CHI3L1在膠質(zhì)瘤診治中的研究進(jìn)展

樊鵬偉，趙學(xué)明

膠質(zhì)瘤是顱內(nèi)常見的惡性腫瘤，分為低級(jí)別膠質(zhì)瘤[LGG、世界衛(wèi)生組織(WHO)Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)]和高級(jí)別膠質(zhì)瘤(HGG、WHOⅢ級(jí)或Ⅳ級(jí))兩類，其中，低級(jí)別膠質(zhì)瘤生長侵襲相對緩慢，高級(jí)別膠質(zhì)瘤則以快速生長和侵襲正常腦組織為特征[1]。高級(jí)別膠質(zhì)瘤主要包括多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤和間變性星形細(xì)胞瘤，兩者的中位總生存期分別為15個(gè)月和3年[2]。膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(GBM)是最致命和最具侵襲性的腦腫瘤類型，其特點(diǎn)是高度血管化的腫瘤和對放化療耐藥[3]。盡管近年來在膠質(zhì)瘤的治療方面有外科干預(yù)、放化療及更多新型療法的出現(xiàn)，但病人的臨床預(yù)后仍不佳。研究表明，膠質(zhì)瘤病人血清殼多糖酶3樣蛋白1(chitinase-3-like protein 1，CHI3L1)濃度明顯升高，且血清CHI3L1水平與膠質(zhì)瘤病人的不良預(yù)后明顯相關(guān)[4]。因此，CHI3L1有望成為膠質(zhì)瘤的新型生物標(biāo)志物及治療靶點(diǎn)。

1 CHI3L1的生物學(xué)結(jié)構(gòu)與功能

人類CHI3L1基因位于1q32.1染色體上，包含7 498個(gè)堿基對和10個(gè)外顯子，在人群中發(fā)現(xiàn)了3個(gè)啟動(dòng)子單核苷酸多態(tài)性(SNP，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)與血清水平相關(guān)聯(lián)，處于或低于全基因組關(guān)聯(lián)的上游水平[5]。天然蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)表明，CHI3L1由(β/α)8-桶狀折疊組成，具有β+α結(jié)構(gòu)域插入物，這對其在生理和病理過程中的功能至關(guān)重要[6]。由于存在以分泌形式出現(xiàn)的3個(gè)N末端氨基酸殘基酪氨酸(Y)、賴氨酸(K)和亮氨酸(L)，分子量為40 kDa，由此也命名為YKL-40。CHI3L1是哺乳動(dòng)物幾丁質(zhì)酶樣糖蛋白家族的成員，是一種由于幾丁質(zhì)酶活性位點(diǎn)對應(yīng)區(qū)域的氨基酸被取代而缺乏幾丁質(zhì)酶活性的凝集素[7]。CHI3L1由多種細(xì)胞類型產(chǎn)生，包括巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、平滑肌和內(nèi)皮細(xì)胞[8]，以及幾種類型的癌細(xì)胞，如乳腺癌、骨肉瘤、卵巢癌、肺癌和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤[9-10]。其在組織損傷、炎癥、組織修復(fù)和重塑反應(yīng)中發(fā)揮重要作用[11]。研究發(fā)現(xiàn)，多種疾病病人的血清YKL-40水平的升高與不良結(jié)局相關(guān)[12]，如哮喘、結(jié)節(jié)病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、肝硬化和動(dòng)脈粥樣硬化斑塊以及乳腺癌、結(jié)腸直腸癌、卵巢癌、腎癌、前列腺癌、小細(xì)胞肺癌、黑色素瘤及神經(jīng)膠質(zhì)瘤等惡性腫瘤[13]。

