Hedgehog信号通路与肿瘤
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CHEMISTRY OF LIFE 2011,31(1)
文章编号: 1000-1336(2011)01-0021-06
Hedgehog信号通路与肿瘤
王琪琳1,2 苏 玲1 刘相国1
1
山东大学生命科学学院,济南 250100;
2
聊城大学生命科学学院,聊城 252059
摘要:Hedgehog 信号通路在胚胎发育中细胞的生长分化、组织器官形成以及成体干细胞的维持和自稳态的保持等方面具有重要作用。
同时,Hedgehog信号通路与Wnt信号通路、Notch信号通路等相互作用、密切联系,在肿瘤的发生、发展过程中也起到关键作用。
论文综述了Hedgehog信号通路的作用机理,与其他信号通路、蛋白质因子的相互联系,以及在肿瘤研究中所关注的靶位点和小分子化合物抑制剂,对于癌症的预防和治疗具有一定的参考价值。
关键词:Hedgehog(Hh)信号通路;Gli转录因子;肿瘤治疗;上皮细胞-间充质细胞转换(EMT);环帕明中图分类号:Q28
收稿日期:2010-09-14
山东省博士基金(BS2009YY004)和山东省科学技术发展计划(2010GSF10218)资助
作者简介:王琪琳(1972-),女,博士生,E-mail: wql@lcu.edu.cn;苏玲(1975-),女,博士,讲师,E-mail: suling@sdu.edu.cn;刘相国(1971-),男,博士,教授,通讯作者,E-mail:xgliu@sdu.edu.cn
Hammerschmidt等[1]在果蝇中首先发现Hedgehog信号通路,Hedgehog(Hh)信号通路在胚胎发育和组织器官形成等过程中具有重要作用,同时也与肿瘤的发生和发展有直接的关系。
在哺乳动物中hh基因有三个同源基因,分别称为Shh、Dhh和Ihh,它们编码的是一种分泌蛋白,统称为Hh配体,通过两种受体PTCH(patched)和Smo(smoothened)发挥信号转导作用。
研究发现,Hh配体和受体结合的过程中,受到两个结合蛋白的调控,即hedgehog相互作用蛋白(hedgehog interacting protein, HIP)和生长停顿特异蛋白1(growth arrest specfic 1, GAS1)
[2-4]。
HIP抑制配
体在细胞膜上的扩散,而GAS1可以从PTCH上隔离Hh配体,所以二者抑制该信号通路的传导。
在哺乳动物中,3个不同的Ci同源基因产物——神经胶质瘤相关癌基因同源蛋白(glioma-associatedoncogene homolog, Gli)Gli 1、Gli2和 Gli3蛋白共同承担了Ci的激活因子和抑制因子的功能。
所有Gli蛋白的
激活都可被融合阻抑蛋白(suppressor of fused, Sufu)抑制[5-7]。
不同物种的多种类型细胞中,Gli和PTCH都是Hh信号的转录靶标。
因此Gli和PTCH可作为Hh信号通路激活的标记基因[2,3]。
在哺乳动物中,这些Hh信号通路中关键成员的活动可以被包括内鞭毛转运蛋白(intraflagellar transport protein, IFT)在内的多种蛋白质进一步调节,这些未知的调控因子会随着对Hh信号通路的深入理解而被逐步发现。
Corbit等[8]在Hh信号通路作用机制中,通过对调节蛋白质空间分布变化的进一步分析发现,一旦Hh信号被活化,Smo、Gli1、Gli2、Gli3和Sufu则定位于初级纤毛间(primary cilium),表明初级纤毛间可能是Hh信号通路成员相互作用的亚细胞区域,起到优化Hh信号通路元件相互作用的功能,从而有利于Hh信号通路的快速调整和对靶基因的调控。
因而哺乳动物中Hh信号通路是受到精密调节的,它与许多信号通路密切联系和相互作用,共同调控机体的细胞生物学行为。
1. Hh信号通路与Wnt、Notch和MAPK等信号通路的相互作用
Hh、Wnt信号通路与其它信号通路之间存在相互作用。
Wnt、Hh和Snail是调控糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β, GSK-3β)和含转导蛋白β
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链重复的蛋白质(β-transducin repeat-containing protein,β-Trcp)转移的姐妹通路。
