初級纖毛在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的研究進(jìn)展

楊明清，肖勝軍

纖毛是一種來源于細(xì)胞基體并突出于細(xì)胞表面的特殊細(xì)胞器，有3種類型：運(yùn)動纖毛(motile cilia)、初級纖毛(primary cilia)和節(jié)點(diǎn)纖毛(nodal cilia)[1]。其中初級纖毛分布于哺乳動物中幾乎所有類型的細(xì)胞表面，其異常會導(dǎo)致多種人類疾病(如腎囊腫[2]、視網(wǎng)膜變性[2])和腫瘤(如黑色素瘤[3])的發(fā)生，所以初級纖毛的異常影響著腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。該文就初級纖毛的基本結(jié)構(gòu)、組裝與解體的動態(tài)過程、纖毛相關(guān)信號通路及纖毛異常與腫瘤發(fā)生、發(fā)展關(guān)系進(jìn)行一系統(tǒng)綜述。

1 初級纖毛的結(jié)構(gòu)

初級纖毛是一種以微管為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的不具有運(yùn)動功能的細(xì)胞器，其含有一個“9+0”的軸絲，無中央微管和動力蛋白臂。其結(jié)構(gòu)一般分為3個區(qū)域：基體(basal body, BB)、過渡區(qū)(transition zone, TZ)和軸絲(axoneme)。其中基體是一個重塑的母中心粒(mother centriole, MC)，初級纖毛從此結(jié)構(gòu)伸出；而過渡區(qū)是基體與軸絲之間長約0.5 μm的區(qū)域；另外軸絲是由環(huán)狀排列的9個經(jīng)過翻譯后修飾的雙微管結(jié)構(gòu)組成，這三個區(qū)域相互連接，構(gòu)成初級纖毛的基本結(jié)構(gòu)(圖1)。初級纖毛的纖毛膜包裹著微管且與細(xì)胞質(zhì)膜相接[4]，但二者的脂質(zhì)和蛋白質(zhì)含量不同[4-6]，這是它具有不同于細(xì)胞膜特化功能的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)?？傊?，初級纖毛的基本結(jié)構(gòu)是纖毛發(fā)揮特定功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2 初級纖毛的組裝與解體

初級纖毛的組裝與解體經(jīng)常與有絲分裂偶聯(lián)在一起，它只能在細(xì)胞周期的G0期或G1期形成，在G1/S期或G2/M期被解體吸收[7-8]。當(dāng)中心體結(jié)構(gòu)演變出MC進(jìn)而轉(zhuǎn)化為BB時，初級纖毛開始形成；而當(dāng)細(xì)胞準(zhǔn)備進(jìn)入分裂期之前，初級纖毛開始解體。

2.1 初級纖毛的組裝初級纖毛的組裝通常開始于細(xì)胞周期G0/G1期，當(dāng)有絲分裂原缺乏或細(xì)胞進(jìn)行分化需要退出細(xì)胞周期的分裂期時，初級纖毛開始組裝。

初級纖毛的組裝是從一個子中心粒逐漸成熟為MC開始的。血清饑餓之后，高爾基體的小細(xì)胞質(zhì)囊泡(pre-ciliary vesicles, PCVs)依賴特定的激肽和動力蛋白(kinesin family member C1, KIFC1)沿微管轉(zhuǎn)運(yùn)至成熟的MC遠(yuǎn)端[9-11]。PCVs在MC遠(yuǎn)端附屬物附近?？?，隨后依賴中心體肌動蛋白網(wǎng)絡(luò)與多巴胺(dopamine, DA)對接。當(dāng)PCVs與DA完成對接后，膜形成蛋白(EPS15-homology domain-containing 1, EHD1)被募集到PCVs上，促進(jìn)大量的PCVs在MC遠(yuǎn)端融合成一個大纖毛囊泡進(jìn)而覆蓋了MC的整個遠(yuǎn)端。隨著PCVs的不斷運(yùn)輸，纖毛帽不斷擴(kuò)大、微管不斷生長，進(jìn)而將軸絲不斷的包裹在雙層質(zhì)膜中。其中纖毛膜的組裝伴隨著中心體從細(xì)胞中心向細(xì)胞表面遷移，基體通過DA錨定在細(xì)胞質(zhì)膜且與其融合之后，軸絲內(nèi)的微管及其包囊的纖毛膜進(jìn)一步生長[12]。新生的纖毛通過其纖毛膜與質(zhì)膜的對接，建立這些結(jié)構(gòu)區(qū)域的連續(xù)性。

