Hedgehog-Gli信号通路在组织器官纤维化中作用的研究进展

李嫚华，许 威，向晓辉，夏时海

Hedgehog-Gli信号通路在组织器官纤维化中作用的研究进展

李嫚华，许 威，向晓辉，夏时海

研究发现Hedgehog-Gli信号通路不仅参与胚胎发育和组织发生，也参与机体多个组织器官纤维化。阻断Hedgehog-Gli信号通路时，组织器官纤维化程度减轻。Gli作为该通路直接调控靶基因的核心转录因子，在组织器官纤维化过程中起关键作用。因此，研究Hedgehog-Gli信号通路可能为治疗组织器官纤维化提供新的治疗靶点。该文就Hedgehog- Gli信号通路在组织器官纤维化研究进展作一综述，以期为深入理解其发生、发展机制提供参考。

Hedgehog-Gli信号通路；Gli转录因子；器官纤维化；文献综述

组织器官纤维化是指在炎症反复刺激下，导致组织器官内纤维结缔组织异常增生，实质细胞减少的病理现象，持续进展可导致组织器官结构破坏和功能减退，以致组织器官功能衰竭。增生的纤维结缔组织虽然在空间上修复了原来的缺损，但却不具备原来组织的结构和功能，这种修复反应过度就会引起组织器官纤维化，导致功能下降。组织器官纤维化常发生与肝脏、肺、肾脏、胰腺等器官。组织器官纤维化成为一类危害人类健康的慢性疾病，严重时可危及生命。近年研究发现，Hedgehog(Hh)-Glioma-associated oncogene homolog(Gli)信号通路参与了肝脏、胰腺、肺、肾脏、心脏等多种组织器官纤维化的发生、发展(表1)，本文拟对其进展作一简要综述。

1 Hh-Gli信号通路

Hh是一种共价结合胆固醇的分泌性蛋白，参与胚胎发育、毛发周期和多种肿瘤的发生[1-4]。Hh信号通路的组成部分有Hh配体、膜蛋白受体复合物、核转录因子和下游靶基因。在脊椎动物中，Hh有3个同源基因Sonic hedgehog(Shh)、Indian hedgehog(Ihh)、Desert hedgehog(Dhh)，这3个基因可编码相应的分泌蛋白—Hh配体。Hh信号通路有两个跨膜受体Ptched(Ptch)和Smoothened(Smo)介导信号向胞内传递。Ptch在人类有2个同源基因Ptch1和Ptch2；Smo负责细胞内信号传导及靶基因的活性。胞质蛋白复合体主要由丝氨酸/苏氨酸激酶(Fused, Fu)、Fu抑制物[(Suppressor of fused, Su(Fu)]、类运动蛋白(Costal-2, Cos2)和锌指转录因子Gli共同构成。在Hh信号通路中，下游转录因子为Gli1、Gli2、Gli3，分别编码相应蛋白，这些蛋白定位于胞核及细胞基质。Gli1只具有转录激活功能，Gli2主要执行转录激活功能，而Gli3主要执行转录抑制功能。Hh信号通路途径在正常情况下，Ptch抑制Smo蛋白活性，从而抑制下游通路，这时Hh信号处于抑制状态。当Ptch和Hh结合以后，解除Ptch对Smo的抑制作用，Smo会将信号传递给由驱动蛋白Cos2和Fu组成的蛋白复合体，使Gli家族成员中的稳定转录因子(cubitus interruptus，Ci)转移至核内，激活下游靶基因转录。该信号通路传递过程简单总结为Hh-Ptch-Smo-Gli锌指蛋白过程。在整个信号通路中Hh、Smo、Fu起正向调节作用，而Ptch、Cosd2、Su(Fu)起负向调节作用(图1)。

