Hedgehog信號傳導通路及其生物學功能①

閔 明 王婷婷 張繼東

(遵義醫(yī)科大學免疫學教研室 貴州省基因檢測與治療特色重點實驗室，遵義 563000)

Hedgehog(Hh)信號傳導通路最初是在果蠅身上發(fā)現(xiàn)的，是一條高度保守的信號通路途徑[1]。果蠅的Hh基因突變導致幼蟲體表出現(xiàn)許多刺突，形似刺猬，故名Hedgehog。Hh信號轉導通路無論在胚胎期還是胚胎形成后，幾乎對所有器官的發(fā)育都至關重要。機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的維持，需要Hh信號通路在特定的時間、組織細胞中被正常激活，異常的激活會導致組織細胞異常增殖分化，引發(fā)發(fā)育異?；蛘吣[瘤。本文將綜述Hh在生理和病理狀態(tài)下的生物學功能，以進一步全面而深入地總結Hh信號通路的最新研究進展，旨在為更好地理解和研究此信號通路在生物體內(nèi)的調控作用提供參考。

1 Hh信號傳導通路

Hh信號通路主要由配體、受體、轉錄因子3部分構成。配體一共有3種，包括Sonic hedgehog(Shh)、Desert hedgehog(Dhh)和Indian hedgehog(Ihh)。受體有Patched(Ptch)和Smoothened(Smo)兩種，Ptch受體又分為Ptch1和Ptch2。轉錄因子Gli(Glioma-associated oncogene)擁有3種類型：Gli1、Gli2和Gli3。Gli1參與激活目的基因轉錄，Gli2和Gli3既能激活又能抑制目的基因的轉錄。

與其他調控生長發(fā)育信號通路不同的是，脊椎動物Hh信號通路依賴于高度專業(yè)化的細胞器——初級纖毛。初級纖毛是突出于細胞表面的微管樣結構的細胞器，廣泛存在于各種類別細胞表面[2]。初級纖毛是具有感受能力的細胞器，能感受Hh信號，調節(jié)信號通路[3]。在沒有Hh配體的情況下，Ptch受體位于初級纖毛的底部，抑制Smo向初級纖毛內(nèi)轉移，從而抑制其活化；Gli則被依賴環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)的激酶A(Protein kinase A，PKA)磷酸化后分解為Gli抑制物(GLIR)，GLIR抑制細胞核內(nèi)目的基因轉錄。PKA的調節(jié)亞基和催化亞基都位于纖毛基底部，感受cAMP促進GLIR的生成，調節(jié)Gli2不恰當?shù)鼗罨痆4]。當纖毛感受到Hh信號，并且Hh與Ptch受體結合，解除對Smo的抑制作用，Smo即向初級纖毛內(nèi)轉移，到達纖毛頂端與Sufu(Suppressor of fused homolog)相互作用，使Gli活化轉導入細胞核，與目的基因啟動子結合，使目的基因轉錄。此通路為經(jīng)典的Hh信號激活途徑。

經(jīng)典途徑的Hh信號傳導高度依賴初級纖毛，要求纖毛在結構和功能上保持良好的完整性[5]。非經(jīng)典的Hh信號傳導則是不依賴受體，Gli直接被活化來調控目的基因的表達[6]。之前普遍認為只有初級纖毛參與Hh信號通路的調控，近來有研究報道在缺乏初級纖毛的肺部，Shh通過運動纖毛介導的非經(jīng)典途徑調節(jié)細胞間的cAMP，進而調節(jié)運動纖毛的運動頻率和氣道表面液體pH值[7]。

2 Hh信號通路介導的生物學功能

Hh也被稱為成形素，調控祖細胞分化為特定成熟細胞，參與組織形成并發(fā)揮調控功能。但是Hh信號通路調控紊亂，會引起發(fā)育異常和腫瘤生成。近年來，研究者在睪丸形成、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、免疫調節(jié)、腫瘤形成方面進行了大量的研究。

2.1Hh信號通路參與T細胞的分化發(fā)育 胸腺是T細胞分化、發(fā)育、成熟的場所。T細胞在胸腺中需經(jīng)歷3個連續(xù)的發(fā)育階段：CD4-CD8-雙陰性(Double negative,DN)階段、CD4+CD8+雙陽性(Double posit-ive,DP)階段、CD4+或CD8+單陽性(Single positive，SP)階段。DN階段根據(jù)CD44和CD25的表達情況依次分為CD44+CD25-(DN1)、CD44+CD25+(DN2)、CD44-CD25+(DN3)、CD44-CD25-(DN4)[8]。