纖毛完成組裝之后，通過儲存在纖毛基部的可溶性蛋白屏障和過渡區(qū)的功能來維持其生長所需的蛋白質(zhì)，通過門控機(jī)制來保持其獨(dú)特的基本結(jié)構(gòu)。

2.2 初級纖毛的解體相比于纖毛的組裝來說，我們對該細(xì)胞器的解體機(jī)制知之甚少。在培養(yǎng)哺乳動物細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中表明，纖毛要經(jīng)過雙相方式分解[13]，初級纖毛進(jìn)行第一次解體發(fā)生在有絲分裂原刺激靜止期細(xì)胞之后(G1期)，第二次解體發(fā)生在有絲分裂前。

有絲分裂激酶——極光激酶(Aurora A)在促進(jìn)初級纖毛的解體中發(fā)揮著重要作用[14]。當(dāng)初級纖毛準(zhǔn)備解體時，Aurora A被激活使組蛋白去乙?；?histone deacetylase 6, HDAC6)發(fā)生磷酸化，這就導(dǎo)致了軸絲內(nèi)的微管蛋白不穩(wěn)定和去乙?；?，最終促進(jìn)初級纖毛的解體。另外去聚合激肽Kinesin-13家族成員Kif2a和Kif24也與初級纖毛的解體相關(guān)。其中Kif2a是定位于兩個中心粒近端以及MC亞遠(yuǎn)端的附屬物，其被G2/M期的激酶Plk163磷酸化并激活?；罨腒if2a促進(jìn)纖毛微管的解聚，在增殖信號發(fā)出之后不久激發(fā)纖毛的解體；而Kif24主要通過與中心粒卷曲螺旋蛋白110(centriolar coiled coil protein 110, CP110)的結(jié)合來發(fā)揮作用[15]。Kif24的敲除和CP110缺失影響著增殖細(xì)胞中初級纖毛的組裝，同時Kif24通過絲/蘇氨酸激酶NeK2[16]介導(dǎo)的磷酸化增強(qiáng)微管的解聚活性[16]。Nek2在S期和G2期表達(dá)，確保Kif24在缺乏纖毛的細(xì)胞中具有活性。研究表明，Kif24的作用是抑制解聚微管的延伸，防止在有絲分裂前纖毛進(jìn)行異常組裝[17]?？傊琄if2a和Kif24被S/G2期(Nek2)或G2/M期(Plk163)表達(dá)的激酶激活，進(jìn)一步將細(xì)胞周期與維持有絲分裂所必需的纖毛解體過程聯(lián)系起來。

纖毛解體之后會進(jìn)行纖毛膜的重塑。在纖毛吸收時，纖毛口袋(ciliary pocket, cipo)發(fā)生主動重塑，它是一個富含肌動蛋白的、圍繞纖毛軸絲近端區(qū)域的纖毛周圍亞結(jié)構(gòu)。由于纖毛是一個動態(tài)的細(xì)胞器，其維持需要囊泡源源不斷的運(yùn)輸?shù)絚ipo膜進(jìn)行?？咳缓蟮却尫??？傊?，cipo的重塑進(jìn)一步加速了纖毛的解體。

3 初級纖毛相關(guān)的信號通路

初級纖毛是Hedgehog(Hh)、Wnt、Notch、PDGFRα和TGFβ等多條信號通路的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因素。本文主要闡述Hh、Notch和Wnt這三條信號通路。

3.1 Hh信號通路Hh信號通路主要包括Hh配體[Sonic(SHH)、Indian(IHH)和Desert(DHH)]、腫瘤抑制膜蛋白1(Patched1, PTCH1)和7次跨膜結(jié)構(gòu)域G蛋白偶聯(lián)受體樣蛋白(Smoothened, SMO)，糖原合成酶激酶(Glycogen synthase kinase, GSK)、蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)和酪蛋白激酶1(casein kinase 1, CK1)，G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors, GPR)、融合同源物抑制因子(suppressor of fused, SUFU)、神經(jīng)膠質(zhì)瘤相關(guān)癌基因同源蛋白1(Glioma-associated oncogene homolog1, GLI1)、GLI2、GLI3。

