惡性腫瘤中Hedgehog信號通路的表觀遺傳學研究現狀▲

高倩雯 劉陶文

(1 桂林醫學院研究生學院，廣西桂林市 541004，電子郵箱：616271443@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)

【提要】 Hedgehog信號通路作為調控胚胎組織發育、系統形成的關鍵信號傳導系統，也影響著惡性腫瘤的發生。除外通路成員的突變及異常活化，啟動子甲基化引起成員中的腫瘤抑制基因失活及(或)去甲基化使表觀遺傳學改變，可產生致瘤作用。研究發現，多種常見的惡性腫瘤中存在該信號通路的表觀遺傳學改變，研究其機制可為治療Hedgehog通路驅動的癌癥提供參考。本文就常見惡性腫瘤中Hedgehog信號通路的表觀遺傳學研究現狀進行綜述。

表觀遺傳學是指通過DNA序列變化以外的方式調節基因表達，也可以被認為是惡性腫瘤的標志。Knudson[1]于1971年提出了關于腫瘤發生的二次打擊學說，認為腫瘤的發生是一種隱形事件，即野生型基因產物可以抑制腫瘤產生；當這一野生型基因所在的等位基因失活時則可導致惡性腫瘤，因此將該野生型基因稱為腫瘤抑制基因。二次打擊學說中抑癌基因的表現遺傳沉默，與基因突變或缺失同為惡性腫瘤發生的相關因素。通過去甲基化可激活沉默的基因組區域，因這些區域包含沉默的癌基因、插入的病毒基因或重復序列且具有逆轉座子樣結構的元件，這些沉默基因的異常表達可導致惡性腫瘤。Hedgehog信號通路是促進胚胎分化、系統發育和組織調控的重要信號傳導系統，對癌癥的產生具有重要作用。研究表明，表觀遺傳學改變對該通路調控起著極其重要的作用，為Hedgehog通路靶向治療惡性腫瘤提供新的可行策略[2]。本文就常見惡性腫瘤中Hedgehog信號通路的表觀遺傳學研究現狀進行綜述。

1 Hedgehog通路及其功能

Hedgehog通路最早是由Nüsslein-Volhard和Wieschaus[3]在研究果蠅胚胎發育期間的致死基因時發現的。哺乳動物Hedgehog信號通路由三種Hedgehog配體[Sonic hedgehog(SHH)、Indian hedgehog(IHH)和desert hedgehog(DHH)]、十二次跨膜蛋白Patched(Ptch)和七次跨膜蛋白Smoothed(Smo)組成的受體復合物、核轉錄因子Gli家族(Gli1、Gli2和Gli3，Glis)和下游靶基因等4部分組成。其中SHH的表達最為廣泛，SHH調節胚胎發育過程中的神經系統、皮膚和消化道等器官組織分化，IHH參與骨及軟骨發育，DHH則與生殖腺相關[4]。人類Ptch含有的兩種同源基因(Ptch1和Ptch2)，均具有結合Hedgehog配體和抑制Smo蛋白的作用。任何一種Hedgehog配體蛋白都可以與Ptch受體結合，結合后減輕Ptch對Smo的抑制作用，Gli與融合阻遏因子(suppressor of Fuse,SuFu)分離，導致Gli激活并進入細胞核從而啟動靶基因轉錄[5]。在缺乏Hedgehog信號時，SuFu作為信號傳導途徑的負調節因子，通過向Gli靶基因募集組蛋白脫乙酰化復合物來抑制Gli介導的轉錄，將Gli隔離到細胞質中[6]。

Hedgehog信號通路不僅特異性調節神經干細胞在海馬與腦室區的功能，促進骨髓中造血的分化，還會上調惡性腫瘤中Gli轉錄因子的表達，從而提高腫瘤自我更新、侵襲和轉移的能力[7]。目前已發現Hedgehog通路的激活具有4種可能的模式，即由于自分泌和旁分泌信號的加強導致Hedgehog配體產生過量、體細胞系中Hedgehog通路上游成員Smo及Ptch1的突變、Hedgehog通路成員(Ptch1、Smo及Gli1)的過度表達及存在截短形式的Gli1變異體[8]。盡管不同組織起源的惡性腫瘤中Hedgehog激活機制存在差異，但有關信號都在Gli水平匯合并執行Hedgehog信號對靶基因的轉錄效應[8-9]。Hedgehog通路的異常活化見于各種散發性疾病中，包括良性和惡性疾病[8-11]。