Hh配體參與T細胞發(fā)育每一階段的調節(jié)，而且相同配體在細胞不同發(fā)育階段的作用不盡相同。DN1向DN2分化時，Ihh、Shh、Gli2、Gli3能促進分化，使處于DN2時期細胞的數(shù)量增多。Dhh、Shh、Ihh阻礙DN3、DN4向DP分化。Shh-/-基因敲除會使DN3、DN4無法完成T細胞抗原受體β鏈(T cell receptor β-chain，TCR-β)鏈重排，導致DN4無法進入陽性選擇而發(fā)生凋亡。Gli3在此階段能抑制Shh作用，促使DN向DP分化[9]。在Dhh-/-基因敲除小鼠中，雖然胸腺細胞總數(shù)會增多，但是細胞多停留在DN3階段，延遲進入陽性選擇[10]。DP高表達Ihh，能反饋調節(jié)DN3，控制細胞分化進程，維持穩(wěn)態(tài)。DP在Shh缺失的情況下，向SP分化的比例會增高。

另外，Hh信號通路通過調控胸腺上皮細胞(Thymic epithelial cells,TECs)的分化，間接調控T細胞的分化發(fā)育[11]。

2.2Hh信號通路參與炎性反應

2.2.1Hh信號通路參與脂肪炎性反應 脂肪組織的慢性低度炎性反應被認為是引起肥胖的關鍵因素。脂肪組織的炎性反應主要表現(xiàn)為巨噬細胞的浸潤，尤以M1型巨噬細胞為主。炎性反應會使細胞損傷釋放損傷相關物質，例如高遷移率族蛋白1(High mobility group box-1 protein，MGB1)、S100蛋白、氧化型低密度脂蛋白 (Low density lipoprotein，LDL)等。其中由活化的巨噬細胞釋放的S100A8作為巨噬細胞的趨化物，進一步促進巨噬細胞遷移[12]。巨噬細胞作為Hh的靶細胞，受Hh信號通路的調控。Hh信號通路能抑制脂肪組織炎性反應，加強糖代謝，減輕脂肪重量。在條件敲除骨髓細胞Smo基因而創(chuàng)建Lys-Smo-/-小鼠模型中，小鼠在高脂飲食條件下會出現(xiàn)脂肪組織重量增加、炎性反應加重和糖耐量受損等癥狀[13]。

2.2.2Hh信號通路參與胃腸道炎性反應 研究表明，胃腸道上皮細胞主要表達Shh、Ihh配體，相應的配體與基質細胞表面受體結合，激活Hh信號通路抑制胃腸道炎性反應。在幽門螺桿菌感染的胃部，壁細胞分泌的Shh參與免疫抑制[14]。在結腸中，Hh信號通路活化后誘導基質細胞分泌抗炎因子IL-10；促使調節(jié)性T細胞參與抗炎反應[15]；抑制成纖維細胞分泌趨化因子配體趨化因子12 (C-X-C motif chemokine 12，CXCL12)，降低對炎性細胞的趨化作用，從而抑制炎性反應。反之，抑制Hh信號通路，會引起腸道性炎癥，破壞腸道結構，影響腸道功能[16]。

2.3Hh信號通路參與神經(jīng)系統(tǒng)調節(jié) Hh信號通路對于神經(jīng)系統(tǒng)的調控，從胚胎發(fā)育開始就顯得極其重要。在胚胎期，外胚層細胞增殖、內(nèi)陷，最終離開外胚層表面形成中空的神經(jīng)管。神經(jīng)底板和脊索分泌的Shh，在神經(jīng)管內(nèi)形成不同的濃度梯度[17]。神經(jīng)祖細胞(Neural progenitor cells，NPCs)在不同濃度梯度的Hh信號調控下，不同區(qū)域的NPCs分化為不同類型的細胞[18，19]。神經(jīng)管是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的原基，閉合的神經(jīng)管前段發(fā)育為腦，后段發(fā)育為脊髓。

