幾丁質(zhì)酶3-樣1在腫瘤中的研究進(jìn)展

余志龍，姜可偉

（北京大學(xué)人民醫(yī)院胃腸外科/北京大學(xué)人民醫(yī)院外科腫瘤研究室/結(jié)直腸癌診療研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100442）

黨的十八大以來，醫(yī)療衛(wèi)生體制改革使我國近14億人受益，尤其是抗癌藥零關(guān)稅、加快抗癌新藥審批、抗癌藥品集中采購等政策，使更多腫瘤患者用上了放心藥、廉價(jià)藥。為了人民的健康，改革的腳步還在繼續(xù)，針對(duì)腫瘤的基礎(chǔ)和臨床研究也未停止腳步。幾丁質(zhì)酶3-樣1（chitinase 3-like 1，CHI3L1）是哺乳動(dòng)物幾丁質(zhì)酶家族的成員，但缺乏幾丁質(zhì)酶活性。CHI3L1是由多種類型細(xì)胞產(chǎn)生，具有細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子特性的凝集素[1]。在炎癥性疾病和各種類型的癌癥患者的循環(huán)血液中，CHI3L1的表達(dá)水平升高，如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、炎癥性腸病、支氣管疾病哮喘、乳腺癌、肺癌、前列腺癌、消化道腫瘤和其他類型癌癥等[2-5]。此外，CHI3L1作為生長(zhǎng)因子，具有誘導(dǎo)靶細(xì)胞增殖和遷移的能力，成為腫瘤治療中有吸引力的靶點(diǎn)[6]。更重要的是，研究表明CHI3L1在腫瘤的進(jìn)展和免疫中具有重要作用[7]。本文旨在討論CHI3L1在癌癥中作用的最新研究成果，分析其作為腫瘤調(diào)節(jié)劑的具體作用機(jī)制，現(xiàn)綜述如下。

1 CHI3L1的蛋白結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

CHI3L1基因位于人染色體1q31～1q32上，由7498個(gè)堿基對(duì)和10個(gè)外顯子組成，基因組DNA長(zhǎng)約8 kbp。CHI3L1是糖苷水解酶家族18中不可缺少的成員，其與幾丁質(zhì)結(jié)合，但缺乏幾丁質(zhì)酶活性。與具有幾丁質(zhì)酶活性相比，CHI3L1蛋白幾丁質(zhì)結(jié)構(gòu)中催化活性必需氨基酸發(fā)生突變，質(zhì)子供體谷氨酸變?yōu)楫惲涟彼幔瑢?dǎo)致類幾丁質(zhì)酶樣蛋白失去催化能力[8]。晶體衍射研究表明，CHI3L1的三維結(jié)構(gòu)是一個(gè)由β+α結(jié)構(gòu)域嵌入形成的（β/α）8-barrel折疊，（β/α）8-barrel由8個(gè)首尾相接的βα二級(jí)結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，即β1α1β2α2…β8α8，形成內(nèi)外兩層筒狀結(jié)構(gòu)，見圖1（圖片來自PDB蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫）。內(nèi)層桶由相鄰的β折疊股構(gòu)成（其中β8與β1通過氫鍵連接），外層桶由8個(gè)α螺旋構(gòu)成。此外，CHI3L1蛋白的（β/α）8-barrel結(jié)構(gòu)域中的β鏈C端中還有一個(gè)43殘基的碳水化合物結(jié)合裂隙。本質(zhì)上，蛋白質(zhì)-碳水化合物的相互作用主要是由側(cè)面的堆積。這種結(jié)構(gòu)表明，CHI3L1作為一種傳感器，可以開啟先天防御，不僅可調(diào)節(jié)感染導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)，還會(huì)促進(jìn)腫瘤的發(fā)生[9]。

