第三节 Hedgehog信号通路
一、Hedgehog信号通路简介
Hedgehog基因是一种分节极性基因，该基因突变的果蝇幼虫体表出现许多刺突，酷似受惊的刺猬，故命名为Hedgehog。其编码的Hh家族蛋白是分泌性蛋白，在动物发育中起重要作用。哺乳动物中存在三个Hedgehog的同源基因：Sonic Hedgehog（SHH）、Indian Hedgehog（IHH）和Desert Hedgehog（DHH），分别编码Shh、Ihh和Dhh蛋白。Hedgehog蛋白家族成员均由氨基端结构域（Hh-N）及羧基端结构域（Hh-C）组成，其中羧基端结构域具有蛋白水解酶活性及胆固醇转移酶功能，而信号转导功能则由氨基端结构域行使。
Hedgehog信号传递受两个膜受体 Patched（Ptc）和 Smoothened（Smo）介导（图 7-3）。Ptc受体是一种12次跨膜蛋白，由抑癌基因Patched编码，有Ptc1和Ptc2两种形式。该受体能与配体直接结合，对Hh信号起负调控作用。Smo受体则为7次跨膜蛋白，由原癌基因Smothened 编码，属于G蛋白偶联受体，具有结构的保守性。该受体N端位于细胞外，C端位于细胞内，跨膜区氨基酸序列高度保守，C末端的丝氨酸与苏氨酸残基为磷酸化部位，被蛋白激酶催化时结合磷酸基团。
Hedgehog信号途径的转录因子是Gli，具有锌指结构，分子量155kD。Gli家族包含3个成员，Gli1、Gli2和Gli3。Gli均有5个高度保守的串联锌指结构及组氨酸—半胱氨酸相连接的序列。其中，Gli1仅具有激活功能，而Gli2、Gli3则同时具有激活和抑制功能。Gli-2和Gli-3的C末端是转录激区，能够与其他分子相互作用，并将其定位于细胞质内；而N末端则是转录抑制区，介导Gli向细胞核内转移。在胞质中Gli与其他蛋白形成复合体，这些蛋白包括：Fu（Fused，一种丝氨酸/苏氨酸激酶）、Cos（Costal，一种能将复合体锚定在微管上的蛋白）和SuFu（suppressor of Fused，适配蛋白）。在没有Hedgehog信号时，Gli依次被PKA、GSK3及CK1磷酸化，并水解为75kD的N末端抑制片段（GliRep），进入细胞核抑制Hedgehog信号响应基因。当Hedgehog与Ptc结合时，Gli的降解被抑制，从复合体中释放出来，全长的Gli进入细胞核中，启动相关基因表达，这些基因包括Wnt和Ptc。Ptc的表达又会抑制Smo，从而抑制Hedgehog信号，成为一种反馈调节。
二、Hedgehog信号通路在干细胞中的作用
Hedgehog信号通路在胚胎早期发育中发挥重要作用。IHh在小鼠卵黄囊发育中，对原始造血生成及血管发生起关键作用，能介导造血干细胞及骨髓基质细胞间的转化，使体外原始造血干细胞稳定增殖。DHh则参与调控精细胞发育。近年研究也表明，Hedgehog信号通路参与了间充质干细胞多向分化调控，对成骨、成软骨和成脂分化有不同的调节作用。
HH信号通路还对干细胞的维持、分化和自我更新至关重要。在成体胃组织中，Hh信号通路能够诱导胃干细胞的分化。在小鼠中，抑制Hh信号通路将导致上皮增殖60%～70%。HH信号通路还能够促进造血干细胞、神经干细胞和表皮干细胞等的增殖和维持。
三、Hedgehog信号通路的异常与肿瘤
正常情况下Hedgehog信号通路调控者胚胎期组织细胞的生长分化，胚胎发育成熟后，进入失活状态，此时，Smo蛋白的活性被抑制。早期研究发现，痣样基底细胞癌综合征患者存在Ptc1基因的突变，突变后的Ptc失去正常功能，不能抑制Smo活性，使得该通路持续活化，导致肿瘤的发生。而后续的研究发现，Ptc基因突变只是该通路在肿瘤中活化的机制之一，通路关键分子的变化都可能导致通路的活化。已发现的活化形式包括Hedgehog配体的自分泌和旁分泌（肿瘤细胞分泌和基底细胞分泌）增多；Ptc突变；Smo突变；Sufu突变以及Gli的激活。