Bay等[20]發(fā)現(xiàn)在胚胎期小腦發(fā)育過程中，浦肯野纖維細胞分泌的Shh通過Gli調控細胞周期，刺激小腦顆粒細胞前體細胞(Cerebellar granule neuron precursors，CGNPs)分裂增殖，形成小腦的內(nèi)部顆粒層。藥物如糖皮質激素或基因突變使Shh、Ptch、Smo減少，引起CGNPs增殖減慢，小腦發(fā)育不良，髓母細胞瘤形成。然而添加Shh激動劑(Sonic hedgehog agonist，SAG)后，浦肯野纖維細胞的數(shù)量恢復到正常水平，小腦發(fā)育狀況有所改善[21]。由此猜想，Shh參與了神經(jīng)的損傷修復。

Angeloni等[22]建立大鼠海綿體神經(jīng)(Cavernous nerve，CN)損傷的模型，探究Shh 對CN的修復作用。正常情況下盆底神經(jīng)節(jié)(Pelvic ganglia，PG)合成的Shh被轉運到CN，用于維持CN的形態(tài)結構。當CN發(fā)生損傷斷裂時，Shh轉運障礙，CN中的Shh降低，引起CN形態(tài)改變以及脫髓鞘和軸突變性。在較高濃度的Shh治療下，由于膠質纖維酸性蛋白(Glial fibrillary acidic protein，GFAP)降低，從而更有效地減低CN損傷。在發(fā)生脫髓鞘反應后，胼胝體內(nèi)腦室來源的少突膠質細胞在Shh信號調控下重新形成髓鞘[23]。研究者對面部神經(jīng)損傷進行研究時，發(fā)現(xiàn)面部神經(jīng)細胞中Shh表達上調，Shh作用于成纖維細胞，使成纖維細胞參與損傷神經(jīng)的修復[24]。

由此可見，Shh參與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，并作為神經(jīng)保護劑參與神經(jīng)修復，維持神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)。

2.4Hh信號通路在睪丸形成中的作用 睪丸中管周肌樣細胞、內(nèi)皮細胞、間質細胞(Leydig)、初級精母細胞、次級精母細胞、圓形精子中都有受體Ptch1的表達[25]。Dhh與Ptch1結合，參與生殖細胞、管周肌樣細胞、Leydig細胞的分化以及睪丸索的形成[26]。

Hh信號通路兩個重要組分——Gli1、Sufu，在大鼠生殖細胞不同發(fā)育階段，呈現(xiàn)不同的表達水平。Sufu從第9階段(Ⅸ期)精細胞開始表達，在第10～13階段(Ⅹ～ⅩⅢ期)表達最強，在第15～18階段(Ⅰ～Ⅵ期)不表達。Gli的表達則不同，Gli表達于胞質，在第9～14階段(Ⅸ～ⅩⅣ期)不表達，第16～18階段(Ⅱ～Ⅵ期)高表達。這種差異表達說明Sufu使Hh信號通路在Ⅸ～ⅩⅣ期呈現(xiàn)關閉狀態(tài)，使Gli停留在胞質中，抑制Hh信號通路的活化，調控生殖細胞的發(fā)育。如果加入Hh信號通路抑制劑環(huán)杷明，還會引起生殖細胞凋亡增加。所以，Hh信號通路參與生殖細胞的增殖、分化、凋亡[27]。除此以外，有研究表明Hh信號通路通過調節(jié)干細胞微環(huán)境間接調節(jié)干細胞的增殖、分化甚至凋亡[28]。

Sertoli細胞是睪丸中唯一能合成Dhh的細胞，Dhh作用于間質細胞祖細胞，使其分化為Leydig 細胞。Leydig細胞是睪丸中合成睪酮的細胞，但在胚胎期只有睪丸間質細胞干細胞(Stem Leydig cells，SLCs)不具有睪酮合成的能力。在Dhh、Wnt、Notch等信號通路和促黃體素(Luteinizing hormone，LH)、卵泡刺激素(Follicle-stimulating hormone，F(xiàn)SH)的共同調控下，SLGs逐步分化為睪丸間質細胞祖細胞(Progenitor Leydig cells，PLCs)、未成熟的睪丸間質細胞(Immature Leydig cells，ILCs)和成熟的睪丸間質細胞(Adult Leydig cells，ALCs)[29]。

在Dhh-/-基因敲除小鼠中，Leydig細胞分化障礙，不能有效地參與睪丸索的形成。不完整的睪丸索，不能起到很好的屏障作用，使少部分生殖細胞穿越睪丸索，零星分布在間質中。在間質中的生殖細胞不能進行減數(shù)分裂，導致生精障礙[30,31]。然而Hh信號通路的持續(xù)激活，會使苗勒管退化受阻，出現(xiàn)睪丸和苗勒管同時存在的現(xiàn)象[32]。

