Hedgehog信號通路Gli家族成員及其在惡性腫瘤中的作用研究進展▲

沈 冰 劉陶文

(1 桂林醫學院研究生學院，桂林市 541004，E-mail：363390634@qq.com；2 廣西壯族自治區南溪山醫院暨桂林醫學院附屬南溪山醫院腫瘤科，桂林市 541002)

Hedgehog信號通路Gli家族成員及其在惡性腫瘤中的作用研究進展▲

沈 冰1劉陶文2

(1 桂林醫學院研究生學院，桂林市 541004，E-mail：363390634@qq.com；2 廣西壯族自治區南溪山醫院暨桂林醫學院附屬南溪山醫院腫瘤科，桂林市 541002)

Gli(包括Gli1、Gli2及Gli3)是Hedgehog(Hh)信號通路下游分子，其作為核轉錄因子與啟動子結合而激活靶基因轉錄。Gli蛋白在腫瘤發生、侵襲和轉移等過程起重要作用。目前已開展以Gli為靶點的腫瘤干預臨床試驗。本文對Gli家族在腫瘤中的作用及針對Gli靶向干預腫瘤的研究進展進行綜述。

Gli家族；Hedgehog信號通路；惡性腫瘤；靶向治療；綜述

Hedgehog(Hh)信號通路在哺乳動物胚胎發育和胚胎形成后細胞的生長和分化過程中具有重要作用。Hh信號通路異常激活幾乎參與人體各系統惡性腫瘤的發生[1-2]。Gli(包括Gli1、Gli2及Gli3)是Hh信號通路下游分子，其作為核轉錄因子與啟動子結合而激活靶基因轉錄。近年來，有關Hh信號通路在腫瘤發病學中發揮重要作用的證據不斷增多及針對該通路抗癌藥物的研發成功，使該信號通路與腫瘤的關系備受關注。目前，眾多研究已肯定Gli蛋白在腫瘤發生、侵襲和轉移等過程起重要作用。本文對Gli家族在腫瘤中的作用及針對Gli靶向干預腫瘤的研究進展作一綜述。

1 Hh信號通路簡介

Hh信號通路最早在果蠅中發現，以往研究者普遍認為該通路在脊柱動物成體階段處于沉默狀態，但逐漸有學者發現Hh信號的非持續激活對干細胞的維持和組織的再生及修復具有重要意義[3-4]。Hh信號傳導通路由Hh配體(Shh、Ihh、Dhh)、12次跨膜蛋白Patched(Ptch)和7次跨膜蛋白Smoothed(Smo)組成的受體復合物、核轉錄因子Gli家族、下游靶基因4部分組成。Ptch基因包括Ptch1和Ptch2兩種同源基因，兩者表達的蛋白都可與Hh配體結合。當缺乏Hh配體時，Ptch可通過催化作用抑制Smo的活性；當存在Hh配體時，Hh與Ptch結合，解除了Ptch對Smo的抑制作用，Smo激活后活化Gli家族成員，使其進入細胞核內并通過結合啟動子以控制靶基因的轉錄。Gli的活化途徑主要分為配體依賴性途徑和配體非依賴性途徑。配體依賴性途徑是指Hh信號通路的激活依賴Hh配體與膜受體Ptch結合，活化Smo從而激活下游信號通路。配體非依賴性途徑的激活不依賴Hh配體，見于該通路成員的基因突變，如Ptch(如基底細胞癌)基因、SUFU(屬于Gli蛋白抑制因子)基因的功能喪失性突變；Smo(如髓母細胞瘤)基因、Gli(如平滑肌肉瘤)基因的功能獲得性突變等情況下導致激活該信號通路[1]。此外，Hh信號通路與腫瘤的其他信號通路交聯也可直接激活Gli，這也屬于配體非依賴途徑[5]。以上研究均提示Hh信號通路的異常激活與惡性腫瘤的發生發展具有密切關系。