应用Hh通路特异性抑制剂环巴明（Cyclopamine）还发现，内胚层起源的器官的肿瘤生长需要Hh通路的活性。这些癌症包括食管、胃、胰、胆道和前列腺癌和小细胞肺癌。David M Berman 等甚至认为在所有的消化道肿瘤中，Hh信号系统的激活是普遍需要的。近年来多项研究发现，在皮肤基底细胞癌、髓母细胞瘤、肺癌、消化道肿瘤、乳腺癌、前列腺癌、卵巢癌、子宫内膜癌等肿瘤组织中都存在着Hedgehog信号通路的异常激活，但该通路到底通过何种机制促进肿瘤发生发展仍不清楚。Gli作为转录因子，其下游基因包括调节细胞增生和分化的基因（如 CCND1、Myc、Wnts、RdgfRa等）、促进细胞自我更新的基因（Bmi1、Nanog）、血管生成相关基因（VEGF）、上皮细胞间质转化基因（Snail1、Sip1、Elk1）以及侵袭基因（Osteopontin）。这些均提示异常激活的Hh信号通路在肿瘤发生、发展过程中起到重要作用。
四、Hedgehog信号通路在肿瘤及肿瘤干细胞中的作用
Hh信号通路在胶质母细胞瘤、乳腺癌、胃癌、胰腺癌、多发性骨髓瘤、慢性髓性白血病等参与肿瘤干细胞的调控。有研究结果表明，SHH信号通路在乳腺癌干细胞中表现为持续的激活状态，Bmi-1作为SHh信号通路的下游靶基因被激活，诱导乳腺癌干细胞的自我更新。Hh信号通路还可以直接作用于内皮干细胞，促进血管生长因子的产生，诱导血管生成。近期研究表明，Hh信号对维持胃癌干细胞作用重大。在胃癌细胞中，CD44+CD24+细胞相较于CD44-CD24-细胞具有自我更新和不对称分裂的能力，并且Shh、Ptch和Gli3均高表达。利用环巴胺或者5E1抗体阻断Hh信号通路，则可有效降低干细胞的自我更新能力。
在慢性粒细胞性白血病中，Hh信号通路对维持肿瘤干细胞也具有重要作用。Smo缺失可以刺激细胞命运决定因子NumB的表达，抑制造血干细胞的更新，减少Bcr-ABL1癌蛋白质诱导的慢性髓性白血病（CML）。药理性抑制Hh信号，不仅能够抑制野生型BCR -ABL1诱导的CML，还可以减缓伊马替尼耐药小鼠和人类CML的发展。这些数据表明，造血系统正常和肿瘤干细胞的维持需要Hh通路活性。同时也提出一种可能性，即以这一重要的干细胞维持途径作为靶点，可能避免以伊马替尼治疗CML时出现的耐药和疾病复发。
此外，肿瘤的发生发展与慢性炎症相关，在炎症修复的过程中发现持续活化的Hh和Wnt通路，使干细胞处于持续的无条理的分化状态。
五、Hedgehog信号通路中可能的治疗靶点及现状
SMO受体是药物设计的潜在靶标，它对于哺乳动物发育早期的正确生长很重要。如果SMO受体的活性存在缺陷，动物就会在子宫内出现严重的畸形。1957年人们发现，如果羊食用了含环巴胺cyclopamine的植物，其后代会出现独眼畸形。2000年，斯坦福大学的研究者Philip Beachy和Matthew Scott在《自然》（Nature）上发表文章指出，环巴胺抑制的是SMO受体。2012年1月30日，Vismodegib（GDC-0449）经美国食品与药品管理局（FDA）批准上市。该药品是首个口服的、具有高选择性的SMO受体小分子抑制剂，适用于不能手术或放疗的局部晚期皮肤基底细胞癌患者和肿瘤已转移的患者。目前，针对不同癌症的Hedgehog信号通路抑制剂（LDE225、saridegib 、BMS 833923、LEQ 506 、PF-04449913 和 TAK-441）均作为肿瘤的治疗药物进入Ⅰ期和Ⅱ期临床研究。
近年来，Scripps研究所的科学家们，解析了人类SMO受体结合小分子拮抗剂时的跨膜区域，获得了高分辨率的晶体结构。他们发现SMO受体具有结构保守性（structural conservation），尽管SMO受体与传统A类GPCR之间的同源性不到10%，但是它们的分子结构几乎一模一样。SMO受体的晶体结构，为研究者们开发新分子治疗癌症和其他疾病带来新的曙光。
结论及展望
肿瘤干细胞概念的提出为理解肿瘤的发生提供了新的思路，肿瘤干细胞的深入研究也为肿瘤的治疗提供了全新的、有潜力的靶点。但是，是否可以真正解决肿瘤中的问题还是未知。因为肿瘤干细胞不是一成不变的，它会在肿瘤微环境的压力下随着时间变化，因此其本身也是一个动态演进的、变化的群体。另外，由于肿瘤干细胞与正常干细胞的相似性，如何保护正常干细胞免受抗肿瘤治疗的影响成为亟待解决的问题。但我们相信随着对肿瘤干细胞来源、发生及其调控机制的深入研究，我们会进一步理解肿瘤的本质，并能找到更加有效的、有针对性的抗肿瘤方案和策略。
（汪红英 马怡茗 韩文晓 李伟伟 杨 澜）