zhuǎn)移潛能的前列腺癌細(xì)胞株AT2.1 為Hh 通路受體低表達(dá)型，具有高潛能的前列腺癌細(xì)胞株AT6.3 為Hh 通路受體高表達(dá)型，裸鼠皮下注射AT6.3 細(xì)胞后能產(chǎn)生廣泛的內(nèi)臟器官轉(zhuǎn)移，于接種后18 d 內(nèi)全部死亡，而皮下注射AT2.1 細(xì)胞的裸鼠在30 d 內(nèi)未死亡并且未發(fā)現(xiàn)內(nèi)臟轉(zhuǎn)移。隨后將Gli 穩(wěn)定轉(zhuǎn)染于AT2.1 細(xì)胞，結(jié)果導(dǎo)致所有接種AT2.1 細(xì)胞的裸鼠16 d 內(nèi)死亡，AT2.1 -Gli 細(xì)胞出現(xiàn)廣泛內(nèi)臟轉(zhuǎn)移，說明Hh 信號通路的激活加速了前列腺癌細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移。

4 Hh 信號通路和前列腺癌的靶向治療

針對Hh 信號通路中不同層次的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子及其相互作用分子的研究越來越多，使其有可能成為腫瘤治療的新靶點。最早發(fā)現(xiàn)的能抑制Hh 通路活性的藥物是環(huán)靶明，其是一種植物性甾體類生物堿，其抗腫瘤機制是通過cyclopamine 與Smo 的特異性結(jié)合，抑制Smo 的細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，降低了腫瘤基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，從而抑制Hh 信號通路產(chǎn)生抗腫瘤作用［19］。Karhadkar 等［15］將前列腺癌PC3 及22RV1 腫瘤異種移植小鼠皮下后用cyclopamine 治療，注射cyclopamine 50 mg/kg·d，20 ～24 d 后腫瘤全部消失，停止治療后腫瘤無復(fù)發(fā)，治療取得了良好的效果。由于環(huán)杷明的特異性強及毒副作用小的特點，可能成為臨床靶向治療特異性藥物，但由于其穩(wěn)定性低及溶解度差等理化性質(zhì)，現(xiàn)在改造后的cyclopamine 及其衍生物作為抗癌藥物的研究已經(jīng)進入Ⅰ期甚至Ⅱ期臨床研究階段(如GDC-449、IPI -926 等)。

針對Hh 信號通路的多靶點聯(lián)合阻斷治療的研究也越來越多，優(yōu)于單一靶向治療。Mimeault 等［20］研究發(fā)現(xiàn)EGFR 和Shh 在轉(zhuǎn)移性前列腺癌細(xì)胞系LNCaP、DUl45 和PC3 細(xì)胞同時高水平表達(dá)，用吉非替尼和cyclopamine 分別抑制EGFR 酪氨酸激酶和Shh，同時聯(lián)合使用臨床化療藥物多西紫杉醇，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聯(lián)合用藥對轉(zhuǎn)移性前列腺癌細(xì)胞系具有明顯的抗增殖和細(xì)胞毒作用，聯(lián)合用藥比單一化療藥物能夠獲得更高的細(xì)胞凋亡率。隨后Shaw 等［21］也做過類似研究，其聯(lián)合運用ErbB 受體抑制劑吉非替尼和Hh 信號通路抑制劑cyclopamine 作用于非雄激素依賴性前列腺癌細(xì)胞系LNCaP C4 -2B 中，結(jié)果出現(xiàn)協(xié)同抑制作用，聯(lián)合用藥明顯降低了非雄激素依賴型前列腺癌增殖活動。還有研究表明紫杉醇與Hh信號通路抑制劑cyclopamine 聯(lián)合作用可以逆轉(zhuǎn)非雄激素依賴性前列腺癌、轉(zhuǎn)移性前列腺癌對化療藥物的耐藥性［22］。

5 總 結(jié)

綜上所述，Hedgehog(Hh)信號通路與前列腺胚胎發(fā)育、器官形成密切相關(guān)，在前列腺癌的形成、侵襲、轉(zhuǎn)移過程中起十分重要的作用。但對于Hh信號通路如何調(diào)控前列腺癌的機制尚不清楚，因此深入研究前列腺癌發(fā)生的分子機制，探尋Hh 信號通路與前列腺癌的內(nèi)在聯(lián)系，尋求有效的靶標(biāo)，是亟待解決的問題。晚期前列腺癌的治療仍是難點，相信隨著靶向治療的研究發(fā)展，針對Hh 信號通路的靶向藥物單獨或聯(lián)合其它化療藥物應(yīng)用，對晚期前列腺癌尤其是雄激素非依賴性前列腺癌的治療將會呈現(xiàn)廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ Nusslein - Volhard C，Wieschaus E. Mutations affecting segment number and polarity in Drosophila［J］. Nature，1980，287(5785):795 -801.

