CHI3L1在胶质瘤诊治中的研究进展

樊鹏伟，赵学明

胶质瘤是颅内常见的恶性肿瘤，分为低级别胶质瘤[LGG、世界卫生组织(WHO)Ⅰ级或Ⅱ级]和高级别胶质瘤(HGG、WHOⅢ级或Ⅳ级)两类，其中，低级别胶质瘤生长侵袭相对缓慢，高级别胶质瘤则以快速生长和侵袭正常脑组织为特征[1]。高级别胶质瘤主要包括多形性胶质母细胞瘤和间变性星形细胞瘤，两者的中位总生存期分别为15个月和3年[2]。胶质母细胞瘤(GBM)是最致命和最具侵袭性的脑肿瘤类型，其特点是高度血管化的肿瘤和对放化疗耐药[3]。尽管近年来在胶质瘤的治疗方面有外科干预、放化疗及更多新型疗法的出现，但病人的临床预后仍不佳。研究表明，胶质瘤病人血清壳多糖酶3样蛋白1(chitinase-3-like protein 1，CHI3L1)浓度明显升高，且血清CHI3L1水平与胶质瘤病人的不良预后明显相关[4]。因此，CHI3L1有望成为胶质瘤的新型生物标志物及治疗靶点。

1 CHI3L1的生物学结构与功能

人类CHI3L1基因位于1q32.1染色体上，包含7 498个碱基对和10个外显子，在人群中发现了3个启动子单核苷酸多态性(SNP，rs4950928，rs10399805和rs10399931)，1个非同义SNP(rs880633)和4个内含子SNP(rs1538372，rs2071579，rs946259和rs2275353)与血清水平相关联，处于或低于全基因组关联的上游水平[5]。天然蛋白质的晶体结构表明，CHI3L1由(β/α)8-桶状折叠组成，具有β+α结构域插入物，这对其在生理和病理过程中的功能至关重要[6]。由于存在以分泌形式出现的3个N末端氨基酸残基酪氨酸(Y)、赖氨酸(K)和亮氨酸(L)，分子量为40 kDa，由此也命名为YKL-40。CHI3L1是哺乳动物几丁质酶样糖蛋白家族的成员，是一种由于几丁质酶活性位点对应区域的氨基酸被取代而缺乏几丁质酶活性的凝集素[7]。CHI3L1由多种细胞类型产生，包括巨噬细胞、中性粒细胞、软骨细胞、平滑肌和内皮细胞[8]，以及几种类型的癌细胞，如乳腺癌、骨肉瘤、卵巢癌、肺癌和胶质母细胞瘤[9-10]。其在组织损伤、炎症、组织修复和重塑反应中发挥重要作用[11]。研究发现，多种疾病病人的血清YKL-40水平的升高与不良结局相关[12]，如哮喘、结节病、类风湿性关节炎、肝硬化和动脉粥样硬化斑块以及乳腺癌、结肠直肠癌、卵巢癌、肾癌、前列腺癌、小细胞肺癌、黑色素瘤及神经胶质瘤等恶性肿瘤[13]。

2 CHI3L1对胶质瘤的影响

2.1 CHI3L1对于胶质瘤血管生成的影响 胶质母细胞瘤是最致命的癌症之一，其特征是具有很强的血管化表型[3]。肿瘤血管生成的典型特征是内皮细胞的新生血管小管形成，然后是血管支持细胞的壁细胞腔隙性募集[14]。Francescone等[3]小鼠模型的研究表明，YKL-40具有诱导膜受体syndecan-1和整合素αvβ5的协同作用，并通过FAK397激活ERK-1和ERK-2的信号级联反应，导致血管内皮细胞生长因子(VEGF)升高，促进血管生成；还发现YKL-40不仅可作为一种独立的血管生成诱导因子，而且具有促进VEGF表达的能力，对血管生成具有协同作用，并且持续抑制VEGF会导致YKL-40上调，从而刺激血管快速恢复和肿瘤的重新生长，这增加了抗VEGF治疗的耐药性。Shao等[14]研究了YKL-40在壁细胞介导肿瘤血管生成中的潜在作用，通过在异体移植的脑肿瘤模型中使用抗YKL-40中和抗体(mAY)及电离辐射(IR)的组合可显著抑制肿瘤生长并增加小鼠的存活率，mAY被证明通过N-钙黏蛋白与β-连环蛋白的解离消除壁细胞介导的血管稳定性并增加血管通透性，从而抑制血管生成。在YKL-40表达与肿瘤血管形成的相关性分析中，通过对内皮细胞标志物CD31进行免疫组化染色，显示YKL-H(YKL高表达)的血管密度是YKL-L(YKL低表达)的2.5倍，YKL-H中观察到的血管直径是YKL-L中的2.4倍。这些数据都提示YKL-40在肿瘤中的表达可能与血管稳定性和血管生成有关。

