恶性肿瘤中Hedgehog信号通路的表观遗传学研究现状▲

高倩雯 刘陶文

(1 桂林医学院研究生学院，广西桂林市 541004，电子邮箱：616271443@qq.com；2 广西壮族自治区南溪山医院暨桂林医学院附属南溪山医院肿瘤科，桂林市 541002)

【提要】 Hedgehog信号通路作为调控胚胎组织发育、系统形成的关键信号传导系统，也影响着恶性肿瘤的发生。除外通路成员的突变及异常活化，启动子甲基化引起成员中的肿瘤抑制基因失活及(或)去甲基化使表观遗传学改变，可产生致瘤作用。研究发现，多种常见的恶性肿瘤中存在该信号通路的表观遗传学改变，研究其机制可为治疗Hedgehog通路驱动的癌症提供参考。本文就常见恶性肿瘤中Hedgehog信号通路的表观遗传学研究现状进行综述。

表观遗传学是指通过DNA序列变化以外的方式调节基因表达，也可以被认为是恶性肿瘤的标志。Knudson[1]于1971年提出了关于肿瘤发生的二次打击学说，认为肿瘤的发生是一种隐形事件，即野生型基因产物可以抑制肿瘤产生；当这一野生型基因所在的等位基因失活时则可导致恶性肿瘤，因此将该野生型基因称为肿瘤抑制基因。二次打击学说中抑癌基因的表现遗传沉默，与基因突变或缺失同为恶性肿瘤发生的相关因素。通过去甲基化可激活沉默的基因组区域，因这些区域包含沉默的癌基因、插入的病毒基因或重复序列且具有逆转座子样结构的元件，这些沉默基因的异常表达可导致恶性肿瘤。Hedgehog信号通路是促进胚胎分化、系统发育和组织调控的重要信号传导系统，对癌症的产生具有重要作用。研究表明，表观遗传学改变对该通路调控起着极其重要的作用，为Hedgehog通路靶向治疗恶性肿瘤提供新的可行策略[2]。本文就常见恶性肿瘤中Hedgehog信号通路的表观遗传学研究现状进行综述。

1 Hedgehog通路及其功能

Hedgehog通路最早是由Nüsslein-Volhard和Wieschaus[3]在研究果蝇胚胎发育期间的致死基因时发现的。哺乳动物Hedgehog信号通路由三种Hedgehog配体[Sonic hedgehog(SHH)、Indian hedgehog(IHH)和desert hedgehog(DHH)]、十二次跨膜蛋白Patched(Ptch)和七次跨膜蛋白Smoothed(Smo)组成的受体复合物、核转录因子Gli家族(Gli1、Gli2和Gli3，Glis)和下游靶基因等4部分组成。其中SHH的表达最为广泛，SHH调节胚胎发育过程中的神经系统、皮肤和消化道等器官组织分化，IHH参与骨及软骨发育，DHH则与生殖腺相关[4]。人类Ptch含有的两种同源基因(Ptch1和Ptch2)，均具有结合Hedgehog配体和抑制Smo蛋白的作用。任何一种Hedgehog配体蛋白都可以与Ptch受体结合，结合后减轻Ptch对Smo的抑制作用，Gli与融合阻遏因子(suppressor of Fuse,SuFu)分离，导致Gli激活并进入细胞核从而启动靶基因转录[5]。在缺乏Hedgehog信号时，SuFu作为信号传导途径的负调节因子，通过向Gli靶基因募集组蛋白脱乙酰化复合物来抑制Gli介导的转录，将Gli隔离到细胞质中[6]。

Hedgehog信号通路不仅特异性调节神经干细胞在海马与脑室区的功能，促进骨髓中造血的分化，还会上调恶性肿瘤中Gli转录因子的表达，从而提高肿瘤自我更新、侵袭和转移的能力[7]。目前已发现Hedgehog通路的激活具有4种可能的模式，即由于自分泌和旁分泌信号的加强导致Hedgehog配体产生过量、体细胞系中Hedgehog通路上游成员Smo及Ptch1的突变、Hedgehog通路成员(Ptch1、Smo及Gli1)的过度表达及存在截短形式的Gli1变异体[8]。尽管不同组织起源的恶性肿瘤中Hedgehog激活机制存在差异，但有关信号都在Gli水平汇合并执行Hedgehog信号对靶基因的转录效应[8-9]。Hedgehog通路的异常活化见于各种散发性疾病中，包括良性和恶性疾病[8-11]。