［2］ Kayed H，Kleeff J，Kejeg S，et al. Distribution of Indian hedgehog and its receptors patched and smoothened in human chronic pancreatitis［J］.J Endocrinol，2003，178(3):467 -478.

［3］ Huangfu D，Anderson KV. Signaling from Smo to Ci/Gli:conservation and divergence of Hedgehog pathways from Drosophila to vertebrates［J］. Development，2006，1(133):3 -14.

［4］ Lum L，Beachy PA. The hedgehog response network:sensor，switches and Routers［J］. Science，2004，304(8):1755 -1759.

［5］ Toftgard R.Hedgehog signalling in cancer［J］.Cell Mol Iife Sci，2000，57(12):1720 -1731.

［6］ Podlasek CA，Barnett DH，Clemens JQ，et al.Prostate development requires Sonic hedgehog expressed by the urogenital sinus epithelium［J］.Dev Biol，1999，209(1):28 -39.

［7］ Barnett DH，Huang HY，Wu XR，et al.The human prostate expresses sonic hedgehog during fetal development［J］.Urol，2002，168(5):2206 -2210.

［8］ Berman DM，Desai N，Wang Xi，et al. Roles for Hedgehog signaling in androgen production and prostate ductal morphogenesis［J］.Dev Biol，2004，267(2):387 -398.

［9］ Fan L，Pepicelli CV，Dibble CC，et al.Hedgehog signaling promotes prostate xenograft tumor growth［J］. Endocrinology，2004，145(8):3961 -3970.

［10］ Mostofi FK，Sesterhenn IA，Davis CJ，et al.Prostatic carcinoma problems in the interpretation of prostatic biopsies［J］.Hum Pathol，1992，23(3):223 -241.

［11］ Chen BY，Lin DP，Liu JY，et al.A mouse prostate cancer model induced by Hedgehog overexpression［J］.J Biomed Sci，2006 (13):373 -384.

［12］ Chang HH，Chen BY，Wu CY，et al.Hedgehog overexpression leads to the formation of prostate cancer stem cells with metastatic property irrespective of androgen receptor expression in the mouse model［J］. J Biomedl Sci，2011，18(6):1 -11.

［13］ Stecca B，Mas C，Altaba AR. Interference with HH -GLI signaling inhibits prostate cancer［J］. Trends Mol Med，2005，11(5):199 -203.

［14］ Sanchez P，Hernandez AM，Stecca B，et al. Inhibition of prostate cancer proliferation by interference with Sonic hedgehog - Gli - 1 signaling［J］. Pros Natl Acad Sci USA，2004，101(34):12561 -12566.

［15］ Karhadkar SS，Bova GS，Abdallah N，et al. Hedgehog signaling in prostate regeneration，neoplasia and metastasis［J］.Nature，2004，431(7009):707 -712.

［16］ Chad M，McKee CM，Xu D，et al.Protease nexin 1 inhibits hedgehog signaling in prostate adenocarcinoma［J］. J Clinl Invest，2012，122(11):4025 -4036.

［17］ Chen M，F(xiàn)euerstein MA，Levina E，et al. Hedgehog/Gli supports androgen signaling in androgen deprived and androgen independent prostate cancer cells［J］. Mol Cancer，2010，9(89):1 -12.

［18］ Shaw G，Price AM，Ktori E，et al. Hedgehog Signalling in Androgen Independent Prostate Cancer［J］. J Homepage，2008，54(6):1333 -1343.

［19］ Chen JK，Taipale J，Coooper MK，et al.Inhibition of Hedgehog signaling by direct binding of cyclopamine to smoothened［J］.Genes Dev，2002，16(21):2743-2748.

［20］ Mimeault M，Johansson SL，Vankatraman G，et al.Combined targeting of epidermal growth factor receptor and hedgehog signaling by gefitinib and cyclopamine cooperatively improves t he cytotoxic effects of docetaxel on metastatic prostate cancer cells［J］.Mol Cancer Ther，2007，6(3):967 -978.

［21］ Shaw G，Prowse DM.Inhibition of androgen -independent prostate cancer cell growth is enhanced by combinationt herapy targeting Hedgehog and ErbB signaling［J］.Cancer Cell Int，2008，8(3):1 -11.

［22］ Singh S，Chitkara D，Mehrazin R，et al.Chemoresistance in Prostate Cancer Cells Is Regulated by miRNAs and Hedgehog Pathway［J］. PloS ONE，2012，7(6):e40021，1 -13.