癌细胞运动性和侵袭性的表型变化提示,上皮细胞-间充质间细胞转换和上皮-钙黏着蛋白(E-cadherin)下调相关[9]。
肿瘤转移的潜在机制之一是转录因子Snail能通过调控蛋白稳定性和细胞定位来双重调节GSK-3β。
由于GSK-3β、β-Trcp与Wnt、Hh信号通路密切相关,因此Zhou等[10]通过比较这些通路提出,Wnt、Hh和Snail在调控细胞黏附性、细胞命运和肿瘤转移等过程中,很可能是发生信号串流(cross-talk)。
研究还发现,信号转导和转录活化蛋白3(Stat3)、Gli3、β-联蛋白(β-catenin)、周期蛋白(cyclin)D1和p21等可能协助Hh信号通路与表皮生长因子受体(EGFR)信号通路,在脊椎动物和非脊椎动物的图式形成和细胞增殖中也起到关键的作用。
1.1 Hh信号通路与Wnt信号通路
Hh信号通路在胚胎发育和成体的生物学作用中,与Wnt、Notch等信号通路相互作用、相互联系,共同调控复杂的生物学过程。
如Gas1编码的蛋白质和SHh蛋白相结合并减弱SHh的活性,而它在发育过程中的背部体节细胞中可被Wnt诱导;在毛发囊泡形成过程中,Wnt5a可以作为SHh的靶基因。
在哺乳动物牙齿发育过程中,Wnt和Hh信号通路的相互作用可以调节外胚层边界的形成。
Price 等[11]研究发现Wnt和SHh通路的组合信号还可以诱导胚胎体节中肌源性bHLH基因的表达,在胃癌中也涉及Wnt和Hh通路的协同作用。
Yanai等[12]在研究Wnt组成型激活的AGS细胞中,发现Gli1的过表达可以抑制Wnt的转录活性、核内β-联蛋白的积累和AGS细胞的增殖。
1.2 Hh信号通路与MAPK信号通路
在新生皮层前体细胞中,Kessaris等[13]研究发现SHh还可以和MAPK信号通路相互作用。
SHh配体可引发新生皮层前体细胞表达少突胶质细胞转录因子2(oligodendrocyte lineage transcription factor 2,OLIG2)并在培养基中产生少突神经胶质祖细胞(OLP)。
研究人员发现SHh自身不激活MAPK,但其活性依赖于MAPK信号。
MAPK信号和SHh信号对于OLP细胞的产生都是必需的。
Elia等[14]最近研究在肌细胞中SHh可引发Akt激酶磷酸化,从而激活MAPK/ERK和PI3K通路,由此验证了SHh信号是促进肌细胞增殖和分化的必需条件。
在胰腺发生过程中,Hh信号通路与Ras信号通路也可以发生相互作用,促进早期胰腺的增生和早期胰腺癌的发展[15]。
SHh信号还可以使胰腺细胞降低对持续激活的MAPK和PI3K/Akt/mTOR信号的依赖性,从而提高K-Ras诱导的胰腺肿瘤发生频率。
1.3 Hh信号通路与细胞周期调控蛋白
细胞周期相关的调控分子也可被SHh调控。
SHh信号通路可以在转录水平调节细胞周期调控因子——周期蛋白D1和p21,从而提高胰腺导管上皮细胞的增殖率。
Morton等[16]进一步研究还发现SHh可以通过激活PI3K信号和稳定Bcl-2、Bcl-xL来保护胰腺导管细胞免受凋亡。
在胰腺癌中通过炎症刺激因子[白介素1 β(IL-1β)、α肿瘤坏死因子(TNF-α)和脂多糖]激活NF-κB,可以使NF-κB以一种配体依赖的形式诱导SHh的过表达,激活SHh信号通路,而周期蛋白D1是该通路靶基因之一,使得周期蛋白A、周期蛋白D、周期蛋白依赖激酶4(CDK4)表达上调,细胞周期抑制蛋白p21下调。
从而在一定程度上提高了胰腺癌细胞的增殖率[17]。
在人类皮肤发育过程中,SHh对周期蛋白D1的表达也是重要的[18]。
NF-κB可以激活SHh以及周期蛋白D1的表达并控制随后的毛发基板内陷,因而Hh信号通路通过NF-κB信号通路可以调控细胞周期。
1.4 Hh信号通路与细胞凋亡通路
SHh信号通路与细胞凋亡通路也有密切关系,如Bcl-2的调节是通过Hh通路中Gli家族蛋白所介导的,Gli3被水解后成为N端抑制因子的形式,它可以抑制下游的Gli激活Bcl-2启动子,促进凋亡。
也有研究发现,Bcl-2的顺式调控区内有三个Gli2的结合位点,Gli2可以选择性的激活人类Bcl-2的启动子,从而诱导Bcl-2的表达。
又如Abe等[19]发现Hh信号可以通过激活鼠转化3T3细胞双小蛋白2(mousetransformed 3T3 cell double minute 2, Mdm2),与p53形成负反馈调节回路,以拮抗p53介导的抑癌作用。