2 CHI3L1對膠質(zhì)瘤的影響

2.1 CHI3L1對于膠質(zhì)瘤血管生成的影響 膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是最致命的癌癥之一，其特征是具有很強(qiáng)的血管化表型[3]。腫瘤血管生成的典型特征是內(nèi)皮細(xì)胞的新生血管小管形成，然后是血管支持細(xì)胞的壁細(xì)胞腔隙性募集[14]。Francescone等[3]小鼠模型的研究表明，YKL-40具有誘導(dǎo)膜受體syndecan-1和整合素αvβ5的協(xié)同作用，并通過FAK397激活ERK-1和ERK-2的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子(VEGF)升高，促進(jìn)血管生成；還發(fā)現(xiàn)YKL-40不僅可作為一種獨(dú)立的血管生成誘導(dǎo)因子，而且具有促進(jìn)VEGF表達(dá)的能力，對血管生成具有協(xié)同作用，并且持續(xù)抑制VEGF會(huì)導(dǎo)致YKL-40上調(diào)，從而刺激血管快速恢復(fù)和腫瘤的重新生長，這增加了抗VEGF治療的耐藥性。Shao等[14]研究了YKL-40在壁細(xì)胞介導(dǎo)腫瘤血管生成中的潛在作用，通過在異體移植的腦腫瘤模型中使用抗YKL-40中和抗體(mAY)及電離輻射(IR)的組合可顯著抑制腫瘤生長并增加小鼠的存活率，mAY被證明通過N-鈣黏蛋白與β-連環(huán)蛋白的解離消除壁細(xì)胞介導(dǎo)的血管穩(wěn)定性并增加血管通透性，從而抑制血管生成。在YKL-40表達(dá)與腫瘤血管形成的相關(guān)性分析中，通過對內(nèi)皮細(xì)胞標(biāo)志物CD31進(jìn)行免疫組化染色，顯示YKL-H(YKL高表達(dá))的血管密度是YKL-L(YKL低表達(dá))的2.5倍，YKL-H中觀察到的血管直徑是YKL-L中的2.4倍。這些數(shù)據(jù)都提示YKL-40在腫瘤中的表達(dá)可能與血管穩(wěn)定性和血管生成有關(guān)。

2.2 CHI3L1對膠質(zhì)瘤細(xì)胞生長與增殖的影響 一些研究通過軟瓊脂轉(zhuǎn)化試驗(yàn)來測量細(xì)胞是否可以進(jìn)行錨定非依賴性生長，與不表達(dá)CH3L1的U373MG細(xì)胞系相比，表達(dá)內(nèi)源性CH3L1的U87MG細(xì)胞系在軟瓊脂中的集落形成能力更高，表明CHI3L1可以調(diào)節(jié)錨定非依賴性生長[12]。Kavsan等[15]的研究同樣發(fā)現(xiàn)，293-CH3L1細(xì)胞系在軟瓊脂中生長成大量的菌落，這種特性在用空載體轉(zhuǎn)染的細(xì)胞或用穩(wěn)定產(chǎn)生綠色熒光蛋白的載體轉(zhuǎn)染的細(xì)胞中沒有觀察到；其體內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，僅CHI3L1的過表達(dá)就足以使293細(xì)胞系在Wistar大鼠腦中致瘤，而在注射空載體轉(zhuǎn)染的293細(xì)胞大鼠中沒有觀察到腫瘤生長。Pelloski等[16]研究發(fā)現(xiàn)，YKL-40和活化的蛋白激酶B(Akt)途徑與絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)中間體之間存在正相關(guān)，而促分裂MAPK和Akt途徑成員的激活已顯示出促進(jìn)細(xì)胞增殖、存活和抗輻射的能力，這也支持了體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，向結(jié)締組織細(xì)胞中添加YKL-40蛋白會(huì)通過激活A(yù)kt和MAPK途徑導(dǎo)致細(xì)胞增殖增加。關(guān)于突變的IDH1抑制劑如何增加細(xì)胞生長的研究發(fā)現(xiàn)，突變的IDH1抑制劑激活致癌轉(zhuǎn)錄因子STAT3導(dǎo)致突變IDH1表達(dá)細(xì)胞中BCAT1和YKL-40水平的增加，觀察到STAT3過表達(dá)和白細(xì)胞介素-6(STAT3激活劑)治療增加了BCAT1和YKL-40水平，從而增加了細(xì)胞生長[17]。