當(dāng)Hh配體出現(xiàn)且與PTCH1結(jié)合之后，Hh信號通路被激活。PTCH1被排除到纖毛之外，進(jìn)而解除了其對SMO的抑制作用，此時SMO通過其羧基端第7個跨膜結(jié)構(gòu)域后的一個共同的疏水性和堿基殘基序列定位于初級纖毛。SMO在纖毛上的積累激活了SUFU以及阻斷GLI轉(zhuǎn)錄因子的水解，進(jìn)而促進(jìn)GLI與SUFU的解離。之后全長的GLI轉(zhuǎn)錄因子經(jīng)過一系列的翻譯后修飾轉(zhuǎn)化為GLI的激活形式并轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核，在細(xì)胞核中結(jié)合轉(zhuǎn)錄共激活因子促進(jìn)靶基因的表達(dá)。

當(dāng)Hh配體不存在時，初級纖毛膜上的PTCH1抑制SMO進(jìn)入初級纖毛。在這情況下，GLI2和GLI3的C端部分被水解掉，這就去除了它們的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，使它們發(fā)揮其N端的轉(zhuǎn)錄抑制功能從而抑制Hh靶基因表達(dá)。由于只有全長的GLI蛋白定位于初級纖毛[18-19]，而GLI蛋白水解形式從纖毛脫落開始，所以定位在纖毛的全長GLI蛋白與聚集在纖毛頂端的SUFU相互作用進(jìn)而阻止GLI轉(zhuǎn)錄因子的核轉(zhuǎn)位。

圖1 初級纖毛骨架由9個雙聯(lián)微管組成(即軸絲)，其軸絲起源于母中心粒，而初級纖毛的貨物運(yùn)輸依靠IFT-B和IFT-A以及驅(qū)動蛋白和動力蛋白來向纖毛頂端(順向)和纖毛基部(逆向)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)

3.2 Wnt信號通路Wnt信號通路可以分為經(jīng)典型(β-catenin依賴性)和非經(jīng)典型(β-catenin非依賴性)兩種類型。由于非經(jīng)典型Wnt信號通路的具體機(jī)制尚不清楚，所以本文主要描述經(jīng)典型Wnt信號通路。

Wnt信號通路的糖原合成酶(glycogen synthase kinase, GSK)和結(jié)腸腺瘤樣息肉病蛋白(adenomatous polyposis coli, APC)均定位于初級纖毛上[20]。研究表明，纖毛蛋白中的反轉(zhuǎn)蛋白(inversin, INVS)調(diào)節(jié)Wnt通路中關(guān)鍵效應(yīng)因子DSH片段極性蛋白1(dishevelled segment polarity protein 1, DVL1)的表達(dá)和定位且使其降解，進(jìn)而調(diào)控Wnt信號通路[21]。

經(jīng)典型Wnt信號通路在失活狀態(tài)下，APC和AXIN(是負(fù)責(zé)β-catenin復(fù)合物形成的一種濃度限制因子)組成的復(fù)合物觸發(fā)GSK3和CK1對β-catenin的磷酸化、泛素化和最終的降解[22]。而在激活狀態(tài)下，Wnt配體與卷曲蛋白受體(frizzled, FZ)和低密度脂蛋白相關(guān)蛋白(low density lipoprotein-related proteins, LRP)受體結(jié)合激活蓬亂蛋白(dishevelled, DSH)。DSH將APC和AXIN組成的復(fù)合物聚集到質(zhì)膜上來抑制β-catenin磷酸化，導(dǎo)致β-catenin不被降解而聚集于細(xì)胞質(zhì)中，之后β-catenin轉(zhuǎn)位到細(xì)胞核中激活相應(yīng)的靶基因進(jìn)行相應(yīng)的表達(dá)。

3.3 Notch信號通路初級纖毛對Notch通路的影響似乎具有組織特異性。目前對于Notch信號通路的了解較少，所以本文僅進(jìn)行簡要的概括。

當(dāng)Notch配體的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域與Notch受體(Notch1～4)結(jié)合時啟動Notch信號通路，隨后位于初級纖毛基體近端的γ-分泌酶復(fù)合體裂解已與配體結(jié)合的Notch蛋白，進(jìn)而釋放Notch胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(Notch1 intracellular domain, NICD)，最終NICD進(jìn)入細(xì)胞核作為轉(zhuǎn)錄因子激活相應(yīng)的靶基因表達(dá)。

4 初級纖毛與腫瘤

初級纖毛異常會導(dǎo)致多囊腎[23]、視網(wǎng)膜變性[23]和惡性腫瘤[3]等多種疾病。然而初級纖毛與癌癥之間的聯(lián)系取決于腫瘤的類型，在同一腫瘤內(nèi)以及不同腫瘤亞型之間均存在差異。腫瘤的特征包括細(xì)胞無止境的分裂和凋亡能力受損，而正常細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間的信號通路發(fā)生改變也會使初級纖毛介導(dǎo)的信號通路紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生、發(fā)展。初級纖毛的解體必須發(fā)生在有絲分裂之前，其解體在人類疾病(特別是腫瘤)中具有重大意義。在腫瘤治療中，初級纖毛也是一個不可忽略的新型靶標(biāo)。下面我們將通過纖毛及其相關(guān)信號通路的異常導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生和發(fā)展進(jìn)行探討。