图1 Hh-Gli信号通路

cyclopamine(Cyc),LDE223为Smo抑制剂，GANT6-1为Gli1、Gli2抑制剂

2 Hh信号通路参与肝脏纤维化

肝脏纤维化的重要特点是过量的细胞外基质(extracellular matrix, ECM)沉积，其纤维化过程的关键环节是肝星状细胞(hepatic stellate cell，HSC)的激活。Swiderska-Syn等[5]将小鼠进行肝部分切除术，术后选择性敲除Smo，与对照组相比，在新生肝脏中静止期的HSC大量增多，但是在肝纤维化过程中起到重要作用的肌成纤维细胞(myofibroblasts, MFs)大量减少，并且肝纤维化程度降低；同时在分子水平Gli1和Gli2的表达量也下降。在人和啮齿类动物的肝纤维化中，在体实验和HSC细胞激活实验发现SOX9和骨桥蛋白(osteopontin, OPN)在纤维化组织中的表达量均有所增加[6]，而SOX9和OPN是ECM的重要组成成分，能够促进肝脏纤维化，因此两者可以作为评价肝脏纤维化进程的指标之一。Pritchett等[7]通过人体和动物实验发现，当给予小鼠Smo阻断剂环靶明(cyclopamine, Cyc)时，Gli1、Gli2、Gli3表达量均下降，同时SOX9、OPN表达下降，反应肝纤维化程度的Ⅰ型胶原蛋白(collagen-1，Col-1)也下降。Xie等[8]研究发现，当培养的HSC转化为MFs时，Ptch、Gli2表达量上升因而激活了Hh信号通路，同时 Notch信号通路Notch-2、Jagged-1的表达增加，α-SMA等纤维化成分分泌增多；当使用Smo抑制剂GDC-0449时，不仅Shh受体和Gli2表达受到抑制，Notch信号通路中的Notch-2、Jagged-1表达也受到抑制，ECM(如α-SMA)沉积减少；说明Notch和Hh信号通路具有相互作用，可调控肝脏修复过程中的关键细胞HSC。Kumar等[9]通过使用Smo抑制剂GDC-0449和miR-29b1(抑制HSC激活及肝脏纤维化进展的一类mircoRNA)发现，Shh、Gli-1、Col-1、α-SMA、纤维粘连蛋白(fibronection，FN)的表达量降低，同时组织学检测发现纤维化程度降低。Philips等[10]敲除Mdr2基因造成纤维化小鼠模型后给予Smo抑制剂GDC-0449后发现，Gli1、Gli2的表达量降低，免疫组化检测发现肝纤维化程度减轻。瘦素是由脂肪细胞分泌的蛋白质类激素，是一种促EMT因子；瘦素的分泌又反作用于HSC，促进其转分化和肝纤维化，形成正反馈作用。Choi等[11]提取db/db鼠与野生鼠中的HSC进行对比，发现db/db鼠 的HSC细胞表面表达瘦素。与对照组相比，瘦素高表达细胞Shh、Gli1、Gli2、α-SMA、FN、Col-1的mRNA表达增加，该实验还发现Hh信号通路与JAK/STAT信号通路相互作用，促进肝纤维化。

表1 Hh-Gli通路在组织器官纤维化中的作用

3 Hh信号通路参与肺纤维化

肺纤维化是多种肺部疾病的最终转归和病理特征。Hh信号通路在胚胎时期肺的发育中有很重要的作用。更重要的是，许多研究在肺纤维化患者的肺组织中发现异常表达的Hh信号通路分子。TGF-β1在肺纤维化中是很重要的调节因子。Cigna等[12]对诊断为特发性肺间质纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)患者的肺组织进行研究发现，Shh、Ptch和Gli1在Ⅱ型肺泡上皮细胞表达明显增加。为了更深一步研究，研究者给予Hh信号通路抑制剂处理时，也发现了该通路信号分子的表达异常。李利华等[13]使用TGF-β1刺激肺成纤维细胞时发现，TGF-β1处理组细胞Shh、Gli1、α-SMA、FN、Col-1表达增加。Moshai等[14]通过气管内注射博来霉素(bleomycin, BLM)诱导C57BL/6小鼠特发性肺间质纤维化模型，Shh的表达有所增加，Gli1和Gli2在细胞基质及细胞核上表达均有所增加；然后分别给予Smo抑制剂GDC-0449和Gli1与Gli2抑制剂GANT6-1处理。在GDC-0449组中，虽然Col-1a1、Col-3a1、α-SMA以及Gli1的 mRNA 水平减少，但是Gli2的mRNA水平并未下降，同时肺纤维化程度并未减轻；GANT6-1处理过的小鼠Gli1和Gli2降低，肺纤维化程度降低。Hu等[15]通过对IPF患者肺成纤维细胞给予Shh，发现Smo和Gli1蛋白及mRNA表达量增加；对大鼠转染Gli1高表达质粒后发现，α-SMA、Gli1在蛋白及mRNA水平表达量均增加，肺纤维化程度增加。Bolaos等[16]发现IPF患者肺组织Shh、Ptch、Smo及Gli1、Gli2的蛋白和mRNA表达量高于正常肺组织；通过测定人肺成纤维细胞生长率发现，与对照组以及Cyc组相比，Shh组成纤维细胞增长明显上升，同时Shh组Col-1和FN的mRNA及蛋白表达明显增高；该实验证明Shh还能从减轻TNF-α/INF-γ/FAS的促凋亡作用来保护成纤维细胞，从而起到促进纤维化的作用。