2. Hh信号通路与肿瘤发展
Hh信号通路在动物的正常胚胎发育和器官形成中具有重要作用,但其通路成员的突变或错误表达会激活该通路,最终导致癌症的发生和发展。
肿瘤中有关Hh信号的研究,是从Gorlin综合征以及基底细胞痣样综合征开始的,其主要病因是PTCH的
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遗传或自发突变引起了Hh信号的激活,同样PTCH、SMO和SUFU突变在自发的基底细胞癌中也被发现。
Hh配体与转录靶标Gli、PTCH的异常表达可在许多癌症中激活Hh信号,包括食道癌、胃癌、胰腺癌、肝癌、肺癌、前列腺癌、卵巢癌和乳腺癌等。
同时,也有研究发现,PTCH和SMO的突变会导致Hh信号激活,引起皮肤基底细胞癌(basal cell carcinoma, BCC)和成神经管细胞瘤的发生。
其中Gli蛋白被认为对肿瘤发生、发展和迁移有潜在的重要性。
目前在这些癌症中SHh表达上调的潜在机制仍不清楚,Wang等[20]认为可能包括NF-κB的上调、Shh启动子甲基化的减少和Shh基因组的扩增。
Sheng等[21]也报道可能导致通路激活的其他分子变化,如HIP的启动子甲基化以及Sufu的突变失活。
Hh通路突变所导致的癌症(如PTCH和SMO的突变)已经在BCC、成神经管细胞瘤和横纹肌肉瘤中发现;而Hh配体过表达引起的肿瘤包括:小细胞肺癌、胰腺癌、食道癌、胃和胆管癌、前列腺癌、乳腺癌、结肠癌和肝癌。
除了Hh信号通路自身异常外,另一些分子的异常对于癌症的形成也是必需条件。
最近在人类乳腺癌的研究中发现,p27Kip1的减少(在人类乳腺癌中很常见)会导致Dhh表达增加,从而激活Hh通路。
Hh信号通路的异常不仅与肿瘤发生相关,而且与促进肿瘤发展有关。
一般情况下,可以通过以下途径完成:提高细胞增殖率、诱导上皮细胞—间充质细胞的转换、介导基质-上皮细胞的相互作用和可能的调控干细胞自我更新等。
2.1 提高细胞增殖率
Smis-Mourtada等[22]研究过表达SHh或Gli1会激活几种类型的癌细胞中的Hh信号通路,并出现细胞加速增殖的现象。
通过使用SMO的拮抗剂KAAD-环帕明或直接对Gli1进行RNA干扰来抑制Hh信号,可降低多种体外培养的和异种移植的癌细胞的生长速度。
这种生长抑制的原因是细胞凋亡的增加或细胞增殖的减少。
与这种现象关联的分子变化包括细胞周期的G1期阻滞,及其周期蛋白A、周期蛋白D、CDK4和c-Myc的下调,以及P21和P27的上调[23]。
其中的调节因子有:关键的抗凋亡因子Bcl-2、凋亡执行者胱天蛋白酶-3(caspase-3)和死亡受体Fas等。
这些发现证明了在癌症的发展中,Hh信号可以提高细胞增殖率。
2.2 促进上皮细胞-间充质细胞的转换
上皮细胞-间充质细胞转换(epithelial to mesen-chymal transition, EMT)的特点是E-钙黏着蛋白表达降低并定位于细胞膜上,以及波形蛋白表达增加。
EMT可以增强癌的侵袭,促进癌症的发展。
Li等[24]发现在Snail或Twist等转录因子的作用下,E-钙黏着蛋白表达受到抑制,这是促使EMT发生的关键一步。
而在肾上皮细胞中Gli1的过表达会诱导Snail表达,从而引起E-钙黏着蛋白的表达降低。
前列腺癌细胞中Gli1的过表达可以在体外提高Snail的表达,而Smo拮抗物抑制可以减少前列腺癌的侵袭性,说明Hh信号在EMT中的重要作用。
2.3 介导基质细胞和上皮细胞之间的相互作用Lee等[25]研究发现,Hh信号通路的靶基因在基质和上皮细胞中都有表达。
在胃、腺癌中,SHh的表达定位于上皮细胞;但是PTCH和Gli1在上皮和周围的基质均有表达,在前列腺癌中也有类似的结果。
SHh可促进成纤维细胞血管生成因子表达、细胞繁殖、细胞迁移以及脉管的形成,这些结果说明,Hh信号可以通过介导基质细胞和上皮细胞之间的相互作用,在新生血管的生成中起到重要作用。
Hh信号通路在乳腺癌基质和上皮细胞的相互作用中非常重要[26]。
Gli1的mRNA水平和蛋白质水平以及PTCH蛋白在乳腺癌中比正常乳腺基质细胞表达水平高的多。
Gli2和Smo的转录水平也偏高。
另外,Hh通路也可以调节乳腺癌和骨质之间的相互作用。
进一步的研究发现,MDA-MB-231乳腺癌细胞中Gli2的表达增强,因而上调副甲状腺激素的相关肽的表达;而这种肽正是骨质溶解的主要调节因子,从而提高了骨质溶解程度。