4.1 與Hh信號通路相關(guān)的腫瘤Hh作為初級纖毛主要的信號通路與許多腫瘤相關(guān)，其中皮膚癌中的基底細(xì)胞癌比較常見。其發(fā)生與Hh信號通路中一些因子的改變(如PTCH1、SUFU、SMO、GLI轉(zhuǎn)錄因子)有著密切的聯(lián)系。大多數(shù)散發(fā)性基底細(xì)胞癌中PTCH1至少有1個等位基因發(fā)生功能缺失性突變，阻止Hh信號通路級聯(lián)的抑制性；其他少數(shù)散發(fā)性基底細(xì)胞癌中膜蛋白SMO存在功能獲得性突變，導(dǎo)致Hh通路的過渡激活[24]。當(dāng)缺乏Hh配體時，轉(zhuǎn)錄因子GLI被磷酸化、泛素化并部分裂解為抑制物形式，阻止其核轉(zhuǎn)位進(jìn)而激活靶基因。當(dāng)存在Hh配體時，SMO易位入初級纖毛，使聚集在初級纖毛頂端的GLI與SUFU復(fù)合物解離并釋放出GLI活性物質(zhì)進(jìn)行核轉(zhuǎn)位激活相應(yīng)的靶基因。有研究表明，在散發(fā)性基底細(xì)胞癌中發(fā)現(xiàn)SUFU功能缺失性突變使纖毛頂端復(fù)合物解離釋放出GLI轉(zhuǎn)錄因子，進(jìn)而導(dǎo)致GLI的轉(zhuǎn)錄增加[24-25]。

總之，探索Hh信號通路調(diào)控因子的變化可能為阻止某些腫瘤的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的選擇。

4.2 與Wnt信號通路相關(guān)的腫瘤在APC基因突變導(dǎo)致的結(jié)直腸癌中，Wnt信號通路被過度激活。APC基因突變會引起β-catenin復(fù)合物功能喪失或增加，導(dǎo)致β-catenin核轉(zhuǎn)位反式激活Wnt的靶基因，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展[26]。

在黑色素瘤的研究中表明，甲基轉(zhuǎn)移酶(enhancer of zeste homolog 2, EZH2)是纖毛基因的沉默子，它能夠通過組蛋白甲基化抑制基因的表達(dá)，所以惡性黑色素瘤中EZH2表達(dá)與初級纖毛的表達(dá)水平呈負(fù)相關(guān)。因此EZH2對黑色素瘤細(xì)胞纖毛基因的抑制促進(jìn)了初級纖毛的解體，進(jìn)而促進(jìn)Wnt信號通路。

在前列腺癌中[27]，正常前列腺組織中的纖毛細(xì)胞比例比前列腺上皮內(nèi)瘤和浸潤性前列腺癌中的纖毛比例高，而前列腺癌細(xì)胞纖毛較少且擁有高水平的核β-catenin從而激活經(jīng)典型Wnt信號通路。

4.3 與Notch信號通路相關(guān)的腫瘤Notch信號通路中Notch1受體是致癌基因Ras的媒介[28]，而Ras基因在早期乳腺癌的發(fā)生、發(fā)展中起著核心作用。其它Notch成員在乳腺癌中也發(fā)揮著各自不同的作用，Notch2高表達(dá)與高分化乳腺癌患者的生存率相關(guān)[29]；Notch3在體內(nèi)具有轉(zhuǎn)化的潛力，其上調(diào)會導(dǎo)致乳腺癌的發(fā)生[30]。總之，Notch信號通路在乳腺癌的發(fā)生、發(fā)展中扮演著重要角色。

5 總結(jié)與展望

初級纖毛是一種來源于微管的特殊細(xì)胞器，在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、分化以及相關(guān)信號通路中發(fā)揮著重要作用，初級纖毛的異常在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用。初級纖毛異?？梢詥幽[瘤的發(fā)生，并激活多條腫瘤相關(guān)的信號通路；因此闡明腫瘤中初級纖毛異常的相關(guān)機(jī)制，對于靶向干預(yù)異常纖毛治療腫瘤具有重要價值。