4 Hh信号通路参与肾纤维化

肾纤维化是多种不同病因所致的慢性肾脏病发展的最终共同通路，其主要病理改变主要为正常肾单位的破坏，同时出现大量成纤维细胞增生，ECM(如FN、胶原纤维)堆积，从而导致肾小球硬化和肾间质纤维化，终而影响正常肾功能。Fabian等[21]发现在慢性肾纤维化患者肾小管细胞中Hh信号分子Shh、Ihh、Gli1、Gli2表达量增加。通过单侧输尿管闭塞(unilateral ureteral occlusion, UUO)造成肾脏纤维化模型，当使用Hh拮抗剂IPI-926阻断该信号通路时，上述分子表达量降低，同时小鼠肾脏纤维化程度降低，证明Hh信号通路在调节肾纤维化方面的重要性。 Bai等[17]通过UUO造成小鼠肾脏纤维化实验发现，TGF-β1、Shh、Ptch1、Gli1的蛋白及mRNA的表达量均增加，研究者进一步研究用于治疗组织器官纤维化的疗效，将小鼠分为对照组、TGF-β1组、TGF-β1及白藜芦醇联合给药组，检测发现含白藜芦醇组细胞中TGF-β1受体、Shh、Ptch、Gli1的基因及mRNA水平均下降，同时FN、Col-1、α-SMA水平也明显降低；由此证明Hh信号通路参与慢性肾脏纤维化。Ding等[18]将肾纤维化组与对照组小鼠对比发现，Shh、Gli1以及α-SMA表达量均增加；使用Cyc发现Shh、Gli1、Col-1、FN和α-SMA的表达量均降低，肾脏纤维化程度降低。Latchoumycandane等[19]通过给小鼠注射乙醇实验发现，肾纤维化程度增加，分子生物学检测肾脏皮质细胞Shh、Gli1的表达量也增加。Kramann等[20]将Gli1+(Gli1过表达)的小鼠沉默Gli2基因，实验结果发现肾纤维化程度降低，通过将UUO小鼠沉默Gli2基因，与对照组比较发现Gli1、Gli2、FN、Col-1、α-SMA均降低，组织检测发现纤维化程度明显降低；进一步研究发现沉默组小鼠MFs增生活跃。当给予UUO小鼠Gli阻滞剂Darinaparsin时，上述分子表达降低的同时纤维化水平也明显改善。上述研究说明Gli信号通路在肾脏纤维化过程中起重要作用。

5 Hh信号通路与胰腺纤维化的关系

胰腺纤维化也同样是多种胰腺疾病的重要病理特征和发病机制。研究表明在胰腺组织中存在一种与HSC生物学特性相近的类成纤维细胞，即胰腺星状细胞(pancreatic stellate cell，PSC)。Shinozaki等[22]用人工合成的Ihh体外干预大鼠PSC，发现PSC被激活，并且Ptch1、Smo和Gli1的表达量增加，说明Hh信号通路能激活PSC。Tsang等[23]在蛙皮素诱导的小鼠胰腺纤维化模型中，使用大黄酸抑制PSC激活，与模型组比较发现，α-SMA、FN 和Col-1等ECM成分表达量降低，Shh、Gli1表达量也降低，通过组织学检查发现胰腺纤维化明显改善，说明Hh-Gli信号通路参与胰腺纤维化；在进一步的细胞实验中以LTC-14即永生化PSC细胞为研究对象发现，给予siRNA-Shh处理后Shh、Gli1表达下降，给予TGF-β1处理后Shh、Gli1表达下降，给予TGF-β1、大黄酸联合给药后Shh、Gli1表达量下降，进一步说明了大黄酸通过抑制Shh信号通路来调节胰腺纤维化。Wang等[28]使用通过二丁基二氯化锡(dibutyltin dichloride，DDC)诱导大鼠慢性胰腺炎，模型组出现明显纤维化的同时Shh、Ptch1、Smo、Gli1以及Col-1在胰腺组织中的表达显著增加。