2.5Hh信號通路參與腫瘤形成 腫瘤之所以具有無限增殖能力，歸因于腫瘤干細胞的不斷自我更新的能力。研究表明Hh參與了腫瘤干細胞增殖和分化的調控，而且Hh信號通路持續(xù)異?；罨?，與腫瘤的發(fā)生具有很高的相關性[33，34]。Hh信號通路通過配體非依賴型、配體依賴的自分泌型、配體依賴的旁分泌型3種方式異常活化。

針對Hh信號通路異常激活這一現(xiàn)象，應運而生了一系列針對各組分的阻斷劑。5E1是針對Ptch的單克隆抗體；XL-139、LEQ506是Smo抑制劑；Gli的拮抗劑有GANT56、GANT61等[35]。Gli的拮抗劑GANT61被證實不僅可以抑制乳腺癌細胞增殖，而且能減少細胞活力，降低癌細胞侵襲性。在傳統(tǒng)治療方法達不到預期的情況下，有研究者將抑制劑與傳統(tǒng)治療方法相結合，以期達到更好的治療效果。例如在進行放療和順鉑化療治療宮頸癌的同時加入Smo抑制劑，發(fā)現(xiàn)不僅沒有增加胃腸道毒理作用，而且使宮頸癌細胞增殖減慢，淋巴結轉移減少[36]。

但是隨著一些抑制劑在臨床上的廣泛使用，部分患者出現(xiàn)了耐藥現(xiàn)象，尤其是針對Ptch和Smo受體的阻斷藥。而且隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)耐藥機制不僅涉及編碼Hh組分基因突變，也可由基因突變以外的原因引起。在使用維莫德吉治療基底細胞瘤(Basal cell carcinomas，BCCs)出現(xiàn)耐藥現(xiàn)象的患者中，就有大約50%的耐藥患者不存在受體基因突變。Whitson等[37]針對這一耐藥現(xiàn)象進行深入研究，揭示了其耐藥機制，即通過RhoA-mDia(mouse Diaphanous)-actin-SRF-巨核細胞白血病1(Mega-karyoblastic leukemia 1，MKL1)級聯(lián)反應，激活非經(jīng)典Hh信號通路。RhoA在成蛋白家族成員mDia的作用下活化，促使細胞骨架中球狀肌動蛋白(Globular actin，G-actin)轉換為纖維狀肌動蛋白(Fibros actin，F(xiàn)-actin)。G-actin的減少使MKL1蛋白釋放增多，進而轉入細胞核內(nèi)。F-actin積聚增多，使MKL1活化?；罨腗KL1作為轉錄因子血清反應因子(Transcription factor serum response factor，SRF)的輔助因子，和SRF共同結合到Hh信號通路靶基因旁邊位點，和Gli1形成一種蛋白復合物，增強Gli1的活性，促進目的基因的轉錄。新的耐藥機制的發(fā)現(xiàn)，也詮釋了一個新的藥物靶點——MKL1。他們的實驗也證明了在Hh信號通路抑制劑維莫德吉耐藥情況下使用MKL1抑制劑，可以更有效地降低Gli1的表達，抑制腫瘤的增長。

在受體阻斷劑耐藥情況嚴重的背景下，Gli拮抗劑和新藥物靶點的發(fā)現(xiàn)以及相關藥物的開發(fā)被寄予很高的希望。

3 結語

Hh信號通路作為一條經(jīng)典的調控生長發(fā)育的信號通路，調控功能強大，調控范圍幾乎涉及所有的組織、器官。目前研究成果主要集中在調節(jié)T細胞分化發(fā)育、免疫調節(jié)、睪丸形成、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、腫瘤形成方面。隨著廣泛而深入的研究，其他的生理學功能相繼被發(fā)現(xiàn)，例如Hh參與B細胞的分化成熟、軟骨成骨、血管形成、肝臟修復等[38-41]。不僅如此，Hh信號通路還和其他信號通路共同調節(jié)生命活動。然而不容忽視的是，Hh信號通路的異常活化會引發(fā)發(fā)育異常和腫瘤。針對不同的腫瘤，Hh信號通路具體的調控機制還需要繼續(xù)深入研究。只有全面而深入地了解Hh信號通路在生理和病理狀態(tài)下的生物學功能及其調控機制，才能為進一步的研究提供新的思路，更好地實現(xiàn)其臨床應用價值。