Hedgehog信號通路與結直腸癌關系的研究進展

謝琳，劉晨

(哈爾濱醫科大學附屬第二醫院消化內科，哈爾濱 150001)

結直腸癌是胃腸道常見的惡性腫瘤，2015年其發病率居全國惡性腫瘤的第3位，居東部地區第2位，同時也是常見的惡性腫瘤死亡原因之一[1]。目前結直腸癌的發生機制尚未明確，有研究表明某些信號通路(如Hedgehog信號通路)的異常表達可能與結直腸癌的發生發展相關[2]。Hedgehog信號通路在結直腸癌中主要通過Shh(Sonic Hedgehog)-Ptch(Patched)-膠質瘤相關癌基因同源物(glioma-associated oncogene homolog，Gli)經典途徑發揮作用，其中配體Shh過表達或Hedgehog信號通路中其他基因突變導致Hedgehog信號通路的異常激活可能是結直腸癌發生的關鍵因素。同時，Hedgehog信號通路也可影響結直腸腫瘤的侵襲能力甚至導致腫瘤轉移。目前結直腸癌治療仍以手術為主，近年關于Hedgehog信號通路抑制劑的研究也取得了一定進展，因此深入研究Hedgehog信號通路對于結直腸癌的預防、治療以及預后評估具有重要臨床意義。現就Hedgehog信號通路及其在結直腸癌中的作用方式、治療進展等予以綜述。

1 Hedgehog信號通路

1.1Hedgehog信號通路的組成 Hedgehog信號通路主要由配體、受體和轉錄因子三部分構成。不同于果蠅只有單一的Hedgehog配體，哺乳動物體內Hedgehog配體已進化為3種同源物，分別為Shh、Indian Hedgehog、Desert Hedgehog[3]；受體Ptch是配體Shh的主要結合位點，其又分為Ptch1和Ptch2；跨膜蛋白Smo(Smoothened)也是該通路的重要組成部分；在Hedgehog配體缺失的前提下Smo與Ptch結合，同時Smo的活性被Ptch抑制；作為該通路中的轉錄因子，Gli家族在Hedgehog信號通路中主要有Gli1、Gli2和Gli3三種類型，其中Gli1主要起激活下游基因轉錄的作用，而Gli2和Gli3既可以激活又可以抑制下游基因的轉錄，但Gli2主要起激活作用，Gli3則主要起抑制作用。

1.2Hedgehog信號通路的作用機制 正常組織中Hedgehog信號通路通常呈無活性或低活性狀態，此時Ptch與Smo結合，使Smo的活性受到抑制，從而進一步抑制該通路下游基因轉錄，見圖1。

注：Ptch為Patched，PKA為蛋白激酶A，GSK-3為糖原合成酶激酶-3，CK1為酪蛋白激酶1，P為磷酸基團，Smo為Smoothened，Gli為膠質瘤相關癌基因同源物，SuFu為絲氨酸/蘇氨酸的抑制物，Inactivator form為抑制形式

當Hedgehog配體高表達時，其與Ptch結合可激活Hedghehog信號通路，Hedgehog-Ptch復合物進入細胞并在溶酶體中降解，從而減輕Ptch對Smo的抑制作用，同時Smo被蛋白激酶A、糖原合成酶激酶-3等磷酸化從而轉移至纖毛。正常情況下，絲氨酸/蘇氨酸激酶的抑制物SuFu與Gli結合，阻止Gli進入細胞核或直接進入細胞核內抑制其轉錄。Smo的激活促使SuFu-Gli復合物的解離[4]并激活Gli，同時Gli進入細胞核內促進靶基因的進一步轉錄。上述通過Hedgehog配體調節Gli轉錄因子家族的途徑即為經典Hedgehog信號通路，見圖2。有研究表明，哺乳動物的Hedgehog信號通路可能依賴于初級纖毛并調節信號通路的細胞器[5]。

注：Hh為Hedgehog，Ptch為Patched，Smo為Smoothened，P為磷酸基團，Gli為膠質瘤相關癌基因同源物，SuFu為絲氨酸/蘇氨酸的抑制物，PKA為蛋白激酶A，GSK-3為糖原合成酶激酶-3，Activator form為激活形式

1.3Hedgehog信號通路在胚胎及生長發育期的作用 Hedgehog信號通路在哺乳動物的胚胎及生長發育期均發揮重要作用，在胚胎發育過程中負責調控細胞增殖、分化以及維持組織極性等，在成人體內負責維持干細胞更新、組織穩定、器官穩態等[6]。Hedgehog信號通路可以通過自分泌或旁分泌方式進行傳導，目前已發現其在胚胎發育期的中樞神經系統、肺、胃腸道、毛囊甚至牙齒中均有表達[7]，該通路可能也涉及神經管、皮膚、中軸骨骼、胃腸道、胰腺和其他器官的發育[6]。Hedgehog信號通路還參與T細胞的分化發育、脂肪炎癥反應、胃腸道炎癥反應、神經系統調節及睪丸形成等[8]。

