Hedgehog信号通路在Barrett食管发病机制中的研究进展*

侯一超 胡 强 熊 华

上海交通大学医学院附属仁济医院消化内科 上海市消化疾病研究所(200001)

·综 述·

Hedgehog信号通路在Barrett食管发病机制中的研究进展*

侯一超 胡 强 熊 华#

上海交通大学医学院附属仁济医院消化内科 上海市消化疾病研究所(200001)

Hedgehog(Hh)信号通路在脊椎动物体内具有高度进化保守性，其过度活化可引起细胞分化异常、过度增殖、抗凋亡以及促进肿瘤细胞侵袭和转移。Hh通路参与维持正常早期胚胎食管柱状上皮的形成，而在成体食管鳞状上皮中不表达或微弱表达。有研究证实胃酸和胆汁酸盐可激活食管上皮Hh通路。异常激活的Hh通路可引起正常食管鳞状上皮逐步转化为柱状上皮和肠上皮，并最终诱导Barrett食管(BE)形成。因此，靶向作用于Hh通路的抑制剂有望成为治疗BE的新策略。本文就Hh信号通路在BE发病机制中的研究进展作一综述。

Hedgehog信号通路； Barrett食管； 信号转导； 化生； 治疗

Barrett食管(BE)的病理机制为食管远端鳞状上皮被化生的柱状上皮取代[1-2]。2011年美国胃肠病学会将BE定义为柱状上皮化生伴可检测的杯状细胞，不伴有杯状细胞的食管柱状上皮化生仅称为柱状上皮食管[3]。BE是食管腺癌(EAC)的癌前病变，流行病学研究[4]表明BE有较高的转化为EAC的风险。其中，食管柱状上皮化生伴杯状细胞更易向EAC转化[5]。尽管诸多学者提出胃食管反流是BE发病的主要病因，但BE确切的发病机制尚未完全明确。近来研究发现Hedgehog(Hh)信号通路与BE发生、发展密切相关。异常激活的Hh通路可引起正常食管鳞状上皮逐步转化为柱状上皮和肠上皮，并最终诱导BE形成。因此，靶向作用于Hh通路的抑制剂有望成为治疗BE的新策略。本文就Hh信号通路在BE发病机制中的研究进展作一综述。

一、经典Hh信号通路概述

Hh信号通路在脊椎动物体内具有高度进化保守性，其过度活化可引起细胞分化异常、过度增殖、抗凋亡以及促进肿瘤细胞侵袭和转移。Hh信号通路由4部分组成，即配体、膜蛋白受体复合物、核心转录因子以及下游靶基因。Hh基因最早在果蝇体内作为体节极性基因被发现，其功能突变可使果蝇幼虫体节平坦部分变为钉刺样突起，形似刺猬。正常果蝇体内仅有一个Hh基因，而脊椎动物体内存在3种Hh同源基因：Sonic Hedgehog (Shh)、Indian Hedgehog(Ihh)、Desert Hedgehog(Dhh)，其中Dhh接近果蝇体内的染色体组类型，而Ihh、Shh接近人染色体组类型。Hh通路的效应细胞膜上存在两种受体：Patched(Ptch)和Smoothened(Smo)。Ptch由抑癌基因Ptch编码，能与配体直接结合，对Hh通路起负调控作用。脊椎动物体内Ptch存在两种形式，分别为Ptch1和Ptch2。原癌基因Smo是经典Hh通路的关键基因，其功能受Ptch调控。神经胶质瘤相关癌基因(glioma-associated oncogene, Gli)是Hh信号通路的转录因子，该家族包括Gli1、Gli2、Gli3。Gli1异常激活与神经胶质瘤形成有关，因而首先被命名。Gli1主要起激活作用，Gli2和Gli3在不同疾病模型中起激活或抑制作用。