6 Hh信号通路参与其他组织器官纤维化

心脏、脊髓、皮肤等组织器官的纤维化过程中也发现了Hh通路的作用。Horn等[24]通过对小鼠使用Smo抑制剂LDE223阻断Hh信号通路，检测表皮和真皮细胞发现Gli1和Gli2的表达量降低，同时皮肤纤维化程度降低。Sasaki等[25]对骨髓纤维化患者给予环巴胺类似物IPI-926(Smo小分子抑制剂)，发现患者Gli1的mRNA及蛋白表达均降低，同时骨髓纤维化程度减轻。Kusano等[26]发现缺血性心肌炎大鼠中Shh、Ptch-1表达量增加。Kramann等[27]发现通过将Gli1基因转入血管周类成纤维细胞，骨髓、肺、肾纤维化程度加重，相反，减弱Gli1表达，上述组织器官纤维化程度减轻。

7 展望

研究表明，多个信号通路参与组织器官纤维化过程。除TGF-β1/Smad信号通路、JAK/STAT信号通路、Wnt信号通路、Notch信号通路外，Hh信号通路参与多个组织器官纤维化，并起到关键性的作用，使用Hh-Gli信号通路分子抑制剂以及沉默质粒，能够有效减少α-SMA、FN、Col等纤维标志物，减轻纤维化程度，抑制组织器官纤维化进程。显然，进一步研究Hh信号通路在组织器官纤维化的发生机制对于治疗组织器官纤维化有着十分广阔的前景。

[1] Dugum M, Hanouneh I, McIntyre T,etal. Sonic hedgehog signaling in hepatocellular carcinoma: a pilot study[J]. Mol Clin Oncol, 2016,4(3):369-374.

[2] Ertao Z, Jianhui C, Chuangqi C,etal. Autocrine Sonic hedgehog signaling promotes gastric cancer proliferation through induction of phospholipase Cγ1 and the ERK1/2 pathway[J]. J Exp Clin Cancer Res, 2016,35:63.

[3] 徐珊珊, 韩玉贞, 马文浩, 等. 乳腺原发癌和淋巴结转移癌中Hedgehog信号蛋白的表达及意义[J]. 临床与实验病理学杂志, 2012,28(11):1198-1201.

[4] 夏含笑, 刘陶文, 沈 冰, 等. 鼻咽癌组织中Gli1蛋白表达及其临床意义[J]. 临床与实验病理学杂志, 2015,32(3):320-322.

[5] Swiderska-Syn M, Syn W K, Xie G,etal. Myofibroblastic cells function as progenitors to regenerate murine livers after partial hepatectomy[J]. Gut, 2014,63(8):1333-1344.

[6] Coombes J D, Swiderska-Syn M, Dollé L,etal. Osteopontin neutralisation abrogates the liver progenitor cell response and fibrogenesis in mice[J]. Gut, 2015,64(7):1120-1131.

[7] Pritchett J, Harvey E, Athwal V,etal. Osteopontin is a novel downstream target of SOX9 with diagnostic implications for progression of liver fibrosis in humans[J]. Hepatology, 2012,56(3):1108-1116.

[8] Xie G, Karaca G, Swiderska-Syn M,etal. Cross-talk between Notch and Hedgehog regulates hepatic stellate cell fate in mice[J]. Hepatology, 2013,58(5):1801-1813.

[9] Kumar V, Mondal G, Dutta R,etal. Co-delivery of small molecule hedgehog inhibitor and miRNA for treating liver fibrosis[J]. Biomaterials, 2016,76:144-156.

[10] Philips G M, Chan I S, Swiderska M,etal. Hedgehog signaling antagonist promotes regression of both liver fibrosis and hepatocellular carcinoma in a murine model of primary liver cancer[J]. PLoS One, 2011,6(9):e23943.

[11] Choi S S, Syn W K, Karaca G F,etal. Leptin promotes the myofibroblastic phenotype in hepatic stellate cells by activating the hedgehog pathway[J]. J Biol Chem, 2010,285(47):36551-36560.

