Hedgehog信號通路及其與非小細胞肺癌關系的研究進展

陳盈盈，展翼翼，劉春玲

(新疆醫(yī)科大學第三臨床醫(yī)學院，烏魯木齊830011)

據(jù)統(tǒng)計，肺癌是發(fā)病率和病死率最高的惡性腫瘤，嚴重威脅人類的生命安全[1]。肺癌大致分為非小細胞肺癌(NSCLC)和小細胞肺癌兩類，其中NSCLC約占85%。雖然近年晚期表皮生長因子受體(EGFR)基因突變的NSCLC在使用酪氨酸激酶抑制劑(TKI)治療后獲得了顯著療效，但疾病復發(fā)轉(zhuǎn)移、耐藥突變?nèi)允遣豢杀苊獾膯栴}。自Hedgehog(Hh)信號通路被發(fā)現(xiàn)以來，一系列研究表明，其不但調(diào)控胚胎發(fā)育和干細胞分化[2，3]，而且在維持腫瘤起始/干細胞特性方面有重要作用，與多種惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關[2]。隨著肺癌發(fā)病機制分子學研究的進展，Hh信號通路在NSCLC發(fā)生發(fā)展中的重要作用已被證實[3]。本文分析Hh信號通路的結(jié)構與傳導，并對其在MSCLC發(fā)生發(fā)展、治療、耐藥中的作用作一綜述。

1 Hh信號通路的結(jié)構與傳導

1.1 結(jié)構 在脊椎動物中，Hh通路結(jié)構組成包括作為配體的Hh分泌蛋白，分布于靶細胞膜上的受體Patched(Ptch)蛋白、Smoothened(Smo)蛋白，轉(zhuǎn)錄因子(Gli)蛋白家族，主要校正器(Sufu)蛋白及下游的驅(qū)動蛋白(Kif7)、蛋白激酶A(PKA)和環(huán)磷腺苷(cAMP)等[4]。此外，在Corbit等[5]研究證實，Hh信號通路與初級纖毛(PC)息息相關，PC不僅為通路組件的分布提供了至關重要的特殊細胞腔隙，而且還能調(diào)節(jié)通路的信號濃度和作用細胞的應答，從多方面保證了Hh通路發(fā)揮功能。

1.1.1 Hh蛋白 相對于染色體只有四對的果蠅，在生命架構更高級的脊椎動物中，由于基因組的重復，Hh基因擴增，Hh蛋白有三個亞組同源物，分別為Sonic Hedgehog(Shh)、Desert Hedgehog(Dhh)和Indian Hedgehog(Ihh)[6]。其中，Shh是哺乳動物中表達最廣泛的Hh蛋白，貫穿胚胎發(fā)育到器官形成過程；Ihh特異性地在原始內(nèi)胚層、骨、消化道中表達；Dhh表達主要限于性腺，包括睪丸的支持細胞和卵巢的顆粒細胞。但在所有哺乳動物中，Hh蛋白具有相似的生理效應[7]。

1.1.2 Ptch蛋白 Ptch蛋白是由腫瘤抑制基因Patched編碼，12個單一肽鏈構成的跨膜蛋白，具有在細胞膜上接受Hh信號蛋白和抑制Smo蛋白的功能，對Hh信號通路起負性調(diào)控作用[8]。脊椎動物有兩個Ptch同系物：Ptch1和Ptch2。既往研究顯示，Ptch蛋白的功能主要體現(xiàn)在Ptchl蛋白上，其中Ptch1類固醇依賴性地與上游Shh蛋白結(jié)合[9]，Ptch2蛋白是Ptchl蛋白的旁系同源，可以彌補Ptchl蛋白的部分功能。

1.1.3 Smo蛋白 Smo蛋白是由1 024個氨基酸組成的七次跨膜蛋白，在結(jié)構上類似G蛋白偶聯(lián)受體，但在細胞外富含維持其功能的半胱氨酸結(jié)構域[10]。研究顯示，Smo蛋白是Hh信號傳導途徑中的輔助受體，代表受體復合物的信號傳導組分，是Hh信號的轉(zhuǎn)換器，同時因其在缺失Ptch1的情況下仍能促進Hh信號通路下游成分的激活，也被認為是Hh信號通路中的正性調(diào)節(jié)因子[11]。

