Hedgehog信号通路与肿瘤
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· 21 ·《生命的化学》2011年31卷1期CHEMISTRY OF LIFE 2011,31(1)● 小综述
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.cnHammerschmidt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-associated
oncogene 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· 22 ·《生命的化学》2011年31卷1期CHEMISTRY OF LIFE 2011,31(1)● Mini Review
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(mouse
transformed 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· 23 ·《生命的化学》2011年31卷1期CHEMISTRY OF LIFE 2011,31(1)● 小综述
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