[12] Cigna N, Farrokhi M E, Brayer S,etal. The hedgehog system machinery controls transforming growth factor-β-dependent myofibroblastic differentiation in humans: involvement in idiopathic pulmonary fibrosis[J]. Am J Pathol, 2012,181(6):2126-2137.

[13] 李利华, 卢 滨, 吴红科, 等. 白藜芦醇抑制Sonic hedgehog信号并减轻大鼠肺纤维化的研究[J]. 中国现代医学杂志, 2016,26(1):35-40.

[14] Moshai E F, Wémeau-Stervinou L, Cigna N,etal. Targeting the hedgehog-Glioma-associated oncogene homolog pathway inhibits bleomycin-induced lung fibrosis in mice[J]. Am J Respir Cell Mol Biol, 2014,51(1):11-25.

[15] Hu B, Liu J, Wu Z,etal. Reemergence of hedgehog mediates epithelial-mesenchymal crosstalk in pulmonary fibrosis[J]. Am J Respir Cell Mol Biol, 2015,52(4):418-428.

[17] Bai Y, Lu H, Wu C,etal. Resveratrol inhibits epithelial-mesenchymal transition and renal fibrosis by antagonizing the hedgehog signaling pathway[J]. Biochem Pharmacol, 2014,92(3):484-493.

[18] Ding H, Zhou D, Hao S,etal. Sonic hedgehog signaling mediates epithelial-mesenchymal communication and promotes renal fibrosis[J]. J Am Soc Nephrol, 2012,23(5):801-813.

[19] Latchoumycandane C, Hanouneh M, Nagy L E,etal. Inflammatory PAF receptor signaling initiates hedgehog signaling and kidney fibrogenesis during ethanol consumption[J]. PLoS One, 2015,10(12):e0145691.

[20] Kramann R, Fleig S V, Schneider R K,etal. Pharmacological GLI2 inhibition prevents myofibroblast cell-cycle progression and reduces kidney fibrosis[J]. J Clin Invest, 2015,125(8):2935-2951.

[21] Fabian S L, Penchev R R, St-Jacques B,etal. Hedgehog-Gli pathway activation during kidney fibrosis[J]. Am J Pathol, 2012,180(4):1441-1453.

[22] Shinozaki S, Ohnishi H, Hama K,etal. Indian hedgehog promotes the migration of rat activated pancreatic stellate cells by increasing membrane type-1 matrix metalloproteinase on the plasma membrane[J]. J Cell Physiol, 2008,216(1):38-46.

[23] Tsang S W, Zhang H, Lin C,etal. Rhein, a natural anthraquinone derivative, attenuates the activation of pancreatic stellate cells and ameliorates pancreatic fibrosis in mice with experimental chronic pancreatitis[J]. PLoS One, 2013,8(12):e82201.

[24] Horn A, Kireva T, Palumbo-Zerr K,etal. Inhibition of hedgehog signalling prevents experimental fibrosis and induces regression of established fibrosis[J]. Ann Rheum Dis, 2012,71(5):785-789.

[25] Sasaki K, Gotlib J R, Mesa R A,etal. Phase II evaluation of IPI-926, an oral Hedgehog inhibitor, in patients with myelofibrosis[J]. Leuk Lymphoma, 2015,56(7):2092-2097.

[26] Kusano K F, Pola R, Murayama T,etal. Sonic hedgehog myocardial gene therapy: tissue repair through transient reconstitution of embryonic signaling[J]. Nat Med, 2005,11(11):1197-1204.

[27] Kramann R, Schneider R K, DiRocco D P,etal. Perivascular Gli1+ progenitors are key contributors to injury-induced organ fibrosis[J]. Cell Stem Cell, 2015,16(1):51-66.

[28] Wang L W, Lin H, Lu Y,etal. Sonic hedgehog expression in a rat model of chronic pancreatitis[J]. World J Gastroenterol, 2014,20(16):4712-4717.

R 364.3

A

1001-7399(2017)10-1119-04

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国家自然科学基金(81500489)、天津市自然科学基金联合资助青年项目(15JCQNJC45600)、武警后勤学院附属医院种子基金重点项目(FYZ201508)

武警后勤学院附属医院消化二科，天津 300162

李嫚华，女，硕士研究生。E-mail: lmh910924@163.com

夏时海，男，博士，教授，通讯作者。Tel:(022)60578765，E-mail: xshhcx@sina.com