圖1 CHI3L1蛋白三維結(jié)構(gòu)Figure 1 Three-dimensional structure of CHI3L1 protein

2 CHI3L1的生物學(xué)功能

CHI3L1最初被發(fā)現(xiàn)于MG63細(xì)胞系培養(yǎng)的上清液中，也在人關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞的單層或外植體培養(yǎng)物中被鑒定出來，并被稱為人軟骨糖蛋白39（human cartilage glycoprotein 39，HC-gp39）。此外，由于CHI3L1以分泌形式存在3個(gè)N端氨基酸殘基：酪氨酸（tyrosine，Y）、賴氨酸（lysine，K）和亮氨酸（leucine，L），且分子量為40 kDa，因此，又被命名為YKL40[10]。CHI3L1由多種細(xì)胞產(chǎn)生，包括巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、干細(xì)胞、骨細(xì)胞、滑膜細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、肝星狀細(xì)胞、乳腺上皮細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞。CHI3L1可調(diào)節(jié)氧化損傷、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞焦亡、炎癥小體激活、Th1/Th2炎癥平衡、M2型巨噬細(xì)胞分化、樹突狀細(xì)胞（dendritic cells，DC）積累、TGF-β1表達(dá)、細(xì)胞外基質(zhì)調(diào)節(jié)等多種必要的生物學(xué)過程，在保護(hù)機(jī)體免受病原體、抗原誘導(dǎo)和氧化誘導(dǎo)的損傷反應(yīng)、炎癥反應(yīng)及組織修復(fù)和重塑方面具有關(guān)鍵作用[11-13]。

研究發(fā)現(xiàn)，CHI3L1可通過MAPK和Akt信號(hào)傳導(dǎo)的磷酸化促進(jìn)滑膜細(xì)胞、關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞、皮膚和胎兒肺成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)。因此，CHI3L1沉默會(huì)降低HEK293和U87細(xì)胞增殖[14]。此外，CHI3L1還與IGF-1協(xié)同作用，通過啟動(dòng)在組織纖維化中起主要作用的MAPK/Erk1/2和磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)來刺激成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)。從本質(zhì)上講，MAPK和PI3K通路在有絲分裂、生長(zhǎng)、增殖、凋亡和癌細(xì)胞轉(zhuǎn)化中均具有重要作用[15]。

CHI3L1可驅(qū)動(dòng)免疫細(xì)胞激活和分化，對(duì)巨噬細(xì)胞分化、DC積累和Th1/Th2平衡有顯著影響[16]。與其他單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞標(biāo)記物相比，CHI3L1未在單核細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，但在人類巨噬細(xì)胞分化的后期階段受到強(qiáng)烈誘導(dǎo)，此時(shí)核Sp1與CHI3L1啟動(dòng)子結(jié)合以促進(jìn)人類巨噬細(xì)胞成熟的后期階段。但CHI3L1在單核細(xì)胞衍生的DCs的分化和成熟過程中以時(shí)間依賴性方式表達(dá)，并分布于未成熟和成熟DCs的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中[17]。另外，CHI3L1在CD4+T細(xì)胞極化和Th2炎癥的發(fā)病機(jī)制中具有重要作用。CHI3L1缺陷型的CD4+T細(xì)胞分化為Th1細(xì)胞。本質(zhì)上，CHI3L1在活化的T細(xì)胞和Th2細(xì)胞中表達(dá)，通過IFN-γ-STAT1軸的IFN-γ信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)節(jié)Th1和Th2分化。因此，CHI3L1是Th1極化和細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞表達(dá)的調(diào)節(jié)劑，可作為增強(qiáng)抗腫瘤免疫的潛在治療靶點(diǎn)[18]。

此外，在普通人群中發(fā)現(xiàn)，CHI3L1的3個(gè)啟動(dòng)子單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNPs）（rs4950928、rs10399805和rs10399931）、1個(gè) 非同義SNP（rs880633）和4個(gè)內(nèi)含子SNP（rs1538372、rs2071579、rs946259和rs2275353）與血清中表達(dá)水平相關(guān)，在處于或低于全基因組關(guān)聯(lián)顯著性水平[19]。因此，CHI3L1的遺傳變異與多種炎癥性和腫瘤性疾病的發(fā)生和預(yù)后密切相關(guān)。在歐洲血統(tǒng)的哮喘患者中，rs12141494的風(fēng)險(xiǎn)等位基因A被發(fā)現(xiàn)與氣道和嚴(yán)重哮喘中較高水平的CHI3L1相關(guān)[20]。同樣，在中國西南漢族人群中，CHI3L1的rs10399931 CT/TT基因型與哮喘風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)[21]。

