几丁质酶3-样1在肿瘤中的研究进展

余志龙，姜可伟

（北京大学人民医院胃肠外科/北京大学人民医院外科肿瘤研究室/结直肠癌诊疗研究北京市重点实验室，北京 100442）

党的十八大以来，医疗卫生体制改革使我国近14亿人受益，尤其是抗癌药零关税、加快抗癌新药审批、抗癌药品集中采购等政策，使更多肿瘤患者用上了放心药、廉价药。为了人民的健康，改革的脚步还在继续，针对肿瘤的基础和临床研究也未停止脚步。几丁质酶3-样1（chitinase 3-like 1，CHI3L1）是哺乳动物几丁质酶家族的成员，但缺乏几丁质酶活性。CHI3L1是由多种类型细胞产生，具有细胞因子和生长因子特性的凝集素[1]。在炎症性疾病和各种类型的癌症患者的循环血液中，CHI3L1的表达水平升高，如类风湿关节炎、炎症性肠病、支气管疾病哮喘、乳腺癌、肺癌、前列腺癌、消化道肿瘤和其他类型癌症等[2-5]。此外，CHI3L1作为生长因子，具有诱导靶细胞增殖和迁移的能力，成为肿瘤治疗中有吸引力的靶点[6]。更重要的是，研究表明CHI3L1在肿瘤的进展和免疫中具有重要作用[7]。本文旨在讨论CHI3L1在癌症中作用的最新研究成果，分析其作为肿瘤调节剂的具体作用机制，现综述如下。

1 CHI3L1的蛋白结构特点

CHI3L1基因位于人染色体1q31～1q32上，由7498个碱基对和10个外显子组成，基因组DNA长约8 kbp。CHI3L1是糖苷水解酶家族18中不可缺少的成员，其与几丁质结合，但缺乏几丁质酶活性。与具有几丁质酶活性相比，CHI3L1蛋白几丁质结构中催化活性必需氨基酸发生突变，质子供体谷氨酸变为异亮氨酸，导致类几丁质酶样蛋白失去催化能力[8]。晶体衍射研究表明，CHI3L1的三维结构是一个由β+α结构域嵌入形成的（β/α）8-barrel折叠，（β/α）8-barrel由8个首尾相接的βα二级结构单元构成，即β1α1β2α2…β8α8，形成内外两层筒状结构，见图1（图片来自PDB蛋白质结构数据库）。内层桶由相邻的β折叠股构成（其中β8与β1通过氢键连接），外层桶由8个α螺旋构成。此外，CHI3L1蛋白的（β/α）8-barrel结构域中的β链C端中还有一个43残基的碳水化合物结合裂隙。本质上，蛋白质-碳水化合物的相互作用主要是由侧面的堆积。这种结构表明，CHI3L1作为一种传感器，可以开启先天防御，不仅可调节感染导致的炎症反应，还会促进肿瘤的发生[9]。

图1 CHI3L1蛋白三维结构Figure 1 Three-dimensional structure of CHI3L1 protein

2 CHI3L1的生物学功能

CHI3L1最初被发现于MG63细胞系培养的上清液中，也在人关节软骨细胞的单层或外植体培养物中被鉴定出来，并被称为人软骨糖蛋白39（human cartilage glycoprotein 39，HC-gp39）。此外，由于CHI3L1以分泌形式存在3个N端氨基酸残基：酪氨酸（tyrosine，Y）、赖氨酸（lysine，K）和亮氨酸（leucine，L），且分子量为40 kDa，因此，又被命名为YKL40[10]。CHI3L1由多种细胞产生，包括巨噬细胞、中性粒细胞、干细胞、骨细胞、滑膜细胞、软骨细胞、成纤维细胞样细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞、肝星状细胞、乳腺上皮细胞和肿瘤细胞。CHI3L1可调节氧化损伤、细胞凋亡、细胞焦亡、炎症小体激活、Th1/Th2炎症平衡、M2型巨噬细胞分化、树突状细胞（dendritic cells，DC）积累、TGF-β1表达、细胞外基质调节等多种必要的生物学过程，在保护机体免受病原体、抗原诱导和氧化诱导的损伤反应、炎症反应及组织修复和重塑方面具有关键作用[11-13]。