Hh信号以级联活化的形式进行转导，初级纤毛为信号转导载体。在脊椎动物中，Ptch、Smo以及Gli1、Gli2、Gli3均位于初级纤毛上。Hh配体不存在时，位于初级纤毛表面的Ptch可抑制Smo蛋白，阻止其进入初级纤毛，之后Sufu (suppressor of fused)蛋白促使Gli蛋白磷酸化，并与其结合形成Sufu-Gli蛋白复合物。Gli2和Gli3在蛋白酶体的水解作用下处于无活性的GliR抑制体形式，Hh通路失去转录活性。Hh配体存在时，其与Ptch结合，促使Ptch从初级纤毛内移出，并解除Ptch对Smo的抑制，诱导Smo蛋白羧基末端多个Ser/Thr残基发生磷酸化。随后，被激活的Smo蛋白使Sufu-Gli蛋白复合物降解，继而Gli2、Gli3去磷酸化，形成具有生物活性的GliA活化体形式，GliA与Gli1结合形成全长转录因子，进入核内促进Ptch1、Gli1表达(图1)。Hh信号通路可通过调控多种基因的表达，维持胚胎发育、损伤修复、细胞周期调控、血管生成等生物学功能。

A: Hh配体不存在时，Sufu与Gli形成Sufu-Gli蛋白复合物，促使Gli转化成抑制体形式GliR，Hh通路失去转录活性；B: Hh配体存在时，Ptch与Hh配体结合，促使Smo蛋白发生磷酸化。随后Sufu-Gli蛋白复合物降解并诱导Gli形成活化形式GliA，从而发挥转录活性

图1 Hh信号通路级联途径

Hh信号通路参与人类胚胎时期多种器官发育，在发育完全和正常成熟组织中无表达或轻度表达。近来研究[6-9]发现，Hh信号通路在胃癌、食管癌、胰腺癌、前列腺癌等多种上皮转化疾病中高表达，促使其在人类疾病发生机制中的研究不断深入。

二、Hh信号通路参与BE的发生、发展

1. Hh诱导食管鳞状上皮向柱状上皮转化：Hh是胚胎发育中重要的内胚层信号分子，对内胚层分化而来的胚胎食管组织的发育发挥至关重要的生理调节功能。Hh通路参与维持正常早期胚胎食管柱状上皮的形成，而在成体食管鳞状上皮中不表达或微弱表达[10]。研究[11]证实胃酸和胆汁酸盐可激活食管上皮Hh通路，使Shh蛋白表达明显升高。活化的Hh通路可使食管间质高表达骨形成蛋白4(bone morphogenetic protein 4,BMP4)和Ptch1，继而通过上皮-间质转化作用促进上皮细胞中SOX9蛋白表达，从而诱导食管鳞状上皮发生柱状上皮化生[11-12]。

细胞角蛋白(cytokeratins, CKs)是上皮细胞特异性标记物，存在多种亚型。其中CK1～6、CK9～17主要在食管鳞状上皮中表达，而CK7、8、18～20则在食管柱状上皮中表达。Hh信号通路在食管上皮中异常激活时会诱导柱状上皮标记物CK8、18以及SOX9表达升高[13]，而在原代角化细胞中，激活下游靶基因BMP4则会引起CK5、10、13表达下降[14]。食管发生柱状上皮化生时，鳞状上皮标记物p63、SOX2、periplakin(PPL)、cornulin(CRNN)表达降低，其中PPL、CRNN与BMP4表达呈负相关[14-15]。研究[16]表明，人鳞状上皮细胞转染BMP4基因后，CK8、18、SOX9表达明显上调；成纤维细胞转染SOX9基因后，CK8、18表达升高。SOX9参与小鼠胚胎食管柱状上皮形成，其在正常成体食管上皮中不表达，异常激活时可诱导食管柱状上皮形成，可测及柱状上皮标记物CK7、8、20表达升高。

上述研究提示Hh信号通路在胚胎食管发育与成体食管柱状上皮化生中发挥不同功能。Shh在胚胎食管发育中表达活跃，主要维持前肠正常发育，抑制其表达或表达活性降低会引起食管发育畸形，如食管闭锁[17]。