2 Gli家族成員的生物學特性

Gli屬于鋅指蛋白，位于染色體q13～q14.3，由5個串聯的鋅指結構域構成，除鋅指結構域1不與靶基因結合外，其余鋅指結構均可與靶基因結合。Gli家族成員包括Gli1、Gli2和Gli3，這3種蛋白質均有高度保守的DNA結合區，Gli2、Gli3與Gli1在結構上的區別在于后者不具有N末端抑制區域。因此，雖然這3種蛋白質結構相似，但其功能卻有所差異。Gli1以激活功能為主，而Gli2既有激活功能也有抑制功能，Gli3以抑制功能為主。當缺乏Hh配基時，Gli2和Gli3以抑制的形態(Gli-R)進入細胞核與靶基因結合，抑制靶基因轉錄；而Gli1則被泛醌蛋白酶體系統迅速降解。當存在Hh配基時，Gli1和Gli2以活化的形態(Gli-A)與靶基因啟動子結合，激活靶基因的轉錄；而Gli3則被DNA蛋白水解酶降解。

Gli2、Gli3在胚胎發育過程具有重要作用，其基因突變可導致機體發生畸形，而Gli1在這方面的重要性不及Gli2、Gli3。大多學者認為Gli(包括Gli1、Gli2及Gli3)在致瘤過程中也起著重要作用。Gli可能通過以下幾種途徑調控哺乳動物腫瘤的發生發展：誘導腫瘤干細胞相關因子表達；誘導細胞周期相關蛋白表達，促進癌細胞增長；直接與抗凋亡因子啟動子結合，抑制腫瘤細胞凋亡；上調轉錄因子Smad蛋白相互作用蛋白1的表達，后者可促進2個上皮細胞-間充質轉化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)相關轉錄因子表達，從而發揮Hh-EMT信號在腫瘤侵襲和轉移中的重要作用；磷脂酰肌醇3激酶(phosph atidylinositol 3 kinase，PI-3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB)(PI3K/AKT)、Ras、轉化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)等信號的相互活化作用[6-8]。最終，經過Gli家族各成員的激活和抑制功能的平衡而導致靶基因的表達，包括Gli1、Ptch1、myc、B淋巴細胞瘤-2和細胞周期蛋白D1等。

3 Gli家族成員在腫瘤中的表達及作用

Gli最初在腦膠質細胞瘤中被發現而得名。Chang等[9]報告Hh-Gli信號可通過PI3K/AKT通路上調基質金屬蛋白2和基質金屬蛋白9表達，促進腦膠質細胞瘤的侵襲及轉移。有學者應用小干擾RNA(small interfering RNA，siRNA)干預膠質瘤U251細胞系，以使Gli1 mRNA沉默，導致細胞的增殖受到抑制，細胞的凋亡卻得到促進[10]。多種腫瘤如消化道腫瘤、髓母細胞瘤、橫紋肌肉瘤、肝癌、胰腺癌、前列腺癌、肺癌、生殖及泌尿系腫瘤等患者均存在Gli1過表達，而且Gli1的高表達與腫瘤的侵襲及轉移有關。尤其是Gli1可調節腫瘤干細胞的存活、生物學行為及腫瘤的生長、侵襲等過程。早期研究表明Hh配體的存在是Gli1激活的關鍵，隨后研究發現其他腫瘤相關信號通路也能激活Gli1蛋白，如Ras、PI3K/AKT、Wnt、TGF-β、MAPK等[2，11]。