研究发现，CHI3L1可通过MAPK和Akt信号传导的磷酸化促进滑膜细胞、关节软骨细胞、皮肤和胎儿肺成纤维细胞的生长。因此，CHI3L1沉默会降低HEK293和U87细胞增殖[14]。此外，CHI3L1还与IGF-1协同作用，通过启动在组织纤维化中起主要作用的MAPK/Erk1/2和磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）信号级联反应来刺激成纤维细胞的生长。从本质上讲，MAPK和PI3K通路在有丝分裂、生长、增殖、凋亡和癌细胞转化中均具有重要作用[15]。

CHI3L1可驱动免疫细胞激活和分化，对巨噬细胞分化、DC积累和Th1/Th2平衡有显著影响[16]。与其他单核细胞/巨噬细胞标记物相比，CHI3L1未在单核细胞中发现，但在人类巨噬细胞分化的后期阶段受到强烈诱导，此时核Sp1与CHI3L1启动子结合以促进人类巨噬细胞成熟的后期阶段。但CHI3L1在单核细胞衍生的DCs的分化和成熟过程中以时间依赖性方式表达，并分布于未成熟和成熟DCs的细胞质和细胞核中[17]。另外，CHI3L1在CD4+T细胞极化和Th2炎症的发病机制中具有重要作用。CHI3L1缺陷型的CD4+T细胞分化为Th1细胞。本质上，CHI3L1在活化的T细胞和Th2细胞中表达，通过IFN-γ-STAT1轴的IFN-γ信号传导调节Th1和Th2分化。因此，CHI3L1是Th1极化和细胞毒性T淋巴细胞表达的调节剂，可作为增强抗肿瘤免疫的潜在治疗靶点[18]。

此外，在普通人群中发现，CHI3L1的3个启动子单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNPs）（rs4950928、rs10399805和rs10399931）、1个 非同义SNP（rs880633）和4个内含子SNP（rs1538372、rs2071579、rs946259和rs2275353）与血清中表达水平相关，在处于或低于全基因组关联显著性水平[19]。因此，CHI3L1的遗传变异与多种炎症性和肿瘤性疾病的发生和预后密切相关。在欧洲血统的哮喘患者中，rs12141494的风险等位基因A被发现与气道和严重哮喘中较高水平的CHI3L1相关[20]。同样，在中国西南汉族人群中，CHI3L1的rs10399931 CT/TT基因型与哮喘风险增加相关[21]。

3 CHI3L1在肿瘤中的作用

3.1 CHI3L1作为肿瘤标记物迄今为止，已发现CHI3L1循环血液和肿瘤组织表达水平在许多实体肿瘤中显著升高，包括胶质母细胞瘤、乳腺癌、结肠癌、肺癌、前列腺癌、膀胱癌、胃癌、子宫内膜癌、食管鳞状细胞癌、肝癌、胰腺癌、头颈癌及其他肿瘤，通常预示病情恶化或较短的无病生存期，CHI3L1在多种类型肿瘤中的表达和预后见图2（数据来自GEPIA和Kaplan-Meier Plotter数据库）。研究[22]表明，CHI3L1在人卵巢癌组织和血浆中的表达与肿瘤分期和组织学类型相关，但仅血浆CHI3L1水平与预后具有相关性。同样，在单变量和多变量分析中，乳腺癌患者组织中CHI3L1高表达水平与无病生存期和总生存期无明显相关性，这与CHI3L1血清水平作为预后生物标志物的报道一致[23]。此外，有研究[24]显示，在人胶质母细胞瘤中，CHI3L1的上调抵消了放疗或化疗的效果，表明有必要在放化疗时监测血浆CHI3L1水平的动态变化。

图2 CHI3L1在多种实体肿瘤中的表达和预后情况Figure 2 The expression and prognosis of CHI3L1 in a variety of solid tumors