2. Hh诱导食管柱状上皮向肠上皮转化：食管上皮中Hh通路持续激活可促使食管柱状上皮向肠上皮转化。尾侧型同源盒转录因子2 (caudal type homeobox transcription factor 2, CDX2)和黏蛋白2(mucin 2, MUC2)是肠上皮化生的标记物。其中，CDX2参与肠上皮细胞早期分化和稳态维持，并可诱导MUC2、碱性磷酸酶和麦芽糖酶表达。Wang等[18]的研究发现，翼螺旋转录因子2(forkhead/winged helix transcription factor 2, FOXA2)在BE上皮化生组织中高表达，而在正常食管上皮和食管鳞癌组织中低表达。Hh通路关键基因Gli1表达沉默可使食管鳞状上皮细胞中FOXA2蛋白表达明显降低，而FOXA2可通过作用于前梯度蛋白2(anterior gradient protein 2, AGR2)上调MUC2表达。Watts等[19]的研究发现，FOXA不依赖于SOX9进行信号转导，提示FOXA的表达直接受Hh信号通路调控。研究[14,20]表明，CDX2无法单独诱导BE形成，需与BMP4形成转录因子复合物，进一步与MUC2启动子序列结合，从而启动转录，使原代角化细胞出现分泌样空泡、微绒毛样结构，最终形成类似肠上皮样结构。

将正常小鼠体内SOX9基因敲除后会导致其肠上皮Paneth细胞、杯状细胞缺失[21]。Clemons等[16]的研究显示，SOX9可使人类食管鳞状细胞向肠上皮分化，并诱导肠上皮特定分化标记物A33表达。进一步研究显示SOX9是BMP4调控BE形成的下游靶基因，Hh信号通路通过旁分泌诱导SOX9表达。上述研究提示SOX9对维持正常肠上皮形成具有重要作用，而在食管上皮中的异常表达可诱导柱状上皮形成，使食管柱状上皮向肠上皮化生。此外，Takito等[22]的研究发现，SOX9可诱导细胞外基质蛋白hensin表达升高，后者可诱导肾闰细胞表达绒毛蛋白，促使其形成微绒毛样结构。

综上所述，胃酸、胆汁酸等反流物首先启动食管组织中Hh信号通路，随即通过旁分泌或上皮-间质转化作用分别诱导BMP4、SOX9表达，亦可直接激活下游靶基因FOXA表达。随后AGR2、CDX2被激活，鳞状上皮相关标记物CK10、13等表达逐渐降低。继而通过诱导柱状上皮标记物CK8、18以及肠上皮化生标记物MUC2、A33表达，从而使食管鳞状上皮向柱状上皮转化，并最终诱导食管肠上皮化生，形成BE。Krishnadath等[23]亦指出Hh信号通路参与了正常食管-食管炎-胃食管反流病-BE的演变过程。

三、Hh信号通路抑制剂潜在的临床应用价值

目前，针对Hh信号通路相关基因(如Smo、Gli)的药物已被陆续研发并处于基础研究中。Smo抑制剂环巴胺是第一个被发现的Hh信号通路特异性阻断剂，其能显著抑制依赖于Hh通路的肿瘤细胞增长，如前列腺癌、乳腺癌、肺癌等。环巴胺具有多种衍生物，如IPI-926、Mu-SSKYQ-环巴胺、KAAD-环巴胺等，其中KAAD-环巴胺是目前认为最强效的Hh信号通路抑制剂[24]。除环巴胺外，亦有多种Hh信号通路抑制剂在诸多疾病模型中得到广泛研究。Schulze等[25]的研究显示，Smo抑制剂vismodegib(GDC-0449)联合放疗对转移性基底细胞癌有明显改善作用。Gu等[26]的研究表明，Smo抑制剂BMS-833923联合放射治疗可有效抑制胰腺癌淋巴结转移。此外，Olive等[27]对胰腺癌小鼠模型研究发现，Smo抑制剂IPI-926可加强化疗药物吉西他滨的抗肿瘤作用。研究[28-30]发现三氧化二砷可通过破坏DNA合成，阻断Gli转录活性，从而抑制骨肉瘤、成神经管细胞瘤、基底细胞癌生长。但目前多数研究均处于临床试验阶段，仅vismodegib(GDC-0449)被食品和药物管理局(FDA)批准用于治疗转移性基底细胞癌[31]。