2 Hedgehog成员表观遗传变化

Hedgehog信号通路高度保守，在促进多细胞动物的胚胎发育、系统发育、组织调控以及干细胞的维持中起关键性作用。人类Hedgehog信号通路的重要功能首先被发现于痣样基底细胞癌综合征(基底细胞痣综合征)中，该综合征以致畸性和癌症易感性为特征[12]。通常Hedgehog信号通路在机体发育成熟后处于失活状态,但其成员的突变或错误表达会异常激活该通路,导致多种恶性肿瘤的发生和发展。研究显示，表观遗传学异常涉及三种不同机制，即脱氧核糖核酸甲基化、组蛋白修饰和不同长度的非编码链RNA，如微小RNA(microRNA,miRNA)和长非编码RNA干扰基因。Hedgehog通路的表观遗传学改变主要发生在细胞膜和细胞膜外的分子(如Hedgehog、Ptch)、细胞内分子(如Smo、Gli)及Hedgehog通路的靶基因，这对于各种恶性肿瘤的发生和畸形发育具有重要意义[13-14]。

3 几种常见癌症的Hedgehog通路表观遗传调控

Hedgehog信号传导途径与多种类型的肿瘤相关。由于该通路对胃、肝、胰腺和肺等器官的形成起重要作用，故Hedgehog信号传导的异常活化与这些器官肿瘤密切有关。目前研究已证实，胃癌、非小细胞肺癌(non-small-cell lung cancer，NSCLC)、肝细胞癌、胰腺导管腺癌以及乳腺癌均与Hedgehog通路的表观遗传学异常有关[14]。

3.1 胃癌 SHH配体在正常胃组织中不表达，但在肿瘤性胃病变中的表达水平升高，该表达变化与SHH基因启动子甲基化的减少有关[15]。此外，胃癌细胞系和胃癌组织中Ptch1和Hedgehog结合蛋白(hedgehog-interacting protein，HHIP)基因启动子通常呈高度甲基化，导致这些基因表达缺失[16-21]，进一步说明异常Hedgehog信号传导对胃癌发生的重要性。Zuo等[16-17]研究发现，胃癌腺细胞系AGS中Ptch1a是高甲基化的转录调节区，经5-氮杂胞苷处理后，几乎所有位点都发生去甲基化，继而Ptch1表达上调并诱导细胞凋亡。此外，他们还在部分胃癌组织中发现Ptch1启动子存在过度甲基化，而在相邻的正常组织中未发生甲基化，这种甲基化与Ptch1基因表达呈负相关，而与胃癌的临床特征无关，这表明Ptch1a转录调节区的高度甲基化是胃癌发生的早期事件。miRNA-218可使Smo发生表观遗传改变，其通过下调Smo的表达抑制胃癌细胞的耐药性[22]。研究显示，Wnt信号通路在胃癌的发生发展中起重要作用[23]，而SuFu作为Hedgehog和Wnt信号传导的负调节因子，是miRNA-194的靶标。因此，miRNA-194通过抑制SuFu、激活Wnt信号传导来促进胃癌细胞的增殖和迁移[24]。

3.2 NSCLC 虽然Hedgehog信号在NSCLC中的作用尚未明确，但已有研究表明NSCLC存在异常Hedgehog信号传导和表观遗传调控[25]。由于miRNA-212和miRNA-214上调而分别使Ptch1和SuFu表达沉默，从而促进NSCLC转移[26-27]。研究表明，miRNA-326可显著抑制NSCLC细胞的生长、迁移、侵袭并诱导该细胞凋亡，miRNA-326及其宿主基因Arrestin β1的表达在胚胎肺间充质细胞中选择性富集并特异性地受SHH活性的影响，并通过靶向Smo和Gli2而抑制SHH信号传导的活性[28-29]。虽然表皮细胞生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)-酪氨酸激酶抑制剂 (tyrosine kinase inhibitor，TKI)对NSCLC患者远期生存有益，但无法避免耐药，研究发现其对Hedgehog信号传导途径的抑制是最有效的，表明该癌基因靶点已从EGFR转变为Hedgehog信号，这可能为治疗耐受EGFR-TKI的NSCLC提供新靶点[30]。

3.3 肝癌 慢性肝损伤导致肝细胞死亡，濒死的肝细胞通过分泌SHH配体而活化邻近细胞(包括肝细胞和非肝细胞)的Hedgehog信号传导并促进其增殖，Kanda等[31]研究显示，HHIP启动子甲基化可减少肝癌和肝母细胞瘤细胞系亚群中的HHIP mRNA转录，并且在超过50%的肝细胞癌组织中该启动子发生超甲基化，但在相应的正常肝组织中未检测到该基因甲基化，HHIP启动子甲基化可造成HHIP转录下调，并由此导致Gli1和Ptch的表达水平升高，提示HHIP的表达下调可导致Hedgehog信号通路异常激活。此外，经过去甲基化药物处理的肝癌细胞系可恢复HHIP表达并减弱Hedgehog信号[32]。因此，HHIP转录失活诱发的Hedgehog信号激活可能与肝细胞癌的发生有关。几种miRNA在肝细胞癌祖细胞中的差异表达也有助于促进肿瘤的发生，例如miRNA-148a表达下调导致其直接靶标-生长抑制特异性分子1表达上调[33]，在肝细胞癌形成期间因缺失miRNA-200而减轻对Gli2的抑制作用[34-35]，缺失miRNA-378a-3p而导致Gli3表达上调[36]。这些表观遗传变化与原发性肿瘤驱动基因共同在肝细胞癌的形成中起作用。