2 Hedgehog信號通路與結直腸癌

2.1Hedgehog信號通路在結直腸癌中的表達 隨著研究的深入發現，Hedgehog信號通路在多種實體瘤中均有不同程度的表達，如髓母細胞瘤、胃癌、胰腺癌、肺癌和基底細胞癌等。目前Hedgehog信號通路在結直腸癌中的具體作用機制尚不明確，但多項研究發現，Hedgehog信號通路可能通過Shh-Gli1途徑參與結直腸癌的發生，Douard等[9]發現配體Shh及其下游的靶基因(Gli和叉頭框蛋白M1)在人類結直腸癌組織中呈高表達；同時Zhang等[10]利用體內結合在體實驗證實，Hedgehog信號通路下游靶基因叉頭框蛋白M1過表達可促進結直腸癌的發生；Wang等[11]發現Gli通過與叉頭框蛋白M1的啟動子直接結合，進而啟動叉頭框蛋白M1轉錄，從而使其高表達并促進結直腸癌細胞增殖。Ding等[12-13]對收集的96例結直腸癌患者的組織標本進行免疫組織化學染色，發現Gli1和Smo在結直腸癌細胞中均有表達。上述研究提示，Hedgehog信號通路的激活以及下游基因的轉錄在結直腸癌的發病機制中可能起核心作用，且該信號通路的持續激活可能對結直腸癌的發生具有重要作用。Hedgehog配體在哺乳動物體內有3種類型，而不同類型的Hedgehog配體在結直腸癌中可能發揮不同作用，Fu等[14]研究顯示低甲基化的Shh可能激活結直腸癌中依賴配體Shh的Hedgehog信號通路，相反，由于高甲基化導致的Indian Hedgehog表達下調則可能是結直腸癌發生的早期事件。

雖然大多數研究認為Hedgehog信號通路在結直腸癌中主要通過Shh-Gli1途徑起作用，但Shh表達上調并不是加強Gli1表達的唯一途徑，在結直腸癌中可能存在其他激活Hedgehog信號通路的途徑。Peng等[15]關于結直腸腫瘤細胞表觀遺傳學的研究發現，Ptch1啟動子區域的異常甲基化可能與結直腸癌早期發生密切相關。Lai等[16]發現含有11個鋅指的轉錄因子CCCTC結合因子可能通過轉錄抑制抑癌基因p53從而在結直腸癌中激活Hedgehog信號通路。而Hedgehog信號通路的負調節因子SuFu的抑制蛋白SNEP1(SuFu negating protein 1)也被發現可以通過促進SuFu的降解來激活Hedgehog信號通路從而促進大腸癌細胞的增殖，SNEP1是Gli轉錄因子的下游靶點，Gli2在轉錄水平上可直接誘導SNEP1表達，且在Hedgehog信號通路激活的情況下SNEP1對SuFu的降解活性也進一步增加，因此在結直腸癌中SNEP1與Hedgehog信號通路之間存在正反饋效應[17]。

同時腫瘤微環境對腫瘤的發生發展也有一定影響，腫瘤微環境發生改變可能會通過Hedgehog信號通路進一步改變結直腸癌細胞的活性。Park等[18]實驗結果表明在缺氧條件下，Gli1的活性增加可進一步激活大腸癌中的Hedgehog信號通路，缺氧時間達8 h時Hedgehog通路中的蛋白表達水平達到峰值，且高表達Gli1的HCT116結直腸癌細胞的存活率顯著高于其他結直腸癌細胞，高表達Gli1的DLD-1結直腸癌細胞的活性和增殖能力高于其他結直腸癌細胞。而Tang等[19]發現缺氧環境與腫瘤相關成纖維細胞協同誘導轉錄因子Gli2的表達且依賴轉錄因子Gli2，從而增加結直腸癌細胞對化療藥物的耐藥性。