然而，尽管在多数已确诊癌症患者的血液中发现CHI3L1表达水平升高，但单独的CHI3L1并不预示癌症，因为在许多其他炎症性疾病中同样发现其表达水平升高。由于CHI3L1在人类疾病中的混杂表达，因此，其在血清中的表达水平并不能被认为是肿瘤进展的独立特异性的生物标志物。有研究发现，CHI3L1和其他肿瘤生物标志物的组合被认为在预测癌症的肿瘤发生方面更加有效和准确。例如，虽然糖抗原199（carbohydrate antigen-199，CA199）对人胰腺癌的诊断准确性优于CHI3L1或白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6），但CHI3L1、IL-6和CA199的组合对胰腺癌的预测价值最佳[25]；CHI3L1与鳞状细胞癌抗原（squamous cell carcinoma antigen，SCCA）（肝细胞癌的血清学标志物）的组合显著增加了检测食管鳞癌的敏感性[26]。

3.2 CHI3L1对肿瘤细胞增殖、侵袭和转移的影响有研究发现，CHI3L1刺激可导致肝癌细胞中SMAD2、SMAD3的磷酸化，同时也可通过调节TGFβ信号通路而促进细胞增殖、侵袭和转移[27]。同样，CHI3L1可通过激活MAPK/Erk信号通路增强结直肠癌SW480细胞的增殖，还可通过NF-κB信号通路促进结直肠癌细胞（包括SW480和COLO205细胞）增殖和迁移[28]。此外，CHI3L1可诱导促炎和促肿瘤发生分子的表达，包括CCL2、CXCL2、MMP-2和MMP-9等，使肿瘤细胞生长和增殖[29]。

侵袭和转移是恶性肿瘤的主要特征和影响患者预后的主要原因。研究报道有39%～91%发生肿瘤转移的患者血清CHI3L1水平显著升高，而高表达CHI3L1的肿瘤患者更易发生肿瘤转移且总体生存预后较差[30]。因此，CHI3L1被提议作为肿瘤疾病的预后生物标志物，包括甲状腺乳头状癌、脑胶质瘤、乳腺癌、前列腺癌、肺癌和肝细胞癌。上皮间质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）是一种关键的发育程序，可产生具有干细胞特性的细胞，通常在肿瘤转移和侵袭过程中被激活。有研究[30]在非小细胞肺癌CL1-1、H23、H838、CL1-5和H2009等 细 胞 系 中 发 现，CHI3L1能 调 控Twist、Snail、Slug、N-钙黏蛋白、波形蛋白和E-钙黏蛋白等EMT标志物的表达，这表明CHI3L1是非小细胞肺癌转移的主要因素。同样，又有学者发现，CHI3L1的表达与前列腺癌细胞（DU145和PC3）的转移性和侵袭性呈正相关，也是通过调控EMT相关基因的表达直接影响肿瘤细胞转移[31]。另外，在具有高度侵袭性的胶质细胞瘤中，KU等[32]猜测患者CHI3L1高表达与其迅速转移相关，该研究通过沉默人胶质母细胞瘤U87MG细胞CHI3L的表达发现，U87MG细胞对细胞外基质底物的黏附能力显著降低，同时细胞内MMP-2的表达也明显减少。

3.3 CHI3L1对肿瘤免疫的影响由于CHI3L1主要由中性粒细胞和巨噬细胞分泌，且其在先天免疫细胞中表达并参与内皮功能障碍和组织重塑等生理过程，因此，CHI3L1在其高表达类型的肿瘤中，对其免疫应答也有一定的影响。有学者发现，M2巨噬细胞分泌的CHI3L1与癌细胞质膜上的IL-13Rα2相互作用，可触发胃癌和乳腺癌中MAPK信号通路的激活。激活后，Erk和JNK信号会增强MMP的表达，而MMP会降解肿瘤微环境中的ECM，从而促进转移[7]。