鉴于Hh通路在BE的形成过程中具有重要作用，推测Hh通路靶向抑制剂是否可阻断BE发展，并抑制其向EAC演变。Gibson等[32]对行胃空肠吻合术的胃食管反流模型大鼠进行研究，发现BE和EAC大鼠食管上皮Ihh mRNA表达水平显著升高，较正常食管组织分别提升了184倍和99倍。然而给予口服Smo抑制剂BMS-833923后，BE和EAC的发生率分别减少了35.7%和36%，且食管上皮增殖蛋白Ki-67表达明显下降，上述结果表明Hh通路活化在BE和EAC的发生、发展中扮演至关重要的角色，Smo抑制剂可阻止BE的发生以及向EAC演变。Ma等[33]的研究显示，食管癌细胞株KYSE-180经Shh中和性抗体5E1或Smo抑制剂KAAD-环巴胺处理后，细胞增殖受抑制，同时发现细胞DNA合成周期中出现亚二倍体(sub-G1)峰聚集，表明KYSE-180细胞株出现明显凋亡。目前临床上暂无治疗BE的特异性药物，治疗方案主要围绕化学预防进行。然而越来越多的研究显示，Hh信号通路参与BE的发生、发展以及向EAC转化。因此，靶向抑制Hh信号通路可为BE的治疗提供新思路。

四、结语与展望

目前对Hh信号通路的研究虽已取得较大进展，然而由于Hh信号通路转导途径的复杂性，且Hh信号通路在BE发病机制中的研究处于起步阶段，目前仍有诸多问题有待阐明，如需进一步探索Hh信号通路参与调控的柱状上皮化生、肠上皮化生标记物；以Hh信号通路中关键基因作为靶点治疗BE的特异性药物开发；Hh信号通路与其他信号通路间的相互作用在BE形成中的机制等。随着对Hh信号通路的组成、信号转导途径以及与BE分子作用机制的深入了解，相关研究成果必将为BE的早期诊断、靶向治疗等揭开新篇章。

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(2016-05-03收稿；2016-06-21修回)

Advances in Study on Hedgehog Signaling Pathway in Pathogenesis of Barrett’s Esophagus

HOUYichao,HUQiang,XIONGHua.

DivisionofGastroenterologyandHepatology,RenjiHospital,SchoolofMedicine,ShanghaiJiaoTongUniversity;ShanghaiInstituteofDigestiveDisease,Shanghai(200001)

XIONG Hua, Email: huaxong88@126.com

Hedgehog (Hh) signaling pathway is evolutionarily conserved in vertebrates, its excessive activation is associated with abnormal cell differentiation, over proliferation, apoptosis resistance and promotion of invasion and metastasis of tumor cells. Hh signaling pathway involves in the formation and maintenance of esophageal columnar epithelium in embryonic stage, however, undetectable or barely expressed in matured esophageal squamous epithelium. Studies have shown that esophageal Hh signaling pathway can be activated by gastric acid and bile salts. Aberrant activation of Hh signaling pathway can cause the gradual transition of squamous epithelium to columnar epithelium and intestinal-type epithelium, ultimately induces the occurrence of Barrett’s esophagus (BE). Therefore, targeted inhibiting the Hh signaling pathway may be a new strategy for the treatment of BE. This article reviewed the advances in study on Hh signaling pathway in the pathogenesis of BE.

Hedgehog Signaling Pathway; Barrett Esophagus; Signal Transduction; Metaplasia; Therapy

10.3969/j.issn.1008-7125.2017.01.010

国家自然科学基金(No.81270480，No.81570494)

#本文通信作者，Email: huaxong88@126.com