2.2Hedgehog信號通路影響結直腸癌的進展 結直腸癌的發生可能經歷了由結直腸腺瘤-腺癌的轉變，Hedgehog信號通路在這一轉變過程中可能起一定作用，但具體的作用方式仍未明確。Qualtrough等[20]研究發現，Hedgehog信號通路的受體Ptch及其通路下游的Smo蛋白和轉錄因子Gli在良性結直腸腺瘤細胞株和結直腸癌細胞株中均有表達。但其表達水平可能不同，Fu等[14]研究發現Shh和Gli在大腸癌中的表達水平明顯高于增生性息肉和大腸腺瘤，且與增生性息肉相比，結直腸腺瘤和大腸癌中Indian Hedgehog的表達水平明顯降低。Yoshikawa等[2]發現，與結直腸腺瘤相比，結直腸癌Hedgehog信號通路中的Ptch和Smo表達水平更高，而與高分化結直腸癌相比，中分化結直腸癌中上述兩種受體表達水平更高。Xu等[21]發現Peutz-Jeghers綜合征中存在異常激活的Hedgehog信號通路，同時檢測到在正常黏膜-結直腸腺瘤-結直腸癌的變化過程中Shh的表達有逐漸升高的趨勢。Hedgehog信號通路在結直腸腺瘤-腺癌進展過程中的直接及間接作用對結直腸癌的預防有重要指導意義，早期篩查以及治療可能會降低結直腸癌的發生率和病死率。

2.3Hedgehog信號通路影響結直腸癌的轉移及預后評估 結直腸癌主要通過淋巴、血液轉移或直接蔓延播散至其他組織和器官，而肝轉移是結直腸癌的主要死亡原因。Yoshikawa等[2]發現Shh的表達與肝轉移具有相關性。也有研究提出Hedgehog信號通路在維持結直腸癌細胞惡性狀態中可能起重要作用，如Lai等[16]研究發現，在CCCTC結合因子高表達的結直腸癌細胞中Shh、Gli1、Ptch同樣高表達，而Shh、Gli1、Ptch的高表達也增強了結直腸癌細胞的惡性行為。Yang等[22]研究提出，Gli1在結直腸癌中的表達與遠處轉移和臨床分期有關。Al Ghamdi等[23]發現，配體Shh在原發大腸癌和淋巴結轉移癌中高表達，且根據分化程度不同其表達位置也不同，高分化癌主要在腫瘤細胞的刷狀邊緣表達配體Shh，中分化癌主要是腺體結構受累，而低分化癌主要在胞質表達。與非轉移的結直腸癌相比，晚期和轉移性結直腸癌中Gli蛋白表達水平升高，且更依賴Hedgehog信號通路的活性，提示可以通過干擾Hedgehog-Gli途徑來治療晚期和轉移性結直腸癌[24]。另一方面，You等[25]研究發現，Ptch1的表達與大腸癌的轉移能力呈負相關，提示Ptch1可能預測大腸癌轉移風險，同時還發現Ptch1在大腸癌轉移中的作用可能不依賴Shh。

Hedgehog信號通路可能成為結直腸癌患者的預后評估指標。Ding等[12-13]發現，Smo和Gli在結直腸癌中的高表達與淋巴結轉移、T分期和術后無肝轉移患者的生存期相關，提示Smo和Gli可能作為結直腸癌無肝轉移患者術后生存不良的預后指標，并為結直腸癌肝轉移的機制研究提供新的證據。Magistri等[26]通過比較382例結直腸癌患者的基因表達芯片，并評估Gli1和Gli2 信使RNA的表達與結直腸癌復發的關系，發現Gli1高表達的結直腸癌患者存活率顯著降低。Yan等[17]發現SuFu的抑制蛋白SNEP1在結直腸癌中高表達往往預示著不良預后，患者總生存率以及無病生存率均有所下降。

3 Hedgehog信號通路與其他通路在結直腸癌中的聯系

結直腸癌的發病機制較為復雜，多種信號通路可能與結直腸癌的發生相關，如Wnt信號通路[27]、Hedgehog信號通路，且多種信號通路可能存在關聯。Varnat等[28]研究發現，在Wnt通路高表達的腫瘤中Hedgehog信號通路可能發揮作用。Song等[29]發現，在結直腸癌中Wnt/β聯蛋白信號通路和Hedgehog/Gli1信號通路并不是單獨存在。Wnt信號通路的經典作用途徑是由于配體Wnt的過表達抑制了糖原合成酶激酶-3，從而促進β聯蛋白釋放進入細胞核，并與T細胞轉錄因子形成復合物促進靶基因的表達。而Wnt/β聯蛋白途徑和Hedgehog-Gli途徑均受糖原合成酶激酶-3及SuFu等分子調控，其中糖原合成酶激酶-3和酪蛋白激酶1均可負性調節β聯蛋白和Gli1[29]，糖原合成酶激酶-3和酪蛋白激酶1通過磷酸化Gli3并被β-轉導蛋白重復序列蛋白識別，從而導致其C肽端的降解以抑制Gli1的活性[30]。有研究表明，抑制Smo蛋白的活性可降低β聯蛋白的表達，并誘導其出現核排斥，且該作用不依賴于Gli[31]。Meng等[32]發現，抑制因子SuFu可與β聯蛋白形成復合物，且SuFu可以通過降低核內β聯蛋白的水平來抑制T細胞轉錄因子依賴型的轉錄。同時SuFu也是Hedgehog信號通路中重要的負性調節因子，由此可知SuFu對Hedgehog信號通路及Wnt信號通路均可發揮抑制作用。除Wnt通路外，有研究發現Gli在Ras/Raf通路誘導的結直腸癌中同樣起重要作用，在結直腸癌細胞中Hedgehog-Gli通路與促分裂原活化的蛋白激酶通路之間可能存在串擾[33-34]。Hedgehog信號通路與其他通路之間的串擾可能影響結直腸癌的轉移行為，Varnat等[24]發現非轉移的結直腸癌細胞具有較高的Wnt/T細胞轉錄因子信號，而轉移性結直腸癌細胞中則顯示Wnt/T細胞轉錄因子被抑制。另有研究發現，Gli抑制劑GANT61和核因子κB抑制劑QZN聯合應用對結直腸癌細胞的抑制作用明顯高于抑制劑單獨應用，這也成為一種新的治療策略[22]。