3 CHI3L1在腫瘤中的作用

3.1 CHI3L1作為腫瘤標(biāo)記物迄今為止，已發(fā)現(xiàn)CHI3L1循環(huán)血液和腫瘤組織表達(dá)水平在許多實(shí)體腫瘤中顯著升高，包括膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、乳腺癌、結(jié)腸癌、肺癌、前列腺癌、膀胱癌、胃癌、子宮內(nèi)膜癌、食管鱗狀細(xì)胞癌、肝癌、胰腺癌、頭頸癌及其他腫瘤，通常預(yù)示病情惡化或較短的無病生存期，CHI3L1在多種類型腫瘤中的表達(dá)和預(yù)后見圖2（數(shù)據(jù)來自GEPIA和Kaplan-Meier Plotter數(shù)據(jù)庫）。研究[22]表明，CHI3L1在人卵巢癌組織和血漿中的表達(dá)與腫瘤分期和組織學(xué)類型相關(guān)，但僅血漿CHI3L1水平與預(yù)后具有相關(guān)性。同樣，在單變量和多變量分析中，乳腺癌患者組織中CHI3L1高表達(dá)水平與無病生存期和總生存期無明顯相關(guān)性，這與CHI3L1血清水平作為預(yù)后生物標(biāo)志物的報(bào)道一致[23]。此外，有研究[24]顯示，在人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中，CHI3L1的上調(diào)抵消了放療或化療的效果，表明有必要在放化療時(shí)監(jiān)測(cè)血漿CHI3L1水平的動(dòng)態(tài)變化。

圖2 CHI3L1在多種實(shí)體腫瘤中的表達(dá)和預(yù)后情況Figure 2 The expression and prognosis of CHI3L1 in a variety of solid tumors

然而，盡管在多數(shù)已確診癌癥患者的血液中發(fā)現(xiàn)CHI3L1表達(dá)水平升高，但單獨(dú)的CHI3L1并不預(yù)示癌癥，因?yàn)樵谠S多其他炎癥性疾病中同樣發(fā)現(xiàn)其表達(dá)水平升高。由于CHI3L1在人類疾病中的混雜表達(dá)，因此，其在血清中的表達(dá)水平并不能被認(rèn)為是腫瘤進(jìn)展的獨(dú)立特異性的生物標(biāo)志物。有研究發(fā)現(xiàn)，CHI3L1和其他腫瘤生物標(biāo)志物的組合被認(rèn)為在預(yù)測(cè)癌癥的腫瘤發(fā)生方面更加有效和準(zhǔn)確。例如，雖然糖抗原199（carbohydrate antigen-199，CA199）對(duì)人胰腺癌的診斷準(zhǔn)確性優(yōu)于CHI3L1或白細(xì)胞介素-6（interleukin-6，IL-6），但CHI3L1、IL-6和CA199的組合對(duì)胰腺癌的預(yù)測(cè)價(jià)值最佳[25]；CHI3L1與鱗狀細(xì)胞癌抗原（squamous cell carcinoma antigen，SCCA）（肝細(xì)胞癌的血清學(xué)標(biāo)志物）的組合顯著增加了檢測(cè)食管鱗癌的敏感性[26]。

3.2 CHI3L1對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移的影響有研究發(fā)現(xiàn)，CHI3L1刺激可導(dǎo)致肝癌細(xì)胞中SMAD2、SMAD3的磷酸化，同時(shí)也可通過調(diào)節(jié)TGFβ信號(hào)通路而促進(jìn)細(xì)胞增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移[27]。同樣，CHI3L1可通過激活MAPK/Erk信號(hào)通路增強(qiáng)結(jié)直腸癌SW480細(xì)胞的增殖，還可通過NF-κB信號(hào)通路促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞（包括SW480和COLO205細(xì)胞）增殖和遷移[28]。此外，CHI3L1可誘導(dǎo)促炎和促腫瘤發(fā)生分子的表達(dá)，包括CCL2、CXCL2、MMP-2和MMP-9等，使腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖[29]。