另外，HE等[33]在黑色素瘤肺转移模型中证实了CHI3L1在肿瘤免疫中的重要作用，该试验在CHI3L1转基因小鼠中观察到IL-13Rα2 wt小鼠肺转移增加，而IL-13Rα2-/-或CHI3L1 Tg-/-老鼠肺转移数显著降低。证实了在黑色素瘤肺转移中，CHI3L1与IL-13Rα2的结合对于TGF-β的诱导作用是必要的，对于抑制免疫监视具有重要意义。纯化的CHI3L1蛋白通过激活ERK1/2和JNK信号通路，强烈诱导人结肠癌SW480细胞产生IL-8和CCL2，增强体外THP-1细胞的迁移，增加体内巨噬细胞向肿瘤组织的浸润[34]。此外，CHI3L1的缺失或靶向抑制可增强Th1效应细胞因子[干扰素-γ（interferon-γ，IFN-γ）、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）]的产生和细胞毒性T淋巴细胞反应，从而增强抗肿瘤免疫并减少肺转移。

3.4 CHI3L1在肿瘤治疗中的作用由于CHI3L1在多种类型肿瘤患者中过量表达，因此，其被作为肿瘤中潜在的诊断预后标志物和治疗靶点。FAIBISH等[35]发现在胶质瘤细胞U87中使用CHI3L1中和抗体可以有效抑制微血管管状内皮细胞形成，消除CHI3L1诱导的血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）受体2的表达，并通过阻断Akt通路加速γ射线诱导的胶质瘤细胞U87凋亡。另外，U87细胞在γ射线诱导下细胞死亡过程中能产生高水平的CHI3L1蛋白，而使用阻断CHI3L1活性单克隆中和抗体会能降低异种移植模型中的肿瘤生长、血管生成和转移。上述结果表明，中和抗体能有效抑制胶质瘤细胞的生长和转移。在另一项报道中，研究者在替莫唑胺耐药（temozolomide resistance，TMZR）胶质母细胞瘤中加入CHI3L1抑制剂，能有效抑制细胞侵袭活性并部分恢复对TMZ药物的敏感性。在添加抗CHI3L1抗体培养后可显著减少胃癌（MKN-45）和乳腺癌（MDA-MB-231）细胞的黏附、迁移和侵袭。在乳腺癌中，尤其是一种针对KR富集区域（残基334-345）的中和性抗CHI3L1抗体能够有效抑制血管生成和肿瘤细胞转移[36]。

除了抗CHI3L1特异性抗体和靶向化学抑制剂外，几丁质作为TH1佐剂和CHI3L1的配体，可以抑制CHI3L1的表达。有研究报道，在乳腺荷瘤小鼠模型中，几丁质治疗可减少促炎介质（CCL2，CXCL2和MMP-9）的诱导，抑制CHI3L1过表达诱导肿瘤生长和肺转移[37]。目前尚无开展针对CHI3L1抑制剂的临床实验，但随着对CHI3L1功能和调控机制的深入研究，CHI3L1在未来有望成为新的肿瘤靶向抑制目标。

4 总结

CHI3L1血清水平与多种人类癌症的不良预后之间的明确关联促使了对CHI3L1广泛的体外和体内研究，旨在剖析其参与致癌作用和肿瘤进展的机制。截至目前，已发表的研究揭示了CHI3L1在肿瘤细胞增殖、血管生成、炎症、侵袭和转移过程中几乎无可争议的支持作用，使其成为癌症治疗的新靶点。此外，CHI3L1自身嵌入β链的丙糖-磷酸异构酶桶状结构特点和类似凝集素结合的特性表明，其可通过与细胞表面蛋白聚糖上的细胞外成分和糖基结合来调节肿瘤进展。党的十八大以来，我国的卫生健康事业快速发展，肿瘤的防治工作取得了显著成效，对于癌基因和抑癌基因的探索更是不断突破，为健康中国建设夯实基础。尽管在探究CHI3L1功能方面取得了一定的成就，但关于其在人类肿瘤中的表达及与肿瘤预后的关联数据较零碎，需在未来进行深入研究。