4 Hedgehog通路在結直腸癌治療中的應用

雖然Hedgehog信號通路在結直腸癌中的作用尚不明確，但目前關于Hedgehog通路的抑制劑在結直腸癌治療中的應用已在細胞、動物甚至臨床中開展了實驗[35]。Magistri等[36]實驗發現Hedgehog通路抑制劑可抑制結直腸癌細胞的活性和增殖能力。由于Gli相關Hedgehog通路的激活可以促進大腸癌中淋巴管生成蛋白血管內皮生長因子C和血管內皮生長因子受體3的表達，提示可以應用Hedgehog通路抑制劑減少淋巴管的生成，從而進一步抑制大腸癌的轉移[37]。環巴多胺是第一個被發現有Hedgehog信號通路抑制作用的天然植物生物堿，其通過與Smo結合并使Smo失活來抑制Hedgehog信號通路的活性，但環巴多胺的親和力低，藥動學不佳，口服生物利用度差，因此誕生了其他更為有效的衍生物，如SANT-1、GDC-0449(Vismodegib)等[35]。其中GDC-0449(Vismodegib)和Sonidegib已被批準用于基底細胞癌的治療，Wu等[38]實驗證實GDC-0449(Vismodegib)可以抑制結直腸癌細胞的復制并誘導其凋亡，Glasdegib也被批準用于急性髓系白血病的治療。同時在臨床研究中，Gli-DNA相互作用抑制劑(glabrescione B、GANT61)、Gli2失穩定劑(arsenic trioxide、pirfenidone)和Gli去乙酰化抑制劑(4SC-202)也被證明可阻斷Gli依賴的轉錄和腫瘤的發生[39]。除上述Hedgehog信號通路的抑制劑，傳統中藥也逐漸用于結直腸癌的治療，由白花蛇舌草、麥芽、黃芪、半枝蓮等中草藥組成的清解扶正顆粒可通過抑制Hedgehog信號通路來抑制結直腸癌細胞的增殖，促進腫瘤細胞凋亡，同時減少不良反應的發生[40]。

由于Hedgehog信號通路中的分子激活均遵循復雜的級聯分支模式，針對信號轉導通路中的單個蛋白質(如Hedgehog配體、跨膜蛋白Smo)進行抑制可能并不會有效阻止結直腸癌的發生，并且大多數研究主要集中于開發僅能抑制配體依賴型激活Gli的藥物，而對于通過其他途徑激活Gli的結直腸癌抑制配體依賴型激活Gli的藥物療效可能并不顯著，這也體現了通過組合藥物靶點來切斷Hedgehog信號從而治療腫瘤的重要性[41]。

5 小 結

目前研究發現結直腸癌的發生發展與多種因素相關，包括Hedgehog信號通路。在疾病進展方面，Hedgehog信號通路可在一定程度上促進結直腸腺瘤向結直腸癌的轉化，影響結直腸腫瘤細胞的侵襲能力，并參與結直腸癌的轉移。此外，Hedgehog信號通路在結直腸癌的發生發展中可能與其他通路存在串擾，提示除單一的以靶向Hedgehog信號通路治療結直腸癌外，可以將聯合靶向通路間的串擾點作為結直腸癌治療的新方向。未來可深入探究SuFu在結直腸癌發生發展中的作用機制，并研究與之對應的抑制劑或激活劑進行靶向治療；同時應用傳統的中藥制劑來抑制結直腸癌中的Hedgehog信號通路也是研究的新方向。