2 Hedgehog成員表觀遺傳變化

Hedgehog信號通路高度保守，在促進多細胞動物的胚胎發育、系統發育、組織調控以及干細胞的維持中起關鍵性作用。人類Hedgehog信號通路的重要功能首先被發現于痣樣基底細胞癌綜合征(基底細胞痣綜合征)中，該綜合征以致畸性和癌癥易感性為特征[12]。通常Hedgehog信號通路在機體發育成熟后處于失活狀態,但其成員的突變或錯誤表達會異常激活該通路,導致多種惡性腫瘤的發生和發展。研究顯示，表觀遺傳學異常涉及三種不同機制，即脫氧核糖核酸甲基化、組蛋白修飾和不同長度的非編碼鏈RNA，如微小RNA(microRNA,miRNA)和長非編碼RNA干擾基因。Hedgehog通路的表觀遺傳學改變主要發生在細胞膜和細胞膜外的分子(如Hedgehog、Ptch)、細胞內分子(如Smo、Gli)及Hedgehog通路的靶基因，這對于各種惡性腫瘤的發生和畸形發育具有重要意義[13-14]。

3 幾種常見癌癥的Hedgehog通路表觀遺傳調控

Hedgehog信號傳導途徑與多種類型的腫瘤相關。由于該通路對胃、肝、胰腺和肺等器官的形成起重要作用，故Hedgehog信號傳導的異常活化與這些器官腫瘤密切有關。目前研究已證實，胃癌、非小細胞肺癌(non-small-cell lung cancer，NSCLC)、肝細胞癌、胰腺導管腺癌以及乳腺癌均與Hedgehog通路的表觀遺傳學異常有關[14]。

3.1 胃癌 SHH配體在正常胃組織中不表達，但在腫瘤性胃病變中的表達水平升高，該表達變化與SHH基因啟動子甲基化的減少有關[15]。此外，胃癌細胞系和胃癌組織中Ptch1和Hedgehog結合蛋白(hedgehog-interacting protein，HHIP)基因啟動子通常呈高度甲基化，導致這些基因表達缺失[16-21]，進一步說明異常Hedgehog信號傳導對胃癌發生的重要性。Zuo等[16-17]研究發現，胃癌腺細胞系AGS中Ptch1a是高甲基化的轉錄調節區，經5-氮雜胞苷處理后，幾乎所有位點都發生去甲基化，繼而Ptch1表達上調并誘導細胞凋亡。此外，他們還在部分胃癌組織中發現Ptch1啟動子存在過度甲基化，而在相鄰的正常組織中未發生甲基化，這種甲基化與Ptch1基因表達呈負相關，而與胃癌的臨床特征無關，這表明Ptch1a轉錄調節區的高度甲基化是胃癌發生的早期事件。miRNA-218可使Smo發生表觀遺傳改變，其通過下調Smo的表達抑制胃癌細胞的耐藥性[22]。研究顯示，Wnt信號通路在胃癌的發生發展中起重要作用[23]，而SuFu作為Hedgehog和Wnt信號傳導的負調節因子，是miRNA-194的靶標。因此，miRNA-194通過抑制SuFu、激活Wnt信號傳導來促進胃癌細胞的增殖和遷移[24]。

3.2 NSCLC 雖然Hedgehog信號在NSCLC中的作用尚未明確，但已有研究表明NSCLC存在異常Hedgehog信號傳導和表觀遺傳調控[25]。由于miRNA-212和miRNA-214上調而分別使Ptch1和SuFu表達沉默，從而促進NSCLC轉移[26-27]。研究表明，miRNA-326可顯著抑制NSCLC細胞的生長、遷移、侵襲并誘導該細胞凋亡，miRNA-326及其宿主基因Arrestin β1的表達在胚胎肺間充質細胞中選擇性富集并特異性地受SHH活性的影響，并通過靶向Smo和Gli2而抑制SHH信號傳導的活性[28-29]。雖然表皮細胞生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)-酪氨酸激酶抑制劑 (tyrosine kinase inhibitor，TKI)對NSCLC患者遠期生存有益，但無法避免耐藥，研究發現其對Hedgehog信號傳導途徑的抑制是最有效的，表明該癌基因靶點已從EGFR轉變為Hedgehog信號，這可能為治療耐受EGFR-TKI的NSCLC提供新靶點[30]。

3.3 肝癌 慢性肝損傷導致肝細胞死亡，瀕死的肝細胞通過分泌SHH配體而活化鄰近細胞(包括肝細胞和非肝細胞)的Hedgehog信號傳導并促進其增殖，Kanda等[31]研究顯示，HHIP啟動子甲基化可減少肝癌和肝母細胞瘤細胞系亞群中的HHIP mRNA轉錄，并且在超過50%的肝細胞癌組織中該啟動子發生超甲基化，但在相應的正常肝組織中未檢測到該基因甲基化，HHIP啟動子甲基化可造成HHIP轉錄下調，并由此導致Gli1和Ptch的表達水平升高，提示HHIP的表達下調可導致Hedgehog信號通路異常激活。此外，經過去甲基化藥物處理的肝癌細胞系可恢復HHIP表達并減弱Hedgehog信號[32]。因此，HHIP轉錄失活誘發的Hedgehog信號激活可能與肝細胞癌的發生有關。幾種miRNA在肝細胞癌祖細胞中的差異表達也有助于促進腫瘤的發生，例如miRNA-148a表達下調導致其直接靶標-生長抑制特異性分子1表達上調[33]，在肝細胞癌形成期間因缺失miRNA-200而減輕對Gli2的抑制作用[34-35]，缺失miRNA-378a-3p而導致Gli3表達上調[36]。這些表觀遺傳變化與原發性腫瘤驅動基因共同在肝細胞癌的形成中起作用。