至今大部分學者都是致力于研究Gli1，而對Gli2及Gli3在腫瘤中的作用研究較少。Hh信號通路激活時，Gli1和Gli2可以相互重疊激活，Gli1除了是其自身蛋白的靶基因外，也是Gli2的直接靶基因；同時Gli2又作為Gli1的間接靶基因。值得注意的是，Gli1與Gli2在腫瘤中發揮生物學效應與其他信號通路的相互交聯密不可分。目前普遍認為Gli1與Gli2在腫瘤的發生發展具有重疊效應，而關于Gli3與前兩者之間的關系尚未清楚。在對晚期肺腺癌的研究中發現Gli1 mRNA和Gli3 mRNA表達量與患者的5年生存率較低有關，而Gli2 mRNA的表達量與臨床病理特征無相關性[12]。而近期有關惡性黑色素瘤的研究結果提示TGFβ在非經典途徑激活Gli2的過程中具有重要作用，Gli2高表達可以促進該腫瘤轉移[13]。Zhou等[11]報告PI3K/AKT可通過非經典Hh信號途徑激活Gli1和Gli2，增強腎細胞癌的增殖與克隆能力，通過Gli1、Gli2靶向抑制劑GANT61與AKT抑制劑哌立福辛(Perifosine)聯合干預能抑制癌細胞的生長，并促進其凋亡。Gli2表達水平上調被認為是引起骨肉瘤遠處轉移的重要因素，有學者通過體外細胞培養和骨肉瘤移植動物模型的研究，觀察到干擾Gli2的表達可抑制腫瘤轉移[14]。Xu等[15]發現單加氧酶激活蛋白Zeta通過抑制Gli2與泛素連接酶β-TrCP的結合可增加Gli2蛋白的穩定性，同時可以破壞P53-Smad復合物的穩定性；此時，Gli2與游離的Smad蛋白結合后通過反式激活甲狀旁腺激素相關蛋白，從而促進乳腺癌骨轉移。Steg等[16]報告胰腺癌中Gli3表達上調能增加癌細胞對環靶明的敏感性，若應用siRNA干擾Gli3的表達則可減弱癌細胞的活力。應用氯化鉀抑制糖原合成酶激酶-3β，可以促進Gli加工成抑制形態和減少直腸癌細胞增殖，并可誘導腫瘤細胞凋亡[17]。目前，國內學者應用微小RNA-143轉染鼻咽癌細胞株后發現，癌細胞穿膜細胞數明顯低于未轉染組；進一步應用siGli3干擾Gli3的表達，發現癌細胞遷移能力明顯下降，提示Gli3蛋白的表達能促進癌細胞遷移[18]。液泡膜蛋白1(vacuole membrane protein 1，Vmp1)為蛋白質分泌、細胞發育及器官形成過程所必需,在諸多腫瘤發展過程有重要作用，如細胞膜運輸、生長增殖和自噬等。在腫瘤中，腫瘤基因KRAS可通過AKT-Gli3-Vmp1通路的誘導Vmp1表達上調，誘導細胞自噬行為，促進腫瘤的生長[19]。

4 Gli靶向治療腫瘤

目前，臨床試驗中所采用阻斷Hh信號的制劑的作用靶點幾乎都是針對Smo蛋白，例如Sonidegib、BMS-833923和IPI-926，它們在基底細胞癌及成神經管細胞瘤治療中的療效已經臨床得到肯定；Smo抑制劑在配體依賴型的腫瘤中獲得療效明顯，但在一些實體腫瘤中的效果卻并不滿意[20-21]。由于Hh信號通路Smo水平以下的分子異常以及因其他通路與Hh信號通路交聯激活[22]等情況不受上述靶向抑制劑所抑制，造成Smo抑制劑在臨床的應用范圍受限而應用價值降低。因此，近年相繼出現針對鋅指蛋白Gli1和Gli2的靶向抑制劑如HPI1-4、ATO、GANT58、GANT61、GlaB、JQ1及I-BET151等，相關體內外實驗結果表明這些制劑抑制腫瘤生長的效果明顯優于環巴胺[23]。目前，GANT58、GANT61被認為是針對Gli1和Gli2的最佳抑制劑，其通過與Gli鋅指結構域2與鋅指結構域3之間溝槽區域結合，影響Gli與靶基因結合，從而達到抑制Gli的激活轉錄功能,其生物學效應明顯大于環巴胺對Smo的抑制。目前已明確Gli抑制劑對Gli1/Gli2的抑制作用機制主要有4個方面[23]：抑制Gli的合成和轉運；抑制Gli與靶基因特定序列結合；抑制轉錄輸出；間接抑制Gli表達。Port等[24]應用GANT61和GANT58干預鼻咽癌細胞株C666.1，結果顯示CD133、CD44v6、SOX2、BMI1等干細胞性相關基因的表達下調。國內學者也觀察到應用GANT61干預后，髓母細胞瘤Doay細胞株對Gli2 mRNA表達明顯下調、癌細胞增殖受到明顯抑制[25]。近年，以GANT61靶向Gli蛋白的試驗已在多種惡性腫瘤如肺癌、橫紋肌肉瘤、神經母細胞瘤、肝癌、胰腺癌及前列腺癌等動物模型中開展，結果表明該制劑可有效縮小腫瘤體積[23]。由于這種干預策略幾乎對所有惡性腫瘤有效，因此GANT61聯合傳統化療放療有望成為治療腫瘤的新模式[26]。