2.2 CHI3L1对胶质瘤细胞生长与增殖的影响 一些研究通过软琼脂转化试验来测量细胞是否可以进行锚定非依赖性生长，与不表达CH3L1的U373MG细胞系相比，表达内源性CH3L1的U87MG细胞系在软琼脂中的集落形成能力更高，表明CHI3L1可以调节锚定非依赖性生长[12]。Kavsan等[15]的研究同样发现，293-CH3L1细胞系在软琼脂中生长成大量的菌落，这种特性在用空载体转染的细胞或用稳定产生绿色荧光蛋白的载体转染的细胞中没有观察到；其体内试验数据表明，仅CHI3L1的过表达就足以使293细胞系在Wistar大鼠脑中致瘤，而在注射空载体转染的293细胞大鼠中没有观察到肿瘤生长。Pelloski等[16]研究发现，YKL-40和活化的蛋白激酶B(Akt)途径与丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)中间体之间存在正相关，而促分裂MAPK和Akt途径成员的激活已显示出促进细胞增殖、存活和抗辐射的能力，这也支持了体外实验数据，向结缔组织细胞中添加YKL-40蛋白会通过激活Akt和MAPK途径导致细胞增殖增加。关于突变的IDH1抑制剂如何增加细胞生长的研究发现，突变的IDH1抑制剂激活致癌转录因子STAT3导致突变IDH1表达细胞中BCAT1和YKL-40水平的增加，观察到STAT3过表达和白细胞介素-6(STAT3激活剂)治疗增加了BCAT1和YKL-40水平，从而增加了细胞生长[17]。

2.3 CHI3L1对胶质瘤侵袭与迁移的影响 肿瘤细胞的侵袭性是一个复杂的多步骤过程，包括细胞从其原始位置脱离，黏附到细胞外基质蛋白，细胞外基质的蛋白水解和细胞通过破坏基质的迁移。Ku等[12]评估了体外胶质瘤模型中CHI3L1的表达，证明了CHI3L1通过调节黏附、肌动蛋白细胞骨架重排与基质金属蛋白酶-2(MMP-2)的表达和活性来调节胶质瘤细胞的侵袭。Lee等[18]在核转录因子(RelB)与间叶胶质瘤的关系研究中观察到，高表达RelB与胶质瘤细胞存活率相关，而且也是YKL-40和OLIG2表达的正调控因子，可以促进胶质瘤细胞运动和侵袭。Pinet等[19]通过shRNA在U87-MG细胞系中进行了YKL-40灭活，数据显示脑微血管内皮细胞增殖和诱导迁移能力显著降低，并且获得了低侵袭表型。有研究提出了慢循环/静止细胞亚群的概念，这些细胞与同一培养物中的其他细胞相比，表现出增强的迁移和侵袭、侵袭足活性和细胞外基质降解酶的分泌，而通过RNAseq表达分析发现了CHI3L1在这些细胞中过度表达，并与GBM病人存活率低密切相关[20]。