1.1.4 Gli轉(zhuǎn)錄因子 Gli蛋白最初是從膠質(zhì)母細胞瘤中分離出來，定位于細胞核和細胞質(zhì)，是通路下游的多功能轉(zhuǎn)錄因子。在脊椎動物中，Gli蛋白家族有三個成員：Gli1、Gli2、Gli3[12]。三者均有5個保守的鋅指DNA結(jié)合結(jié)構域。其中Gli2和Gli3因在氨基末端有阻遏結(jié)構域，在羧基末端有活化結(jié)構域的特殊結(jié)構，均可充當通路的抑制劑和激活劑；而Gli1因缺乏氨基末端阻遏物結(jié)構域，在通路中僅有激活劑的功能。在通路信號傳導中，三者協(xié)作，通過直接結(jié)合啟動子來調(diào)節(jié)靶基因的表達[13]。

1.1.5 Sufu蛋白、Kif7蛋白、PKA、cAMP及下游靶基因 Sufu蛋白定位于細胞核，直接與Gli蛋白結(jié)合，在Gli的穩(wěn)定和加工中起關鍵作用，保證了Hh信號準確傳導，是關鍵負調(diào)節(jié)因子。驅(qū)動蛋白Kif7是Hh信號傳導的一個組成部分，可以作為正調(diào)節(jié)因子和負調(diào)節(jié)因子，但具體作用方式尚未完全清楚，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的一種可能機制是蛋白磷酸酶2A對Kif7磷酸化的翻譯后控制[14]。cAMP依賴性PKA也是Hh通路的重要負調(diào)節(jié)因子，位于纖毛的基部并調(diào)節(jié)Gli蛋白氨基端和羧基端的復合物形成[15]，因此PKA的活性對Hh信號傳導同樣至關重要。Hh通路的下游，還有大量參與調(diào)控信號傳導的靶基因，誘導細胞增殖分化及促進腫瘤發(fā)生等。

1.2 信號傳導 與其他信號通路一樣，Hh通路也是通過信號串聯(lián)傳導信息。Hh蛋白是整個通路的啟動因子，是Ptch的配體，Smo是信號轉(zhuǎn)導子。通過Patc、Smo與Hh配體的結(jié)合及激活后是否依賴Gli蛋白發(fā)揮生物學效應，分為經(jīng)典的Hh/Gli信號通路和非經(jīng)典的Hh信號通路[16]。經(jīng)典激活途徑：即Hh配體與Ptch結(jié)合，解除Ptch1對Smo的抑制，從而導致轉(zhuǎn)錄因子Gli入核，這是哺乳動物途徑激活的必要步驟。非經(jīng)典激活途徑：可分為不依賴Smo蛋白的Ⅰ型和依賴Smo蛋白不依賴GLi蛋白的Ⅱ型。此外脊椎動物中還存在與Ptch結(jié)合的共受體，如生長阻滯特異蛋白1、半胱氨酸雙加氧酶等，與Ptch一起形成受體復合物，共同傳遞通路信號。

2 Hh信號通路與NSCLC的關系

2.1 Hh信號通路在NSCLC發(fā)生發(fā)展中的作用 Hh信號通路在胚胎肺發(fā)育和出生后肺發(fā)育過程中起關鍵作用[17]。在健康成人肺組織中，Hh信號傳導維持成人肺部穩(wěn)定并調(diào)節(jié)修復[18]。然而，目前尚不清楚Hh信號傳導如何一方面促進肺部穩(wěn)定，另一方面促使腫瘤發(fā)生。近年研究證實，在小細胞肺癌中，常有Shh途徑表達上調(diào)，Gli轉(zhuǎn)錄因子激活[19]。有研究則證實Smo可在體外促進人小細胞肺癌的克隆及小鼠體內(nèi)小細胞肺癌的起始和進展[20]。