2.3 CHI3L1對膠質(zhì)瘤侵襲與遷移的影響 腫瘤細(xì)胞的侵襲性是一個(gè)復(fù)雜的多步驟過程，包括細(xì)胞從其原始位置脫離，黏附到細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，細(xì)胞外基質(zhì)的蛋白水解和細(xì)胞通過破壞基質(zhì)的遷移。Ku等[12]評(píng)估了體外膠質(zhì)瘤模型中CHI3L1的表達(dá)，證明了CHI3L1通過調(diào)節(jié)黏附、肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架重排與基質(zhì)金屬蛋白酶-2(MMP-2)的表達(dá)和活性來調(diào)節(jié)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的侵襲。Lee等[18]在核轉(zhuǎn)錄因子(RelB)與間葉膠質(zhì)瘤的關(guān)系研究中觀察到，高表達(dá)RelB與膠質(zhì)瘤細(xì)胞存活率相關(guān)，而且也是YKL-40和OLIG2表達(dá)的正調(diào)控因子，可以促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和侵襲。Pinet等[19]通過shRNA在U87-MG細(xì)胞系中進(jìn)行了YKL-40滅活，數(shù)據(jù)顯示腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)遷移能力顯著降低，并且獲得了低侵襲表型。有研究提出了慢循環(huán)/靜止細(xì)胞亞群的概念，這些細(xì)胞與同一培養(yǎng)物中的其他細(xì)胞相比，表現(xiàn)出增強(qiáng)的遷移和侵襲、侵襲足活性和細(xì)胞外基質(zhì)降解酶的分泌，而通過RNAseq表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)了CHI3L1在這些細(xì)胞中過度表達(dá)，并與GBM病人存活率低密切相關(guān)[20]。

2.4 CHI3L1對膠質(zhì)瘤細(xì)胞存活與凋亡的影響 研究發(fā)現(xiàn)，γ-射線照射U87細(xì)胞增加了YKL-40的表達(dá)，YKL-40通過激活A(yù)kt來加速細(xì)胞死亡[3]。Yao等[21]研究表明，CHI3L1在膠質(zhì)瘤干細(xì)胞(glioma stem cells，GSCs)中的表達(dá)水平高于GBM，提示CHI3L1在GSCs中具有致癌作用，同時(shí)發(fā)現(xiàn)通過高表達(dá)miR-101下調(diào)克虜伯像因子 6(Kruppel like factor 6)來抑制CHI3L1表達(dá)，顯示KLF6通過與啟動(dòng)子區(qū)域推測的結(jié)合位點(diǎn)2結(jié)合促進(jìn)CHI3L1的啟動(dòng)子活性，而CHI3L1表達(dá)降低可能阻斷絲裂原活化蛋白激酶(MEK)1/2和磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)信號(hào)通路的激活，從而抑制GSCs的增殖、遷移、侵襲，促進(jìn)其凋亡。Ku等[12]通過對體外膠質(zhì)瘤模型研究發(fā)現(xiàn)，CHI3L1可能通過抑制神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞失巢凋亡相關(guān)途徑，賦予在侵襲過程中無錨定情況下存活的能力，并且CHI3L1表達(dá)保護(hù)膠質(zhì)瘤細(xì)胞免受順鉑、依托泊苷和阿霉素誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。這些研究都表明CHI3L1可能是一種抗凋亡因子。

3 CHI3L1作為惡性膠質(zhì)瘤的生物標(biāo)志物

多項(xiàng)研究表明，CHI3L1是惡性膠質(zhì)瘤中最有吸引力的誘導(dǎo)基因之一[1，10，13，22]。Tanwar等[23]通過基因表達(dá)芯片分析結(jié)果表示，正常受試者和GBM病人之間以及低級(jí)別膠質(zhì)瘤和GBM病人之間YKL-40血清濃度存在顯著差異。隨后Iwamoto等[22]進(jìn)行了一個(gè)較長時(shí)期的大樣本人群跟蹤調(diào)查，收集了343例膠質(zhì)瘤，包含1 740份病人血清，證實(shí)了YKL-40的升高與間變性膠質(zhì)瘤和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的生存不良明顯相關(guān)。Zhang等[13]對210例WHOⅠ-Ⅳ級(jí)原發(fā)性星形細(xì)胞瘤病人的YKL-40蛋白表達(dá)水平進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示YKL-40免疫反應(yīng)評(píng)分隨著病理分級(jí)的增加而顯著增加。這些研究都提示CHI3L1的血清水平在高級(jí)別膠質(zhì)瘤病人中顯著升高[24]。

