Hedghog信号通路与肿瘤发生.doc

1Hedghog 信号通路与肿瘤发生【关键词】 Hedgehog Signaling Pathway Patched Smoothened Cubitus interruptus Gli0 引言Hh 是由英文“刺猬”(hedgehog)简写而来的这类基因最早是在果蝇里发现，果蝇和其他动物一样身体分成多个节段，幼虫的每个节段内一部分有毛、一部分无毛，Hh 基因突变使无毛部分变成有毛部分，所以被戏称为“刺猬”基因果蝇 Hh 基因是美国霍普金斯大学毕淇实验室在 90 年代初克隆的，在果蝇只有一个 Hh 基因，以后多个实验室在高等动物发现有三个 Hh 基因Hedgehog 通路不仅在胚胎正常发育中起着重要作用，通路的异常还可引发畸形和肿瘤本文就 Hedgehog 通路的构成、途径及在胚胎发育和肿瘤形成中的作用、肿瘤治疗的进展进行综述1 Hedgehog 通路的基本构成1.1 Hedgehog 蛋白家族果蝇只有一个 hedgehog 基因，脊椎动物有 3 种 hedgehog 基因，包括：Desert hedgehog(Dhh), Indian hedgehog(Ihh), Sonic hedgehog(SHh)。

Dhh 与果蝇的Hedgehog 基因的关系最近；Ihh 和 SHh 之间的关系较近Hedgehog 蛋白是一种分泌蛋白，必须经过自身的修饰才能获得活性 Hh 蛋白包含一个 N 端信号结构域，和一个 C 端催化结构域C 端催化结构域可以共价结合胆固醇，并使其结合到 N 端信号结构域，再将 N 端信号结构域一个半胱氨酸棕榈酰化，这个过程需要 Skinny hedgehog 酰基转移酶从鸡的 sonic hedgehog (SHh)蛋白出发,用 BLAST 法找到其在人、小鼠、大鼠等脊椎动物的同源蛋白共 16 个,组2成 Hedgehog 蛋白家族1.2 Patched(Ptch)蛋白Ptch 蛋白是细胞表面接受 Hh 信号蛋白的受体， 具有二种功能， 一是与 Hh 结合， 二是抑制 Smoothened(Smo) 在人类中 Patched 基因有两个同源基因， Ptch1、 Ptch2， 分别编码 Ptch1、 Ptch2 蛋白 Ptch2 细胞内的氨基和羧基端结构域与 Ptch1 不同， 包括在羧基端区域缺少 150 个氨基酸残基1.3 Smoothened（Smo）蛋白Smo 基因编码一个有 1024 个氨基酸组成的蛋白质，它的作用是 Hh 信号的转换器。

Smo 蛋白有 7 个疏水跨膜区，1 个细胞外氨基端区域和 1 个细胞内的羧基端区域Smo 蛋白具有一些与 G 结合蛋白受体的相似性，与蜿蜒蛋白的 Frizzled 家族有同源性当没有 Hh 蛋白时，Ptch 通过下游信号抑制 Smo当 Hh 蛋白结合到Ptch 时，Smo 可以上调下游基因表达[1]1.4 Patched 和 Smoothened 之间的关系关于 Patched 和 Smoothened(Smo)之间关系有四种解释: (1) Ptch 通过下游信号抑制 SmoHh 蛋白与 Ptch 结合通过构象改变减轻了对 Smo 的抑制，使之可以调整下游信号2) 假设是 Hh 通过引起 Ptch/Smo 复合体分裂来激活 Smo3) Ptch 通过一种可播散的媒介来抑制 Smo，Hh 结合到 Ptch 后改变了媒介的活性，使 Smo激活4) Ptch 通过一种小分子物质催化来抑制 Smo，Hh 结合 Ptch 后，Smo 与Ptch 和小分子物质分离从而被激活[2]1.5 Cubitus interruptus(Ci)和 Gli 蛋白，Costal 2(Cos2)蛋白，Fused(Fu)激酶，3Suppressor of Fused(Sufu)的复合体在果蝇中具有锌指结构的 Cubitus interruptus(Ci)基因是脊椎动物中 Gli 基因家族的同源基因，它们所编码的蛋白在 Hh 通路中起着关键作用。