3.4 胰腺导管腺癌 胰腺导管腺癌中的Hedgehog通路激活发生在肿瘤细胞周围的基质细胞中。胰腺导管腺癌细胞通过分泌SHH而刺激基质产生血管内皮生长因子等而间接形成肿瘤，并在肿瘤周围形成纤维结构的细胞外基质成分和促炎生长因子，这些因素共同削弱药物对癌细胞的作用。在胰腺导管腺癌P癌细胞中Hedgehog信号传导途径也具有表观遗传学异常改变。Gli1通过结合DNA甲基转移酶基因的启动子区域，导致甲基转移酶过表达，而该甲基转移酶可促进HHIP启动子高度甲基化而下调HHIP的表达[37-38]。由于组蛋白去乙酰化酶1可消除基因中组蛋白上的激活标记，因此该酶的表达上调进一步促进HHIP水平降低[39]。此外，miRNA-212水平上升可抑制Ptch1表达[40]。上述因素的综合作用促进胰腺癌细胞生长，并诱导肿瘤耐药。

3.5 卵巢癌和乳腺癌 与正常卵巢组织相比，卵巢皮样瘤和纤维瘤中Ptch1启动子区域发生高度甲基化。后者在Gli1表达升高的情况下，Ptch1和Ptch2均未被活化[41]。研究表明，卵巢肿瘤组织中Gli结合位点附近的Ptch1启动子区域CpG岛大多存在甲基化，而在正常组织中上述位点未观察到甲基化发生。因此，Ptch启动子的Gli结合位点超甲基化可以通过阻碍Gli1而刺激Ptch表达，促进卵巢纤维瘤和皮样瘤增生。此外，多种抑癌基因的启动子高度甲基化、组蛋白修饰和众多非编码链RNA参与调控卵巢癌的病理过程[12]。研究显示，乳腺癌干细胞中SHH通常发生低度甲基化，导致Hedgehog通路异常激活[42]，且乳腺癌组织中Ptch1启动子高度甲基化较常见[43]。此外，乳腺癌中缺失赖氨酸甲基转移酶Setd7可使Gli1表达上调，其机制是由于Setd7可激化Gli1启动子中的抑制性组蛋白，而这些抑制性组蛋白的缺失导致Gli1超表达[44]。有学者发现，维生素D受体及其配体1α,25-二羟基维生素D3通过抑制SuFu可导致乳腺癌中miRNA-214的表达上调[45]。这些因素均可导致Hedgehog通路异常激活并与乳腺癌的发生发展密切相关。

3.6 血液肿瘤 受体Ptch的缺失或Smo的活化突变在基底细胞癌和成神经管细胞瘤中常见，但急性髓性白血病中Hedgehog信号通路的活化很大程度上与Smo无关。人类癌症基因组图谱中关于急性髓性白血病数据集的表观遗传学和基因表达分析显示，大多数急性髓性白血病患者中Gli3异常甲基化且表达沉默；Hedgehog信号通路活性调节Gli2/Gli3的加工，并且在不存在Hedgehog配体时，Gli2和Gli3都存在转录抑制因子(Gli2R和Gli3R)；Gli3R是Smo拮抗剂治疗急性髓性白血病所必需的，并且Gli3R的表达恢复可抑制急性髓性白血病细胞生长；Gli3R通过下调蛋白激酶B表达而抑制急性髓性白血病细胞生长[46]。鉴于Gli3R在Smo依赖性Hedgehog信号传导的急性髓性白血病细胞中起重要作用，因此认为其可作为Smo拮抗剂治疗急性髓性白血病患者的潜在生物标志物。

4 小 结

启动子超甲基化引起Hedgehog通路成员中的肿瘤抑制基因失活及(或)启动子去甲基化而驱动肿瘤发生。对Hedgehog途径的表观遗传学认识仅是近年的研究成果，尚缺乏可用于临床的针对表观遗传学控制的Hedgehog通路驱动癌症的理想治疗方法。充分阐明常见恶性肿瘤中该通路的表观遗传学改变，可望发现更有效的治疗靶点。