因此,Hh信号通路可以介导基质细胞和上皮细胞之间的相互作用。
2.4 调控干细胞自我更新
Hh信号对于干细胞的维持也很重要。
干细胞增殖潜能高、细胞周期慢,能自我更新,有多种分化途径。
Clement等[27]研究表明,Hh信号可以增加表皮干细胞增殖,并调节干细胞属性的胚胎细胞和出生后的小鼠大脑皮质细胞。
胰腺癌干细胞,具有CD44+/CD24+/ESA表型,能促进Shh的表达。
Hh信号通路能调节干细胞基因如OCT4、SOX2和BMI1基因的表达。
通过体外悬浮培养系统增殖乳腺上皮干细胞和祖细胞,可以提高PTCH、Gli1和Gli2的表达;
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而当干细胞分化时,这些Hh通路成员的表达下调。
所以,抑制肿瘤干细胞Hh通路活性可以降低或者阻止乳腺癌的再生。
2.5 调控DR4死亡受体
肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(tumor necrosisfactor-related apoptosis inducing ligand, TRAIL)可以通过死亡受体DR4和DR5在一些恶性肿瘤细胞中诱导细胞凋亡,然而许多肿瘤细胞对TRAIL产生抗性。
Kurita等[28]利用胆管癌细胞作为对TRAIL抗性的细胞模型,鉴定了与癌症发生有关的Hedgehog-Gli途径在调节TRAIL细胞毒性方面的作用。
利用药理学或遗传学方法阻断Hh型号通路,可使细胞对TRAIL毒性敏感。
细胞凋亡敏感性与DR4表达一致,而其它凋亡效应蛋白却没有变化。
DR4基因敲减(knock-down)与由Hedgehog介导的抗TRAIL细胞毒性是相似的。
Hedgehog通过调控DR4启动子的活性而调节DR4的表达。
通过荧光素酶、染色体免疫沉淀(Chip)实验和表达分析显示,转录因子Gli3结合到DR4的启动子上。
Hedgehog需要完整的Gli3抑制形式沉默DR4的表达。
用siRNA干扰Gli3,而不是Gli2或Gli1,可以恢复DR4的表达和对TRAIL的敏感性,表明Hedgehog的调控效应是由Gli3转录因子特定调节的。
这种机制为抗TRAIL的肿瘤治疗提供了一种新方法。
2.6 调控胱天蛋白酶8(caspase 8)拮抗物——c-FLIP死亡受体属于肿瘤坏死因子超家族,通过激活胱天蛋白酶8前体诱导凋亡。
细胞死亡域Fas相关蛋白样白介素-1β转换酶抑制蛋白(cellular Fas-associ-ated death domain-like interleukin-1β-converting enzyme-inhibitory protein, c-FLIP)能够调节胱天蛋白酶8前体的活性,作为胱天蛋白酶8前体一种重要的调节者,c-FLIP在各种正常细胞和组织中(淋巴细胞)调节存活和死亡,并且在多种肿瘤细胞中拮抗死亡受体介导的凋亡。
除了作为凋亡的一种重要调节者以外,c-FLIP还与细胞增殖、肿瘤发生相关。
c-FLIP表达失调与多种疾病(如癌症、自身免疫疾病)有关,因而c-FLIP可以作为治疗防御的一个关键靶标。
随着对Hedeghog信号通路研究的深入,Kump等[29]研究发现,在基底细胞癌细胞中,Hedgehog信号的失调可导致Gli转录因子过表达,其中Gli2起关键作用。
实验发现高表达的Gli2可诱导c-FLIP表达增加,从而拮抗死亡受体介导的凋亡。
siRNA沉默Gli2之后,c-FLIP、Bcl2表达下调,并且能逆转对凋亡的抗性。
研究发现Gli2结合位点在c-FLIP的启动子上,c-FLIP与Bcl2是Gli2的两个靶基因,表达依赖于Gli2水平。
Saravanan等[30]研究小组证实,在前列腺癌细胞22Rr1、PC3、LnCaP、DU145 和 RWPE1中用shRNA沉默Gli2之后,Hedgehog信号显著下调,抑制癌细胞克隆的生长;并且在体内可以抑制移植瘤的生长。
所以,在Hedgehog信号失调的肿瘤中,Gli2可以作为一种新的肿瘤治疗的首选靶标。
近来有研究发现,在脑胶质瘤中,抑制Gli1可以降低胰岛素受体底物蛋白(insulin receptor substrate, IRS)。
3. 以Hh通路活性作为靶标的抑癌药物
Hh信号通路和人类癌症的关系,促使研究者努力筛选鉴别小分子Hh拮抗物来抑制通路,不同种类的小分子Hh拮抗物已经被鉴定出来。