目前已有大量研究多環(huán)節(jié)、多步驟證明Hh通路在NSCLC發(fā)生發(fā)展中起重要作用。Bai等[21]研究發(fā)現(xiàn)Hh通路分子Shh、Dhh、Ihh、Smo及Gli3在NSCLC組織中均廣泛表達；Gli3高表達可能參與促進了NSCLC患者發(fā)生淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。Shi等[22]分離來自人大細胞肺癌細胞系中具有干細胞功能的H460SP細胞后顯示，H460SP細胞不僅能增強致瘤性，更重要的是其優(yōu)先表達Smo，進一步提示了Hh信號在調(diào)節(jié)大細胞肺癌干細胞中的作用。Bermudez等[23]在2013年通過抑制Shh信號傳導，導致NSCLC細胞在Gli1和Gli2介導下增殖降低；并深入研究發(fā)現(xiàn)了肺腺癌和肺鱗狀細胞癌(鱗癌)細胞都分泌Shh配體，可誘導成纖維細胞增殖、遷移，介導腫瘤組織中血管和成纖維細胞生成，在NSCLC上皮間質(zhì)化(EMT)中起重要作用。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，肺鱗癌組織中Ptch、Smo和Gli2表達上調(diào)，且抑制了Gli2表達后，腫瘤細胞增殖明顯受阻并伴有廣泛的細胞凋亡[24]；Gli1表達則與肺鱗癌的T分期、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和臨床分期密切相關，Gli1陽性的肺鱗癌組織微血管密度明顯高于陰性者[25]。在肺腺癌組織中Gli1表達在76%左右，可能是由于表觀遺傳沉默。在超過一半的腫瘤組織中，經(jīng)典的Hh途徑激活劑Smo呈低表達水平，初步推斷Gli1可能是致癌途徑的下游效應物[26]。同時，在通路的下游，對部分微小RNA(miRNA)的功能分析顯示，miR-326能通過直接靶向Smo和Gli2而充當Shh信號傳導的負調(diào)節(jié)劑，引起肺疾病；miR-520b通過激活Hh通路和Gli2、Gli3的穩(wěn)態(tài)化，促進NSCLC細胞的增殖和轉(zhuǎn)移。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，在NSCLC組織中，Hh信號通路常與其他通路處于會聚或串擾狀態(tài)，如肺腺癌中，當EMT相關基因過表達和Hh傳導途徑激活后，腺癌細胞和癌相關成纖維細胞可以通過相互作用，促進腺癌細胞轉(zhuǎn)移；也有研究指出原癌基因蛋白激酶1在肺鱗癌細胞內(nèi)激活細胞經(jīng)典Hh途徑，誘導腫瘤細胞增殖[27]。

2.2 Hh信號通路在NSCLC治療中的作用 目前，Hh信號通路作用于NSCLC的確切位點，仍存在疑問。因此，雖然Hh基因已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了30余年，卻無法比擬晚期表皮生長因子受體(EGFR)、間變性淋巴瘤激酶基因在NSCLC治療上的進展。環(huán)巴胺是首個被發(fā)現(xiàn)的可以抑制Smo的植物堿。有研究用環(huán)巴胺處理NSCLC細胞，發(fā)現(xiàn)其通過作用于線粒體，達到抑制腫瘤細胞增殖并凋亡的目的[28]。盡管后續(xù)有研究證明環(huán)巴胺類抑制劑只對Hh通路上游基因變化導致的腫瘤有作用，而對于Smo級聯(lián)反應以下參與Hh信號通路調(diào)控分子的異常變化無治療意義，但通過近期一系列的研究與分析，Hh信號通路仍被評價為有前景的治療目標[29]。環(huán)巴胺可使肺腺癌和肺鱗癌細胞增殖和活力降低，并增強植物化學物質(zhì)雙去甲氧基姜黃素誘導肺腺癌自噬的作用[30]。雖然Smo拮抗劑維莫德吉也可引發(fā)明顯的自噬，但未在肺腺癌細胞中明顯誘導細胞死亡和腫瘤縮??；而在肺鱗癌細胞中，Smo拮抗劑或其他Hh途徑激動劑均未影響Gli1的表達，但可通過抑制或激活磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)和絲裂原活化蛋白激酶途徑來調(diào)節(jié)Gli1表達，從而抑制腫瘤細胞增殖。針對哺乳動物雷帕霉素靶蛋白途徑和Gli1的組合治療策略，可導致PI3K途徑依賴性癌癥的有效緩解，效果優(yōu)于使用單藥PI3K拮抗劑的人體試驗結(jié)果[31]。有研究報道，Hh途徑抑制劑治療或Hh途徑抑制劑和其他類型的化學治療，如TKI和含鉑藥物的聯(lián)合治療可縮小腫瘤體積，抑制腫瘤復發(fā)[32]。在以上研究基礎上，對EGFR-TKI耐藥的NSCLC患者用針對Gli蛋白的三氧化二砷治療，但仍處于臨床試驗第一階段；而近期通過在小鼠體內(nèi)建立獲得性EGFR-TKI耐藥模型發(fā)現(xiàn)，Hh通路抑制劑sonidegib和相應的EGFR-TKI對Hh及EGFR的聯(lián)合阻斷，可顯著降低癌細胞的轉(zhuǎn)移，導致腫瘤體積縮小[33]；同時，研究又將目標轉(zhuǎn)向Gli靶基因，如聯(lián)合使用單克隆抗體白細胞分化抗原CD24和吉西他濱，在小鼠肺癌模型中能增強抗癌功效[34]?，F(xiàn)有的多靶點藥物，僅第17屆世界肺癌大會上公布了一項入組40例曾接受多線治療的晚期非鱗NSCLC前瞻性研究，結(jié)果顯示阿帕替尼可調(diào)控Shh通路的活性，總緩解率和安全性比較理想，但仍缺乏大樣本研究進一步驗證?？寡苌莎煼ㄊ钱斍鞍┌Y藥物開發(fā)的另一焦點，但尚未有聯(lián)合Hh通路抑制劑抗腫瘤治療的報道；在免疫治療中也缺乏Hh通路的相關研究?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)部分天然產(chǎn)物的化合物及其衍生物可靶向Shh通路，如姜黃素、表兒茶素-3-沒食子酸酯、異黃酮染料木黃酮、白藜蘆醇、球姜酮、去甲斑蝥、三氧化二砷[35]，為靶向Hh治療性抗癌劑的研究提供線索。