Steponaitis等[8]研究發(fā)現(xiàn)，CHI3L1在所有膠質(zhì)瘤類型中GBM的表達(dá)水平最高，這表明CHI3L1在膠質(zhì)瘤惡性過程中表達(dá)水平逐漸上調(diào)。Kazakova等[24]通過基因分析、免疫組化和酶聯(lián)免疫吸附測定法(ELISA)檢測了36個(gè)神經(jīng)膠質(zhì)瘤病人(星形細(xì)胞瘤Ⅲ級(jí)，GBM)的YKL-40血清濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)YKL-40濃度隨腫瘤等級(jí)升高而上調(diào)，并與轉(zhuǎn)錄率呈正相關(guān)，而且YKL-40濃度在GBM中最高。這也證明了YKL-40在GBM中表達(dá)強(qiáng)于其他類型膠質(zhì)瘤[24]。與之不同的是Holst等[25]基于YKL-40對腫瘤微環(huán)境并參與免疫調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，對全血DNA進(jìn)行CHI3L1 rs4950928基因分型分析后發(fā)現(xiàn)，在復(fù)發(fā)性GBM病人中，高血漿YKL-40有望作為其預(yù)后標(biāo)志物。

Deluche等[26]使用TaqMan低密度陣列確定了CHI3L1與IDH狀態(tài)和1p/19q共缺失具有相關(guān)性，影響膠質(zhì)瘤病人的預(yù)后，并且在癌癥基因組圖譜(TCGA)數(shù)據(jù)庫的大型獨(dú)立隊(duì)列中得到驗(yàn)證。Tang等[27]基于基因表達(dá)和DNA甲基化數(shù)據(jù)集分析了膠質(zhì)母細(xì)胞瘤病人的關(guān)鍵生物標(biāo)記物和途徑，觀察到在GBM組織中CHI3L1的mRNA表達(dá)顯著更高，并且CHI3L1 mRNA水平的降低與有利的總生存(OS)相關(guān)，此外，ROC曲線分析表明其可以作為區(qū)分GBM病人和健康對照的有價(jià)值的生物標(biāo)志物。另外也有研究發(fā)現(xiàn)，將血清CHI3L1和骨橋蛋白(OPN)蛋白表達(dá)值和腫瘤異檸檬酸脫氫酶1(IDH1)突變狀態(tài)整合到一個(gè)參數(shù)中，可以預(yù)測低級(jí)別星形細(xì)胞瘤病人的兩年生存率，準(zhǔn)確率為93.8%[28]。有研究利用液體活組織檢查進(jìn)行分子診斷，傾向于在不需要侵入性手術(shù)組織累積的情況下重復(fù)監(jiān)測腫瘤演變和腦惡性腫瘤的治療反應(yīng)，實(shí)施了基于質(zhì)譜的蛋白質(zhì)分析管道，通過將腦脊液CSF數(shù)據(jù)與匹配膠質(zhì)母細(xì)胞瘤腫瘤組織和原發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞的蛋白質(zhì)分析相結(jié)合，確定了(CHI3L1)和膠質(zhì)纖維顫動(dòng)酸性蛋白(GFAP)作為膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的潛在CSF生物標(biāo)志物，并且該發(fā)現(xiàn)在由35例膠質(zhì)瘤病人組成的前瞻性群體中得到驗(yàn)證[4]。這些都為CHI3L1可能成為膠質(zhì)瘤的生物標(biāo)志物提供了重要依據(jù)。

4 CHI3L1對膠質(zhì)瘤耐藥與治療的意義

Chandra等[29]通過成對的病人標(biāo)本和貝伐單抗耐藥的異種移植物模型進(jìn)行耐藥性分析，在對貝伐單抗耐藥的GBM病人單細(xì)胞測序中證實(shí)了間充質(zhì)基因的上調(diào)，特別是糖蛋白YKL-40和轉(zhuǎn)錄因子盒結(jié)合鋅指蛋白1(ZEB1)，提示這些變化是治療誘導(dǎo)的，提出了以YKL-40作為耐藥生物標(biāo)志物的觀點(diǎn)，以ZEB1作為預(yù)防耐藥的靶點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)抗血管生成治療的前景。在Cardona等[30]的研究發(fā)現(xiàn)了YKL-40高表達(dá)與更差的預(yù)后以及對卡莫司汀(BCNU)/貝伐單抗的反應(yīng)減弱有關(guān)，建議高YKL-40表達(dá)病人不使用抗血管生成療法。