侵襲和轉(zhuǎn)移是惡性腫瘤的主要特征和影響患者預(yù)后的主要原因。研究報(bào)道有39%～91%發(fā)生腫瘤轉(zhuǎn)移的患者血清CHI3L1水平顯著升高，而高表達(dá)CHI3L1的腫瘤患者更易發(fā)生腫瘤轉(zhuǎn)移且總體生存預(yù)后較差[30]。因此，CHI3L1被提議作為腫瘤疾病的預(yù)后生物標(biāo)志物，包括甲狀腺乳頭狀癌、腦膠質(zhì)瘤、乳腺癌、前列腺癌、肺癌和肝細(xì)胞癌。上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）是一種關(guān)鍵的發(fā)育程序，可產(chǎn)生具有干細(xì)胞特性的細(xì)胞，通常在腫瘤轉(zhuǎn)移和侵襲過程中被激活。有研究[30]在非小細(xì)胞肺癌CL1-1、H23、H838、CL1-5和H2009等 細(xì) 胞 系 中 發(fā) 現(xiàn)，CHI3L1能 調(diào) 控Twist、Snail、Slug、N-鈣黏蛋白、波形蛋白和E-鈣黏蛋白等EMT標(biāo)志物的表達(dá)，這表明CHI3L1是非小細(xì)胞肺癌轉(zhuǎn)移的主要因素。同樣，又有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，CHI3L1的表達(dá)與前列腺癌細(xì)胞（DU145和PC3）的轉(zhuǎn)移性和侵襲性呈正相關(guān)，也是通過調(diào)控EMT相關(guān)基因的表達(dá)直接影響腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移[31]。另外，在具有高度侵襲性的膠質(zhì)細(xì)胞瘤中，KU等[32]猜測(cè)患者CHI3L1高表達(dá)與其迅速轉(zhuǎn)移相關(guān)，該研究通過沉默人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤U87MG細(xì)胞CHI3L的表達(dá)發(fā)現(xiàn)，U87MG細(xì)胞對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)底物的黏附能力顯著降低，同時(shí)細(xì)胞內(nèi)MMP-2的表達(dá)也明顯減少。

3.3 CHI3L1對(duì)腫瘤免疫的影響由于CHI3L1主要由中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞分泌，且其在先天免疫細(xì)胞中表達(dá)并參與內(nèi)皮功能障礙和組織重塑等生理過程，因此，CHI3L1在其高表達(dá)類型的腫瘤中，對(duì)其免疫應(yīng)答也有一定的影響。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，M2巨噬細(xì)胞分泌的CHI3L1與癌細(xì)胞質(zhì)膜上的IL-13Rα2相互作用，可觸發(fā)胃癌和乳腺癌中MAPK信號(hào)通路的激活。激活后，Erk和JNK信號(hào)會(huì)增強(qiáng)MMP的表達(dá)，而MMP會(huì)降解腫瘤微環(huán)境中的ECM，從而促進(jìn)轉(zhuǎn)移[7]。

另外，HE等[33]在黑色素瘤肺轉(zhuǎn)移模型中證實(shí)了CHI3L1在腫瘤免疫中的重要作用，該試驗(yàn)在CHI3L1轉(zhuǎn)基因小鼠中觀察到IL-13Rα2 wt小鼠肺轉(zhuǎn)移增加，而IL-13Rα2-/-或CHI3L1 Tg-/-老鼠肺轉(zhuǎn)移數(shù)顯著降低。證實(shí)了在黑色素瘤肺轉(zhuǎn)移中，CHI3L1與IL-13Rα2的結(jié)合對(duì)于TGF-β的誘導(dǎo)作用是必要的，對(duì)于抑制免疫監(jiān)視具有重要意義。純化的CHI3L1蛋白通過激活ERK1/2和JNK信號(hào)通路，強(qiáng)烈誘導(dǎo)人結(jié)腸癌SW480細(xì)胞產(chǎn)生IL-8和CCL2，增強(qiáng)體外THP-1細(xì)胞的遷移，增加體內(nèi)巨噬細(xì)胞向腫瘤組織的浸潤[34]。此外，CHI3L1的缺失或靶向抑制可增強(qiáng)Th1效應(yīng)細(xì)胞因子[干擾素-γ（interferon-γ，IFN-γ）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）]的產(chǎn)生和細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞反應(yīng)，從而增強(qiáng)抗腫瘤免疫并減少肺轉(zhuǎn)移。

