近日節律與癌癥研究進展#

應俊杰 李世平 屈藝

（四川大學華西第二醫院兒科/出生缺陷與相關婦兒疾病教育部重點實驗室，四川 成都，610041）

近日節律又稱晝夜節律，具有24小時振蕩模式，可調節機體包括睡眠、新陳代謝和細胞分裂在內的多種重要的生理過程和行為。近日節律的中樞位于下丘腦視交叉上核（Suprachiasmatic Nucleus，SCN），是核心生物鐘的中央起搏器[1]。外周組織（如肝臟、腎臟、皮膚、小腸、肺、卵巢和心臟等）的細胞自身也存在節律性，形成外周節律。一方面，SCN與環境信號（如光照）同步，調控相關分子24小時的節律振蕩；另一方面，SCN還通過神經和體液調節，同步外周節律系統，從而維持機體的生理穩態[2,3]。隨著對近日節律的研究不斷深入，研究者們發現近日節律與人類的很多疾病息息相關，其中就包括癌癥[4-6]。

癌癥是常見的死亡原因之一，全球每年約有1810萬癌癥新發病例及960萬癌癥死亡病例，中國癌癥的發病率和死亡率均居世界首位，約占全球病例的五分之一[7]。因此，弄清癌癥的發病機制，找到治療癌癥的有效方法一直以來都是世界醫學研究的熱點。腫瘤細胞具有異質性，在細胞增殖、轉移、耐藥性等方面特質各不相同，難以找到有效抑制所有腫瘤細胞的方法。因此，研究者們試圖從近日節律等一些新的角度尋找抑制腫瘤的新方法。本文從近日節律的調控機制及其在癌癥中的研究現狀、治療應用等方面進行綜述，供癌癥治療相關研究提供參考。

1 近日節律調控的分子機制

SCN和外周組織的節律振蕩受到細胞中節律基因和蛋白組成的轉錄-翻譯負反饋環路（Transcription-translation feedback loop，TTFL）調控。核心生物鐘蛋白CLOCK（Circadian locomotor output cycles protein kaput）和BMAL1（又 稱Aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator-like protein 1，ARNTL）形成異源二聚體，調控節律基因Per（Period）和Cry（Cryptochrome）的轉錄，CRY-PER二聚體又會從細胞質轉移到細胞核，并抑制clock - bmal1驅動的E-box轉錄，從而形成了經典的負反饋環路[8]。隨著研究的深入，研究者們對TTFL又進行了補充，即核受體REV-ERBa和視黃酸受體相關孤兒受體（Retinoic acid receptor–related orphan receptor alpha，RORA）組成的二級環路[5,6,8]。這兩個環路通過影響染色質構象、組蛋白乙酰化和RNA聚合酶II進而調控許多基因轉錄的節律。目前的研究發現，在人類和小鼠中，50 - 80%的蛋白質編碼基因都受到了節律基因的調控。此外，節律基因還調控了一些影響細胞分裂的關鍵基因，節律基因紊亂就會導致細胞分裂失調，有可能引起腫瘤發生[9]。

2 近日節律在癌癥中的作用機制研究

流行病學研究表明，晝夜節律紊亂（如時差反應、輪班工作、睡眠中斷等）與癌癥風險增加有關[10-13]。此外，節律紊亂會影響癌癥的治療效果，并與癌癥早期死亡率相關[14,15]，但具體機制尚未研究清楚。現階段，研究者們主要從腫瘤細胞中的節律基因表達譜、近日節律與細胞分化及近日節律與新陳代謝關系這三個方面探究近日節律在腫瘤發生發展中可能的作用機制。

2.1 腫瘤細胞中節律基因表達譜變化

研究發現，在結腸直腸癌樣本中，癌細胞的節律基因表達異常，并且不再有明顯的節律振蕩[16]；而乳腺癌樣本中的節律性轉錄本數量則大大低于正常乳腺組織[17]，說明乳腺癌細胞中基因表達的節律遭到顯著破壞。此外，多種人類癌癥樣本的轉錄組數據的meta分析結果顯示，多種節律基因表達異常廣泛存在于各類癌癥樣本中[18-20]。可見，與正常組織相比，腫瘤細胞中的節律基因表達受到干預，生物鐘功能被破壞。研究者推測這些被破壞的生物鐘調節分子，很有可能也具有腫瘤抑制因子的功能[21,22]。更有意思的是，節律基因表達異常的程度似乎與各種癌癥的分期或侵襲程度密切相關，例如三陰性乳腺癌（一種具有高轉移率的侵襲性腫瘤）比其他乳腺癌具有更明顯的節律基因異常表達情況[23]。

既然腫瘤細胞中節律基因的表達譜發生改變，那么就有可能通過調控核心節律基因表達來抑制腫瘤。研究發現，過表達BMAL1可以減弱人類肝細胞癌、骨肉瘤、結腸直腸癌和卵巢癌中腫瘤細胞的生長[11-13,24]；而BMAL1沉默后則會降低人骨肉瘤和小鼠結腸癌細胞的凋亡，促進細胞增殖和腫瘤生長[25]。此外，關于節律基因PER家族的研究表明：在神經膠質瘤和胃癌中，PER1和PER2表達降低與生存周期縮短相關[26]；在結腸癌中，PER2低表達與結直腸癌的肝轉移相關，而PER2和PER3高表達則抑制腫瘤生長，促進腫瘤細胞凋亡，延長患者生存期[27]。因此，調控節律基因的表達會對腫瘤細胞的生長、轉移、凋亡產生一定的影響，但節律基因參與的具體生理過程及分子機制尚有待進一步研究。