3.4 胰腺導管腺癌 胰腺導管腺癌中的Hedgehog通路激活發生在腫瘤細胞周圍的基質細胞中。胰腺導管腺癌細胞通過分泌SHH而刺激基質產生血管內皮生長因子等而間接形成腫瘤，并在腫瘤周圍形成纖維結構的細胞外基質成分和促炎生長因子，這些因素共同削弱藥物對癌細胞的作用。在胰腺導管腺癌P癌細胞中Hedgehog信號傳導途徑也具有表觀遺傳學異常改變。Gli1通過結合DNA甲基轉移酶基因的啟動子區域，導致甲基轉移酶過表達，而該甲基轉移酶可促進HHIP啟動子高度甲基化而下調HHIP的表達[37-38]。由于組蛋白去乙酰化酶1可消除基因中組蛋白上的激活標記，因此該酶的表達上調進一步促進HHIP水平降低[39]。此外，miRNA-212水平上升可抑制Ptch1表達[40]。上述因素的綜合作用促進胰腺癌細胞生長，并誘導腫瘤耐藥。

3.5 卵巢癌和乳腺癌 與正常卵巢組織相比，卵巢皮樣瘤和纖維瘤中Ptch1啟動子區域發生高度甲基化。后者在Gli1表達升高的情況下，Ptch1和Ptch2均未被活化[41]。研究表明，卵巢腫瘤組織中Gli結合位點附近的Ptch1啟動子區域CpG島大多存在甲基化，而在正常組織中上述位點未觀察到甲基化發生。因此，Ptch啟動子的Gli結合位點超甲基化可以通過阻礙Gli1而刺激Ptch表達，促進卵巢纖維瘤和皮樣瘤增生。此外，多種抑癌基因的啟動子高度甲基化、組蛋白修飾和眾多非編碼鏈RNA參與調控卵巢癌的病理過程[12]。研究顯示，乳腺癌干細胞中SHH通常發生低度甲基化，導致Hedgehog通路異常激活[42]，且乳腺癌組織中Ptch1啟動子高度甲基化較常見[43]。此外，乳腺癌中缺失賴氨酸甲基轉移酶Setd7可使Gli1表達上調，其機制是由于Setd7可激化Gli1啟動子中的抑制性組蛋白，而這些抑制性組蛋白的缺失導致Gli1超表達[44]。有學者發現，維生素D受體及其配體1α,25-二羥基維生素D3通過抑制SuFu可導致乳腺癌中miRNA-214的表達上調[45]。這些因素均可導致Hedgehog通路異常激活并與乳腺癌的發生發展密切相關。

3.6 血液腫瘤 受體Ptch的缺失或Smo的活化突變在基底細胞癌和成神經管細胞瘤中常見，但急性髓性白血病中Hedgehog信號通路的活化很大程度上與Smo無關。人類癌癥基因組圖譜中關于急性髓性白血病數據集的表觀遺傳學和基因表達分析顯示，大多數急性髓性白血病患者中Gli3異常甲基化且表達沉默；Hedgehog信號通路活性調節Gli2/Gli3的加工，并且在不存在Hedgehog配體時，Gli2和Gli3都存在轉錄抑制因子(Gli2R和Gli3R)；Gli3R是Smo拮抗劑治療急性髓性白血病所必需的，并且Gli3R的表達恢復可抑制急性髓性白血病細胞生長；Gli3R通過下調蛋白激酶B表達而抑制急性髓性白血病細胞生長[46]。鑒于Gli3R在Smo依賴性Hedgehog信號傳導的急性髓性白血病細胞中起重要作用，因此認為其可作為Smo拮抗劑治療急性髓性白血病患者的潛在生物標志物。

4 小 結

啟動子超甲基化引起Hedgehog通路成員中的腫瘤抑制基因失活及(或)啟動子去甲基化而驅動腫瘤發生。對Hedgehog途徑的表觀遺傳學認識僅是近年的研究成果，尚缺乏可用于臨床的針對表觀遺傳學控制的Hedgehog通路驅動癌癥的理想治療方法。充分闡明常見惡性腫瘤中該通路的表觀遺傳學改變，可望發現更有效的治療靶點。