5 小 結

Hh信號的異常激活涉及腫瘤的發生發展。鋅指蛋白Gli家族不僅通過Hh/Smo/Gli信號通路激活一系列靶基因的表達，同時還可與其他信號通路交聯發揮其他相應的生物學效應。然而，鑒于Hh信號通路的復雜性，該通路成員間的關系及Gli在腫瘤發生發展的分子學機制等尚未完全闡明。對各種腫瘤中Hh信號通路分子差異表達的深入分析，尤其是開展對腫瘤實驗模型的干預試驗，以篩選針對抑制Gli家族的有效制劑，將有助于為臨床應用Hh信號通路靶向抑制劑及(或)聯合傳統模式治療惡性腫瘤提供重要參考。

[1] Sahebjam S,Siu LL,Razak AA.The utility of hedgehog signaling pathway inhibition for cancer[J].Oncologist,2012,17(8):1 090-1 099.

[2] Jia Y,Wang Y,Xie J.The hedgehog pathway:role in cell differentiation,polarity and proliferation[J].Arch Toxicol,2015,89(2):179-191.

[3] Ingham PW,Nakano Y,Seger C.Mechanisms and functions of Hedgehog signalling across the metazoa[J].Nat Rev Genet,2011,12(6):393-406.

[4] Arwert EN,Hoste E,Watt FM.Epithelial stem cells,wound healing and cancer[J].Nat Rev Cancer,2012,12(3):170-180.

[6] Rodova M,Fu J,Watkins DN,et al.Sonic hedgehog signaling inhibition provides opportunities for targeted therapy by sulforaphane in regulating pancreatic cancer stem cell self-renewal[J].PLoS One,2012,7(9):e46 083.

[7] Huang L,Walter V,Hayes DN,et al.Hedgehog-GLI signaling inhibition suppresses tumor growth in squamous lung cancer[J].Clin Cancer Res,2014,20(6):1 566-1 575.

[8] Ma Z,Liu W,Zeng J,et al.Silibinin induces apoptosis through inhibition of the mTOR-GLI1-BCL2 pathway in renal cell carcinoma[J].Oncol Rep,2015,34(5):2 461-2 468.

[9] Chang L,Zhao D,Liu HB,et al.Activation of sonic hedgehog signaling enhances cell migration and invasion by induction of matrix metalloproteinase-2 and-9 via the phosphoinositide-3 kinase/AKT signaling pathway in glioblastoma[J].Mol Med Rep,2015,12(5):6 702-6 710.

[10]Guo W,Tian H,Dong X,et al.Knockdown of Gli1 by small-interfering RNA enhances the effects of BCNU on the proliferation and apoptosis of glioma U251 cells[J].Int J Clin Exp Pathol,2015,8(7):7 762-7 773.

[11]Zhou J,Zhu G,Huang J,et al.Non-canonical GLI1/2 activation by PI3K/AKT signaling in renal cell carcinoma:A novel potential therapeutic target[J].Cancer Lett,2016,370(2):313-323.