2.2 近日節律與細胞分化有關

研究表明，在未分化的多能干細胞中，沒有明顯的近日節律振蕩，但隨著細胞分化，節律振蕩會逐漸出現[28]，說明近日節律與細胞分化存在某種聯系。而胚胎干細胞和腫瘤細胞具有相似性，可以推測近日節律與腫瘤細胞分化也可能存在就聯系。有研究者在進行細胞核重編程時發現，通過重編程因子OSKM（Oct3/4, Sox2, Klf4 and c-Myc）對體細胞進行體內重編程，會導致畸胎瘤和腎臟腫瘤的發生[29]。而重編程誘導的腎臟腫瘤卻并沒有與癌癥相關的基因突變[30]，這表明脫分化和表觀遺傳變化參與了癌變的過程。

另有研究表明，將OSKM/Per2Luc敲入小鼠體內進行重編程，并通過熒光素酶標記的Per2觀察節律結果顯示，在OSKM敲入前，未觀察到腎臟形態學、結構和Per2Luc節律的明顯異常；然而，OSKM敲入后，腎臟明顯變大，Per2Luc的節律性消失，并形成由未分化細胞組成的腎母細胞樣腫瘤。說明脫分化后，不僅可能會誘導腫瘤的發生，并且會破壞細胞原本的近日節律[31]。

另外，腫瘤細胞的侵襲性特征（如浸潤和轉移）往往與癌細胞的分化減少有關[23]。鑒于細胞分化在癌癥中的作用，研究者提出了分化治療的概念，即通過激素或細胞因子在體內促進癌細胞分化，從而不可逆地改變癌細胞的表型[32]。

2.3 近日節律與新陳代謝有關

生物鐘控制著機體的絕大多數代謝過程，包括糖酵解、脂肪生成、氨基酸代謝等。代謝組學或脂質組學的非靶向質譜鑒定結果顯示，30-60%的脂類、氨基酸、核苷酸、碳水化合物和輔助因子/輔酶都具有節律性[33,34]。肝臟中的生物鐘還通過晝夜節律轉錄抑制因子REV-ERBα和哺乳動物組蛋白去乙酰化酶sirtuin 6（SIRT6）來調控脂肪酸、膽固醇和膽汁的合成[35]。此外，在小鼠和人類胰島中，生物鐘通過調節與分泌機制有關的基因表達和胰島素釋放的信號因子，可以直接調節胰島素分泌的節律[36,37]。胰腺中clock條件敲除也會導致葡萄糖耐受不良和糖尿病[27]。此外，破壞小鼠的近日節律，會導致肝臟膽固醇和膽汁酸水平異常，誘發小鼠非酒精性脂肪性肝病, 最終導致肝癌[38]。

代謝節律破壞會誘發腫瘤，腫瘤又是否會改變體內代謝的節律呢？一項在肺腺癌中的研究表明，肺腺癌對肝臟代謝進行了遠端重編程，破壞了宿主原有的代謝晝夜節律，并引起脂質代謝及胰島素/葡萄糖代謝信號的改變[39]。三陰性乳腺癌小鼠模型中，在肝臟遠端觀察到晝夜節律基因表達的重編程，導致氧化應激增加[40]。腫瘤細胞對代謝節律進行重編程，可以獲得更多的能量支持新陳代謝并促進轉移。腫瘤的轉移過程需通過侵襲、循環腫瘤細胞、微觀定植、宏觀轉移四個步驟，通過代謝重編程可以使轉移更順利[5]。腫瘤對代謝的重編程靈活且異質，難以尋找固定的治療靶點，大大提高了治療的難度。而近日節律在腫瘤對代謝重編程的過程中有較高的參與性，有可能成為阻斷這一過程的關鍵。

3 近日節律在癌癥治療中的應用——時間療法

時間療法是指在晝夜節律的適當階段給藥，以達到最佳療效。早在1985年，Hrushesky等就已經在Science上發表了時間療法在癌癥治療中的應用成果，該研究在31名晚期卵巢癌患者8個月的療程中，通過比較阿霉素和順鉑這兩種抗癌藥物在不同時間給藥的療效，提出應根據晝夜節律選擇合適的給藥時間。但在當時，核心生物鐘的分子機制都尚未研究清楚，時間療法主要是建立在臨床經驗基礎上[41]。隨著科學家們對近日節律的研究逐漸深入，時間療法也在不斷完善和改進，力求以最小化的毒副作用達到最大化的抗腫瘤效果，提高生存率。

時間療法已被應用在哮喘、高血壓和心血管疾病的治療中，但其在癌癥治療中的應用目前有一定的爭議性：有研究表明時間療法對卵巢癌、膀胱癌、腎癌等的療效有明顯改善[42,43]，但也有研究認為“時間療法對整個研究人群沒有益處”，甚至與傳統治療組相比，接受時間療法的婦女死亡率增加了38%[44]。這一發現提示我們，定時給藥并非一定有益，對某些特定人群甚至有害。由于時間療法在癌癥治療中的經驗性應用一致性較差，對癌癥的治療不具有廣泛的益處，因此需要更多的機制研究來支持，才能協調特定藥物靶點、藥物代謝以及藥物毒性，以便更準確地用于癌癥的治療。

4 總結與展望

二十一世紀以來，近日節律在癌癥中作用的分子機制研究已有較大的進展，研究者們也嘗試利用生物鐘來指導癌癥的預防和治療。但近日節律和癌癥之間的關系仍然非常復雜，其中依然存在很多未能解釋的機制，時間療法的合理性也需要更多的理論和臨床依據，利用近日節律治療癌癥的潛力有待更多研究者發現。