活性7-脱氢胆固醇(维他命D3)及其前体7-脱氢胆固醇被验证可以抑制Smo的功能,从而抑制Gli介导的转录[31]。
这种维他命D3的抑制作用要强于环帕明(10µM)。
研究显示,维他命D3直接结合于Smo,因此维他命D3将有可能被证明是环帕明或其他Smo拮抗物的有效替代物。
另外一些小分子Smo拮抗物(结构与环帕明不同),如SANT,已经被几家药物公司作为有希望的抗癌试剂生产。
近年来除了KAAD-环杷明以外,研究人员进一步合成出另一类环帕明类似物IPI-609,发现它可以限制淋巴瘤克隆组的生长。
IPI-609也是高度特异的,它对缺乏Hh元件的细胞克隆组的生长几乎没有影响,但可以显著抑制淋巴瘤干细胞的生长,防止其复发。
IPI-269609, 也与环帕明有类似的效果,能够下调靶基因Gli1和Ptch的表达,抑制胰腺癌细胞的迁移,可能是通过靶向一小部分肿瘤起始细胞——干细胞起作用的[32]。
小分子抑制剂Jervine、HhAntag(Cur-691)、IPI-269609、GDC-0449、IPI-926、BMS-833923(XL139),都是靶向细胞膜表面的Smo蛋白,而Forsklin则是靶向信号通路中的蛋白激酶PKC。
GDC-0449能显著抑制肿瘤的生长,特别是在PTCH1突变的信号通路中[33]。
Blotta等[34]研究证实Hh在多发性骨髓瘤(multiplemyeloma, MM)中是激活的,而新的Hh抑制剂CUR-0199691,无论对体外培养中的MM还是原代MM,
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其抑制功效都是环帕明的4倍;并且对ER阳性与阴性的乳腺癌细胞也具有抑制作用[35]。
CUR-61414也能抑制PTCH1突变的Hh信号通路活性,抑制BCC肿瘤细胞的增殖并诱导凋亡,而对正常的皮肤细胞没有影响。
参 考 文 献
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W ANG Qilin 1,2, SU Ling 1, LIU Xiangguo 1
1School of Life Science, Shandong University, Jinan 250100, China;
2
School of Life Science, Liaocheng University, Liaocheng 252059, China
Abstract Hedgehog signaling plays an essential role in embryonic differentiation, pattern formation and adult cell homeostasis.Simultaneously hedgehog signaling has closd correlation with Wnt signaling and Notch signaling, and plays a critical role in tumor initiation and progression. This review focuses on the regulatory mechanism and physiological functions of Hedgehog signaling, and the relationship with other signaling pathways and protein factors. The target sites and small molecular inhibitors in tumor have also been summarized, which might be beneficial to cancer therapeutic intervention.
Key words Hedgehog signaling pathway; Gli transcription factors; cancer therapy; epithelial to mesenchymal transition (EMT); cyclopamine
target in Multiple Myeloma. Bloos (ASH Annual MeetingAbstracts), 2007, 110: 672
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