Ci 是一种 155kDa 有 5 个锌指结构的蛋白质它有两种形式，一种是截去 75kDa的抑制剂，另一种是全长 155kDa 的催化剂结构上有 Sufu 结合区(SF)，锌指DNA 结合区(ZF)，核定位信号(NLS)，分裂点，核输出信号(NES)，磷酸化点(P)，Costal2(Cos2)结合区(CORD)，CREB 结合蛋白区(CBP)将 155kDa 的 Ci 水解成75kDa 的 Ci 需要将 Ci 磷酸化Gli 基因家族最初是在人类恶性胶质瘤中扩增 GLI1 时被确认的 GLI1、 GLI2、 GLI3 均有 5 个保守的锌指结构， 锌指间由组氨酸 半胱氨酸连接 在脊椎动物中三种不同的 Gli 蛋白代替了果蝇中的 Ci 蛋白， 这样可以在目标区域产生更为复杂的反应Ci 或 Gli 与 Costal 2(Cos2)蛋白，Fused(Fu)激酶，Suppressor of Fused(Sufu)蛋白在细胞内组成复合体当 Patch 失去对 Smo 的抑制作用后，Smo 为复合体提供磷酸，促使 Ci 或 Gli 转变成催化剂形式，进入细胞核启动下游基因转录相反如果 Smo受到抑制，Ci 或 Gli 的抑制剂形式将在细胞核中阻止基因的转录[3]。

1.6 目的基因Hedgehog 通路的目的基因在不同的物种中有所不同，果蝇的目的基因包括Ptch、Wingless(Wg)、Decapentaplegic(Dpp)这些基因相当于脊椎动物的Ptch、Wnt 家族和 TGFβ 超级家族的骨发生蛋白（Bone Morphogenetic Proteins,BMPs）；他们是正常胚胎发育和分化的基础 2 Hedgehog 通路的调控4Hedgehog 蛋白是整个通路的启动因子，Patched(Ptch)是 Hedgehog 的受体，可和Hedgehog 结合Smoothened(Smo)是信号转导子当没有 Hedgehog 时，Ptch 抑制Smo这种抑制最终使一种转录因子成为转录抑制子该转录因子在果蝇中称为Cubitus interruptus(Ci), 在脊椎动物中称为 Gli，抑制目的基因的表达Gli 一共有三型，每一种都有独特的转录功能当 Hedgehog 和 Ptch 结合时，则 Smo 抑制解除，Ci/Gli 进入胞核，作为同一基因的转录激活因子发挥作用，激活目的基因的表达，见图 1对脊椎动物的研究表明, SHh 通路对细胞命运的决定是通过调节多种Gli 基因表达的组合完成的。

图 1 Hedgehog 通路示意图3 Hedgehog 通路在胚胎发育中的作用Hedgehog 信号通路在胚胎早期发育中发挥重要作用目前 SHh 的功能研究的最清楚，在发育中起许多关键作用，包括神经系统中线形成、眼睛发育、小脑细胞分裂IHh 和 DHh 研究的较少IHh 调节软骨等组织的发育；DHh 功能为调控精细胞发育SHh 信号在脊索的维持、基板(floorplate)和运动神经元的诱导、轴骨的诱导以及远侧肢的发育都是必需的因为 SHh 从前索中胚层分泌，通常抑制眼原基中心眼的形成，因此当该信号有缺失时，就会导致单眼症SHh 在人类发育中的重要性是在 SHh 突变导致前脑无裂畸形（holoprosencephaly）的发现中表现出来前脑无裂畸形是一种发育缺陷性疾病，对5面部和神经系统的中线产生影响表现为耳低位，双侧唇裂及腭裂、单中央门齿、缺陷性中央神经系统分隔,小头、眼异常、眼间距缩短、智力发育迟缓、耳聋、惊厥及室间隔缺损，一些严重的病例甚至有单眼症类似和一些其他表型在 SHh 遭到破坏的小鼠上也观察到了，老鼠的目的基因被打断后导致独眼畸形和腹侧神经管细胞缺失SHh 突变是隐性的，呈现很多种类型。