3.4 CHI3L1在腫瘤治療中的作用由于CHI3L1在多種類型腫瘤患者中過量表達(dá)，因此，其被作為腫瘤中潛在的診斷預(yù)后標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)。FAIBISH等[35]發(fā)現(xiàn)在膠質(zhì)瘤細(xì)胞U87中使用CHI3L1中和抗體可以有效抑制微血管管狀內(nèi)皮細(xì)胞形成，消除CHI3L1誘導(dǎo)的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）受體2的表達(dá)，并通過阻斷Akt通路加速γ射線誘導(dǎo)的膠質(zhì)瘤細(xì)胞U87凋亡。另外，U87細(xì)胞在γ射線誘導(dǎo)下細(xì)胞死亡過程中能產(chǎn)生高水平的CHI3L1蛋白，而使用阻斷CHI3L1活性單克隆中和抗體會(huì)能降低異種移植模型中的腫瘤生長(zhǎng)、血管生成和轉(zhuǎn)移。上述結(jié)果表明，中和抗體能有效抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移。在另一項(xiàng)報(bào)道中，研究者在替莫唑胺耐藥（temozolomide resistance，TMZR）膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中加入CHI3L1抑制劑，能有效抑制細(xì)胞侵襲活性并部分恢復(fù)對(duì)TMZ藥物的敏感性。在添加抗CHI3L1抗體培養(yǎng)后可顯著減少胃癌（MKN-45）和乳腺癌（MDA-MB-231）細(xì)胞的黏附、遷移和侵襲。在乳腺癌中，尤其是一種針對(duì)KR富集區(qū)域（殘基334-345）的中和性抗CHI3L1抗體能夠有效抑制血管生成和腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移[36]。

除了抗CHI3L1特異性抗體和靶向化學(xué)抑制劑外，幾丁質(zhì)作為TH1佐劑和CHI3L1的配體，可以抑制CHI3L1的表達(dá)。有研究報(bào)道，在乳腺荷瘤小鼠模型中，幾丁質(zhì)治療可減少促炎介質(zhì)（CCL2，CXCL2和MMP-9）的誘導(dǎo)，抑制CHI3L1過表達(dá)誘導(dǎo)腫瘤生長(zhǎng)和肺轉(zhuǎn)移[37]。目前尚無開展針對(duì)CHI3L1抑制劑的臨床實(shí)驗(yàn)，但隨著對(duì)CHI3L1功能和調(diào)控機(jī)制的深入研究，CHI3L1在未來有望成為新的腫瘤靶向抑制目標(biāo)。

4 總結(jié)

CHI3L1血清水平與多種人類癌癥的不良預(yù)后之間的明確關(guān)聯(lián)促使了對(duì)CHI3L1廣泛的體外和體內(nèi)研究，旨在剖析其參與致癌作用和腫瘤進(jìn)展的機(jī)制。截至目前，已發(fā)表的研究揭示了CHI3L1在腫瘤細(xì)胞增殖、血管生成、炎癥、侵襲和轉(zhuǎn)移過程中幾乎無可爭(zhēng)議的支持作用，使其成為癌癥治療的新靶點(diǎn)。此外，CHI3L1自身嵌入β鏈的丙糖-磷酸異構(gòu)酶桶狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和類似凝集素結(jié)合的特性表明，其可通過與細(xì)胞表面蛋白聚糖上的細(xì)胞外成分和糖基結(jié)合來調(diào)節(jié)腫瘤進(jìn)展。黨的十八大以來，我國的衛(wèi)生健康事業(yè)快速發(fā)展，腫瘤的防治工作取得了顯著成效，對(duì)于癌基因和抑癌基因的探索更是不斷突破，為健康中國建設(shè)夯實(shí)基礎(chǔ)。盡管在探究CHI3L1功能方面取得了一定的成就，但關(guān)于其在人類腫瘤中的表達(dá)及與腫瘤預(yù)后的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)較零碎，需在未來進(jìn)行深入研究。