O6-甲基鳥嘌呤DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(MGMT)啟動(dòng)子甲基化是GBM病人替莫唑胺(TMZ)耐藥的重要預(yù)后指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，在替莫唑胺耐藥(TMZ-R)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤病人中，CHI3L1抑制了侵襲活性并部分恢復(fù)對TMZ的敏感性[9]。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄活化因子3(STAT3)的抑制劑STX-0119阻斷STAT3導(dǎo)致CHI3L1表達(dá)降低，并抑制TMZ-R U87細(xì)胞系生長，使用哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)抑制劑雷帕霉素和STAT3抑制劑的組合靶向CHI3L1-STAT3-mTOR信號(hào)通路對TMZ-R復(fù)發(fā)性膠質(zhì)瘤具有顯著的生長抑制作用[31]。Chen等[32]通過建立并研究了6例病人的IDH1/2野生型膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞樣細(xì)胞(GSCs)，以進(jìn)一步確定YKL-40和MGMT啟動(dòng)子甲基化的潛在相互作用，證明了YKL-40在人IDH1/2野生型GSCs中有不同的功能。在MGMT啟動(dòng)子甲基化(MGMT-m)的GSCs中，其是一個(gè)抑癌基因，另一方面，在MGMT啟動(dòng)子非甲基化(MGMTum)GSCs中，其促進(jìn)了腫瘤的發(fā)生，而且這個(gè)過程涉及RAS-MEK-ERK通路。YKL-40通過激活MGMT-m-GSCs中的DNA損傷反應(yīng)(DDRs)介導(dǎo)TMZ敏感性，并通過抑制MGMT-um-GSCs中的DDRs介導(dǎo)對TMZ的抗性。研究發(fā)現(xiàn)，CHI3L1圍分泌期GBM的缺氧表型中發(fā)揮關(guān)鍵作用，并且與GBM微環(huán)境中的免疫細(xì)胞浸潤顯著相關(guān)[33]。而且發(fā)現(xiàn)CHI3L1與半乳糖凝集素3(Gal3)的結(jié)合促進(jìn)TAM遷移和浸潤，癌癥內(nèi)在的CHI3L1信號(hào)上調(diào)可通過重新編程腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(TAMs)來調(diào)節(jié)免疫抑制微環(huán)境，揭示了CHI3L1蛋白復(fù)合物在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤免疫逃避中的作用，并作為GBM的潛在免疫治療靶點(diǎn)[34]。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，膠質(zhì)瘤的治療目前仍是一個(gè)重大的醫(yī)學(xué)難題。雖然相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證實(shí)CHI3L1對于膠質(zhì)瘤的病理分級(jí)、亞型分化都有重大影響，尤其是膠質(zhì)母細(xì)胞瘤。隨著生物信息及高通量技術(shù)的進(jìn)步，以及各種癌癥基因組數(shù)據(jù)庫的完善，發(fā)現(xiàn)CHI3L1與MGMT啟動(dòng)子甲基化、IDH狀態(tài)和1p19q共缺失具有相關(guān)性，這些都提示其可作為潛在血清生物標(biāo)志物。而且最新的腦脊液蛋白組學(xué)分析揭示CHI3L1可作為GBM的潛在腦脊液生物標(biāo)志物，但仍需要大量臨床數(shù)據(jù)去驗(yàn)證。研究已經(jīng)證實(shí)CHI3L1作為免疫調(diào)節(jié)因子參與了腫瘤微環(huán)境，也在膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖、侵襲、凋亡各通路上發(fā)揮重要作用，但僅僅靠已知的這些還是不夠的，尚需要進(jìn)一步研究CHI3L1在GBM微環(huán)境中的構(gòu)成作用以及各個(gè)信號(hào)通路中的更確切的作用。隨著免疫靶向治療的發(fā)展，CHI3L1可能會(huì)為膠質(zhì)瘤的治療作出貢獻(xiàn)。今后對癌細(xì)胞的基因表達(dá)譜、蛋白質(zhì)相互作用、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控等各層次的數(shù)據(jù)資料整合，可為膠質(zhì)瘤病人個(gè)體化分子病理診斷和治療提供依據(jù)。