与老鼠相比，人类的 SHh 突变是杂合型，前脑无裂畸形的表现形式更多表 1 已知的有关人类部分肿瘤与hedgehog 通路中突变的关系4 Hedgehog 与肿瘤发生的关系Hh 通路中某一部分发生突变，可能引起致命的后果或发生癌变已知的有关人类部分肿瘤与 hedgehog 通路中突变的关系， 见表 1Hh 通路中的突变在一些肿瘤中被确认， 但突变与肿瘤发生的具体关系仍不清楚，令人感兴趣的是某些肿瘤的生长可以特异的被通路阻断剂所抑制，这个发现给肿瘤的基础研究和临床应用带来了新的希望人类 PTCH 是一种肿瘤抑制基因，定位在 9q22.3，Ptch 突变在痣样基底细胞癌综合征、单发基底细胞癌、髓母细胞瘤、脑膜瘤、神经外胚瘤，乳腺癌、食管癌、鳞状细胞癌和毛发上皮瘤等病例中均被发现[4]现在报道最多的是基底细胞癌与Hedgehog 通路的关系，PTCH1 基因突变导致 HH 通路靶基因表达及突变与基底细胞癌的关系已十分清楚[5]大部分突变导致蛋白断裂四种罕见的 Ptch 错义突变导致前脑无裂畸形，有两种影响细胞外环，SHh 结合位点；另外两种影响细胞内环，可能影响 Ptch-Smo 的相互作用。

PTCH1 失功能突变在人类的基底细胞瘤中6激活 Sonic hedgehog 通路转染失活 Ptch1 基因小鼠的肿瘤自然发生率升高，且对辐射极其敏感[6]目前研究较多的髓母细胞瘤，是一种高发于儿童的恶性肿瘤，研究表明功能性Ptch 等位基因的沉默是通路激活和肿瘤发生的关键突变 Ptch 蛋白对 Smo 失去正常的抑制作用，导致 Hh 通路非正常的激活在多例髓母细胞瘤标本和细胞系中均发现突变的 Ptch 基因一种植物源性的 Hh 通路阻滞剂环杷明（cyclopamine），能够阻断 Smo 的活性，从而阻断通路的激活，在细胞实验和动物活体实验中均能抑制髓母细胞瘤的生长,且未观察到对其它细胞生长和实验动物的不良影响[7]Gli 作为 Hh 通路的下游因子，也影响着肿瘤的发生，封闭 Gli 基因后，肿瘤的生长受到明显抑制[8]以上研究说明髓母细胞瘤的发生确与 Hh 通路有关，Hh 通路的各个结点均有望成为肿瘤治疗的突破点Sonic Hedgehog 蛋白在胰腺癌及胰腺上皮瘤样病变中异常表达，在胰腺癌细胞系和原代培养中异常表达在活体和细胞实验中，通过 cyclopamine 或其它方式阻断 Hh 通路均能诱导凋亡和阻断肿瘤细胞分裂[9]。

Human Hedgehog interacting protein (HHIP)是 Hh 通路的负调控因子，已被证明它的启动子在 13/17 (80%)的胰腺癌细胞系中，35/75 (46%)的原发胰腺癌中，14/18 (78%)胰腺癌转移物中被甲基化，从而导致 HHIP 表达过低，而正常胰腺组织没有这种现象[10]遗传分析证明 HH 通路在乳腺形成中起重要作用，破坏 PTCH1 使乳腺管异常生长Kubo 等[11]用免疫组织化学方法测定了 52 名乳腺癌患者的 Sonic Hh、PATCH1 and GLI1 等成分所有肿瘤组织的浓度的 GLI1 都较其周围正常组织高GLI1 的核染色率与其雌激素受体的表达和组织分型有关Cyclopamine 可7以抑制 GLI1 的表达和依赖 HH 通路激活的乳腺癌细胞的生长[11]Hedgehog 通路的激活发生在多数前列腺癌患者中Sheng 等检测了 27 例前列腺癌标本，发现 11/27 的 PTCH1 阳性的肿瘤中检测不到 Sufu，其中有 2 例有 Sufu的失功能突变另外在大多数（24/27）PTCH1 阳性的肿瘤中检测到 Sonic Hedgehog 蛋白的表达。

高水平的 HH 通路靶基因表达也在四种前列腺癌细胞系（TSU、 DU145、 LN Cap and PC3）中发现他们证明通过 Smo 抑制剂cyclopamine 抑制 HH 通路，下调了细胞的侵袭力，也可以诱导凋亡癌细胞在CMV 启动子引导下可以抵抗 cyclopamine 介导的凋亡[12。