2.3 Hh信號通路在NSCLC耐藥中的作用 腫瘤耐藥、腫瘤微環(huán)境及腫瘤轉(zhuǎn)移被Nature雜志評為癌癥的三大謎團。現(xiàn)今關于腫瘤耐藥機制研究，常見的學說有腫瘤微環(huán)境、ABC泵、腫瘤EMT、腫瘤干細胞、腫瘤免疫逃逸、表觀遺傳和腫瘤代謝、腫瘤耐藥信號通路代償作用等。因為Hh信號通路均參與上述學說，所以其已成為逆轉(zhuǎn)腫瘤耐藥的重要研究靶點。2013年，Kong等[36]發(fā)現(xiàn)Hh信號通路可通過調(diào)控EMT因子的表達從而維持人類髓性白血病細胞的耐藥性，促進腫瘤細胞對化療耐藥。隨后Bai等[32]體外研究也證實Hh信號通路異常激活后，NSCLC腫瘤細胞出現(xiàn)EMT表型，從而導致EGFR-TKI耐藥。2014年達麗雋等[37]在對肺腺癌耐藥株A549/順鉑(DDP)的研究中發(fā)現(xiàn)，Hh信號通路中的Gli1基因表達高于A549敏感株，沉默A549/DDP的G1i1，其對順鉑的敏感性可明顯提高。近期Della等[38]指出，Hedgehog通路的激活是NSCLC獲得對第一代、第二代和第三代EGFR-TKI耐藥的共同特征，Hh通過誘導腫瘤EMT，導致其對EGFR-TKI產(chǎn)生抗性，通過SMO抑制劑sonidegib和EGFR-TKI聯(lián)合阻斷EMT后，腫瘤組織對于EGFR-TKI敏感性可恢復。上述研究證實，Hh通路在NSCLC治療中參與腫瘤耐藥，為NSCLC治療耐藥提供了一個可靠的抑制途徑，也為耐藥后的治療提供了可能的逆轉(zhuǎn)途徑。

綜上所述，Hh信號通路對于NSCLC的重要意義已毋庸置疑，雖然目前有一系列關于該途徑的抑制劑，但藥效不容樂觀。因此必須更加深入地了解通路的作用機制，并且在未來的治療方法開發(fā)中注重考慮冗余旁路和其他途徑的串擾以及對表觀遺傳事件的干預等。還需進行大量的研究以了解Hh的分子機制。盡管腫瘤的耐藥機制眾說紛紜，但Hh通路介導的作用不容忽視，仍要在研究中注重對Hh通路組件的觀察。為更好地控制NSCLC和其他惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展，應積極在Hh通路中尋找可能的惡性腫瘤預測因子和治療位點。