2.4 CHI3L1对胶质瘤细胞存活与凋亡的影响 研究发现，γ-射线照射U87细胞增加了YKL-40的表达，YKL-40通过激活Akt来加速细胞死亡[3]。Yao等[21]研究表明，CHI3L1在胶质瘤干细胞(glioma stem cells，GSCs)中的表达水平高于GBM，提示CHI3L1在GSCs中具有致癌作用，同时发现通过高表达miR-101下调克虏伯像因子 6(Kruppel like factor 6)来抑制CHI3L1表达，显示KLF6通过与启动子区域推测的结合位点2结合促进CHI3L1的启动子活性，而CHI3L1表达降低可能阻断丝裂原活化蛋白激酶(MEK)1/2和磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)信号通路的激活，从而抑制GSCs的增殖、迁移、侵袭，促进其凋亡。Ku等[12]通过对体外胶质瘤模型研究发现，CHI3L1可能通过抑制神经胶质瘤细胞失巢凋亡相关途径，赋予在侵袭过程中无锚定情况下存活的能力，并且CHI3L1表达保护胶质瘤细胞免受顺铂、依托泊苷和阿霉素诱导的细胞凋亡。这些研究都表明CHI3L1可能是一种抗凋亡因子。

3 CHI3L1作为恶性胶质瘤的生物标志物

多项研究表明，CHI3L1是恶性胶质瘤中最有吸引力的诱导基因之一[1，10，13，22]。Tanwar等[23]通过基因表达芯片分析结果表示，正常受试者和GBM病人之间以及低级别胶质瘤和GBM病人之间YKL-40血清浓度存在显著差异。随后Iwamoto等[22]进行了一个较长时期的大样本人群跟踪调查，收集了343例胶质瘤，包含1 740份病人血清，证实了YKL-40的升高与间变性胶质瘤和胶质母细胞瘤的生存不良明显相关。Zhang等[13]对210例WHOⅠ-Ⅳ级原发性星形细胞瘤病人的YKL-40蛋白表达水平进行检测，结果显示YKL-40免疫反应评分随着病理分级的增加而显著增加。这些研究都提示CHI3L1的血清水平在高级别胶质瘤病人中显著升高[24]。

Steponaitis等[8]研究发现，CHI3L1在所有胶质瘤类型中GBM的表达水平最高，这表明CHI3L1在胶质瘤恶性过程中表达水平逐渐上调。Kazakova等[24]通过基因分析、免疫组化和酶联免疫吸附测定法(ELISA)检测了36个神经胶质瘤病人(星形细胞瘤Ⅲ级，GBM)的YKL-40血清浓度，结果发现YKL-40浓度随肿瘤等级升高而上调，并与转录率呈正相关，而且YKL-40浓度在GBM中最高。这也证明了YKL-40在GBM中表达强于其他类型胶质瘤[24]。与之不同的是Holst等[25]基于YKL-40对肿瘤微环境并参与免疫调节的基础上，对全血DNA进行CHI3L1 rs4950928基因分型分析后发现，在复发性GBM病人中，高血浆YKL-40有望作为其预后标志物。

Deluche等[26]使用TaqMan低密度阵列确定了CHI3L1与IDH状态和1p/19q共缺失具有相关性，影响胶质瘤病人的预后，并且在癌症基因组图谱(TCGA)数据库的大型独立队列中得到验证。Tang等[27]基于基因表达和DNA甲基化数据集分析了胶质母细胞瘤病人的关键生物标记物和途径，观察到在GBM组织中CHI3L1的mRNA表达显著更高，并且CHI3L1 mRNA水平的降低与有利的总生存(OS)相关，此外，ROC曲线分析表明其可以作为区分GBM病人和健康对照的有价值的生物标志物。另外也有研究发现，将血清CHI3L1和骨桥蛋白(OPN)蛋白表达值和肿瘤异柠檬酸脱氢酶1(IDH1)突变状态整合到一个参数中，可以预测低级别星形细胞瘤病人的两年生存率，准确率为93.8%[28]。有研究利用液体活组织检查进行分子诊断，倾向于在不需要侵入性手术组织累积的情况下重复监测肿瘤演变和脑恶性肿瘤的治疗反应，实施了基于质谱的蛋白质分析管道，通过将脑脊液CSF数据与匹配胶质母细胞瘤肿瘤组织和原发性胶质母细胞的蛋白质分析相结合，确定了(CHI3L1)和胶质纤维颤动酸性蛋白(GFAP)作为胶质母细胞瘤的潜在CSF生物标志物，并且该发现在由35例胶质瘤病人组成的前瞻性群体中得到验证[4]。这些都为CHI3L1可能成为胶质瘤的生物标志物提供了重要依据。