[12]Ishikawa M,Sonobe M,Imamura N,et al.Expression of the GLI family genes is associated with tumor progression in advanced lung adenocarcinoma[J].World J Surg Oncol,2014,12:253.

[13]Sadam H,Liivas U,Kazantseva A,et al.GLI2 cell-specific activity is controlled at the level of transcription and RNA processing:Consequences to cancer metastasis[J].Biochim Biophys Acta,2016,1862(1):46-55.

[14]Nagao-Kitamoto H,Nagata M,Nagano S,et al.GLI2 is a novel therapeutic target for metastasis of osteosarcoma[J].Int J Cancer,2015,136(6):1 276-1 284.

[15]Xu J,Acharya S,Sahin O,et al.14-3-3ζ turns TGF-β′s function from tumor suppressor to metastasis promoter in breast cancer by contextual changes of Smad partners from p53 to Gli2[J].Cancer Cell,2015,27(2):177-192.

[16]Steg A,Amm HM,Novak Z,et al.Gli3 mediates cell survival and sensitivity to cyclopamine in pancreatic cancer[J].Cancer Biol Ther,2010,10(9):893-902.

[17]Trnski D,Sabol M,Gojevic A,et al.GSK3β and Gli3 play a role in activation of Hedgehog-Gli pathway in human colon cancer-Targeting GSK3β downregulates the signaling pathway and reduces cell proliferation[J].Biochim Biophys Acta,2015,1852(12):2 574-2 584.

[18]鐘 文,何本夫,朱成全,等.MiR-143通過負調控GLI3基因來抑制鼻咽癌細胞的遷移[J].南方醫科大學學報,2013,33(7):1 057-1 061.

[19]Lo Ré AE,Fernández-Barrena MG,Almada LL,et al.Novel AKT1-GLI3-VMP1 pathway mediates KRAS oncogene-induced autophagy in cancer cells[J].J Biol Chem,2012,287(30):25 325-25 334.

[20]Rodon J,Tawbi HA,Thomas AL,et al.A phase I,multicenter,open-label,first-in-human,dose-escalation study of the oral smoothened inhibitor Sonidegib(LDE225) in patients with advanced solid tumors[J].Clin Cancer Res,2014,20(7):1 900-1 909.

[21]Jimeno A,Weiss GJ,Miller WH Jr,et al.Phase I study of the Hedgehog pathway inhibitor IPI-926 in adult patients with solid tumors[J].Clin Cancer Res,2013,19(10):2 766-2 774.

[22]Aberger F,Ruiz I,Altaba A.Context-dependent signal integration by the GLI code:the oncogenic load,pathways,modifiers and implications for cancer therapy[J].Semin Cell Dev Biol,2014,33:93-104.

[23]Gonnissen A,Isebaert S,Haustermans K.Targeting the Hedgehog signaling pathway in cancer:beyond Smoothened[J].Oncotarget,2015,6(16):13 899-13 913.

[24]Port RJ,Pinheiro-Maia S,Hu C,et al.Epstein-Barr virus induction of the Hedgehog signalling pathway imposes a stem cell phenotype on human epithelial cells[J].J Pathol,2013,231(3):367-377.

[25]林中嘯,蔡 銘,虞曉明,等.Gli2在髓母細胞瘤中的表達及其靶向抑制劑的作用與意義[J].醫學研究雜志,2015,44(4):66-70.

[26]Infante P,Alfonsi R,Botta B,et al.Targeting GLI factors to inhibit the Hedgehog pathway[J].Trends Pharmacol Sci,2015,36(8):547-558.

廣西醫療衛生適宜技術研究與開發項目(S201408-01)

沈冰(1989～)，男，在讀碩士研究生，研究方向：腫瘤轉移和復發。

劉陶文(1965～)，男，博士，教授，研究方向：腫瘤轉移和復發，E-mail：liu80838689@126.com。

R 73

A

0253-4304(2016)02-0237-03

10.11675/j.issn.0253-4304.2016.02.26

2015-11-17

2016-01-28)