4 CHI3L1对胶质瘤耐药与治疗的意义

Chandra等[29]通过成对的病人标本和贝伐单抗耐药的异种移植物模型进行耐药性分析，在对贝伐单抗耐药的GBM病人单细胞测序中证实了间充质基因的上调，特别是糖蛋白YKL-40和转录因子盒结合锌指蛋白1(ZEB1)，提示这些变化是治疗诱导的，提出了以YKL-40作为耐药生物标志物的观点，以ZEB1作为预防耐药的靶点，可以实现抗血管生成治疗的前景。在Cardona等[30]的研究发现了YKL-40高表达与更差的预后以及对卡莫司汀(BCNU)/贝伐单抗的反应减弱有关，建议高YKL-40表达病人不使用抗血管生成疗法。

O6-甲基鸟嘌呤DNA甲基转移酶(MGMT)启动子甲基化是GBM病人替莫唑胺(TMZ)耐药的重要预后指标。研究发现，在替莫唑胺耐药(TMZ-R)胶质母细胞瘤病人中，CHI3L1抑制了侵袭活性并部分恢复对TMZ的敏感性[9]。信号转导与转录活化因子3(STAT3)的抑制剂STX-0119阻断STAT3导致CHI3L1表达降低，并抑制TMZ-R U87细胞系生长，使用哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)抑制剂雷帕霉素和STAT3抑制剂的组合靶向CHI3L1-STAT3-mTOR信号通路对TMZ-R复发性胶质瘤具有显著的生长抑制作用[31]。Chen等[32]通过建立并研究了6例病人的IDH1/2野生型胶质母细胞瘤干细胞样细胞(GSCs)，以进一步确定YKL-40和MGMT启动子甲基化的潜在相互作用，证明了YKL-40在人IDH1/2野生型GSCs中有不同的功能。在MGMT启动子甲基化(MGMT-m)的GSCs中，其是一个抑癌基因，另一方面，在MGMT启动子非甲基化(MGMTum)GSCs中，其促进了肿瘤的发生，而且这个过程涉及RAS-MEK-ERK通路。YKL-40通过激活MGMT-m-GSCs中的DNA损伤反应(DDRs)介导TMZ敏感性，并通过抑制MGMT-um-GSCs中的DDRs介导对TMZ的抗性。研究发现，CHI3L1围分泌期GBM的缺氧表型中发挥关键作用，并且与GBM微环境中的免疫细胞浸润显著相关[33]。而且发现CHI3L1与半乳糖凝集素3(Gal3)的结合促进TAM迁移和浸润，癌症内在的CHI3L1信号上调可通过重新编程肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)来调节免疫抑制微环境，揭示了CHI3L1蛋白复合物在胶质母细胞瘤免疫逃避中的作用，并作为GBM的潜在免疫治疗靶点[34]。

5 小结与展望

综上所述，胶质瘤的治疗目前仍是一个重大的医学难题。虽然相关实验研究已经证实CHI3L1对于胶质瘤的病理分级、亚型分化都有重大影响，尤其是胶质母细胞瘤。随着生物信息及高通量技术的进步，以及各种癌症基因组数据库的完善，发现CHI3L1与MGMT启动子甲基化、IDH状态和1p19q共缺失具有相关性，这些都提示其可作为潜在血清生物标志物。而且最新的脑脊液蛋白组学分析揭示CHI3L1可作为GBM的潜在脑脊液生物标志物，但仍需要大量临床数据去验证。研究已经证实CHI3L1作为免疫调节因子参与了肿瘤微环境，也在胶质瘤细胞的增殖、侵袭、凋亡各通路上发挥重要作用，但仅仅靠已知的这些还是不够的，尚需要进一步研究CHI3L1在GBM微环境中的构成作用以及各个信号通路中的更确切的作用。随着免疫靶向治疗的发展，CHI3L1可能会为胶质瘤的治疗作出贡献。今后对癌细胞的基因表达谱、蛋白质相互作用、转录后调控等各层次的数据资料整合，可为胶质瘤病人个体化分子病理诊断和治疗提供依据。