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类型:技术文章 时间:2022-05-26
Hedgehog(Hh)信号通路在动物发育过程中起着关键的作用,在胚胎发育中细胞的生长分化、组织器官形成以及成体干细胞的维持和自稳态的保持等方面具有重要作用。该信号通路被异常激活时,会引起肿瘤的发生与发展。
1980年,Eric Wieschaus和Nusslein-Volhard在筛选影响果蝇胚胎发育的基因时,第一次发现了Hedgehog(Hh)基因[1]。这次发现,使他们获得了1995年的诺贝尔奖。Hh基因在果蝇中编码一种分泌型蛋白,这种Hh基因功能缺失性突变阻碍正常的分节,使果蝇的每个体节内原本无刚毛的部分也长出了刚毛,这让人联想到刺猬,因此被称为“刺猬”基因。
图1:Hedgehog通路概览[2]
Hedgehog蛋白加工
Hh基因在哺乳动物中的有三个亚型,分别是:sonic hedgehog (Shh),desert hedgehog (Dhh)和Indian hedgehog (Ihh)。在脊椎动物中,Shh主要在神经系统和多种上皮组织中表达,Ihh主要在骨骼发育中发挥作用,Dhh的表达仅限于外周神经系统和生殖器官。由于Shh表达广泛,人们对脊椎动物Hh信号的了解大多来自于Shh的研究[3]。Hh前体蛋白约为45kDa。在胆固醇存在的情况下,Hh前体蛋白在内质网中发生自身催化分裂,产生一个胆固醇修饰的N末端产物Hh-N(下图标记为N)和一个25kDa大小的C末端产物Hh-C(下图标记为C)。Hh-C被泛素分子标记后,最终被蛋白酶体降解。而胆固醇修饰的N末端产物Hh-N进入分泌途径,酰基转移酶(Hhat)会催化棕榈酸酯与Hh-N共价连接。最终,双重脂质修饰的Hh变成了具有信号转导功能的信号肽[3]。
图2:Hedgehog蛋白的加工过程[3]
Hedgehog信号通路
在没有Hh配体存在的情况下,跨膜12次的Patched(Ptc)蛋白主要分布于初级纤毛的基底上,Ptc会抑制Smo蛋白活性,Ptc使Smo一直处于非活性构象中。Gli-FL在细胞质中先与Sufu(suppressor of fused)结合,并进一步与PKA,GSK3,Kif7和CK1结合形成复合体,Sufu和Kif7会促进PKA、GSK3和CK1对Gli-FL的磷酸化,磷酸化的Gli-FL被E3泛素连接酶β-TrCP识别,随后被蛋白酶体加工成为转录抑制因子Gli-R,Gli-R进入细胞核内,抑制Hh靶基因转录。
在有Hh配体存在的情况下,Hh与Ptc结合后,Hh配体与Ptc的相互作用促进Ptc的内化和降解,从而解除了Ptc对Smo的抑制。Smo被GRK2和CK1磷酸化,诱发构象变化,随后Smo进入初级纤毛,使其在初级纤毛内积聚。在纤毛内部,激活的Smo促进Sufu-Gli复合体的解离,随后Gli-FL被转运到细胞核内。在细胞核内,Gli-FL经过修饰后变为一种转录激活剂Gli-A,激活Hh靶基因转录。
Shh在成人组织的细胞分化和增殖中发挥着重要的作用。但是Shh的异常激活与多种癌症的发生发展密切相关,包括乳腺癌,皮肤癌,脑癌,肝癌,胆囊癌等等。
图3:脊椎动物Hedgehog信号通路[3]
Hedgehog通路抑制剂
Hh信号通路抑制剂根据其靶向的蛋白不同,可以分为以下几类:1.Smo抑制剂:在有Hh配体存在的情况下,Hh与Ptc结合会解除Ptc对Smo的抑制。但当抑制剂抑制了Smo蛋白的活性后,Gli对Hh靶基因转录的激活作用也会被抑制,从而可以抑制Hh信号通路对肿瘤的促进作用。
1998年发现了第一个Hh信号通路的抑制剂Cyclopamine 。随后在2012年,GDC-0449 (Vismodegib)成为了第一个被FDA批准的Hh信号通路抑制剂,用于治疗多种癌症。2015年,LDE-225 (Erismodegib)被FDA批准用于治疗基底细胞癌。
2.Gli抑制剂:Gli转录因子是Hh信号通路的下游效应分子,因此,抑制Gli可以直接消除Hh信号通路对肿瘤的促进作用。已有实验证明,GANT 61和GANT58 可以抑制骨肉瘤,神经母细胞瘤和卵巢癌等多种癌症的发生发展。
3.Hh蛋白抑制剂:RU-SKI 43 是酰基转移酶抑制剂,酰基转移酶在Hh蛋白形成过程中发挥重要的作用,因此抑制酰基转移酶可以直接减少Hh的生成。
表1:临床研究中的Hedgehog信号通路抑制剂[4]
Hh信号通路在肿瘤的发生发展中发挥着极其重要的作用,但是Hh信号通路的调节机制很复杂,新的机制不断被发现,因此需要我们进一步探索Hh信号通路的传导途径及调控。而且随着多种抑制Hh信号通路的小分子化合物被FDA批准用于治疗癌症,以Hh信号通路作为靶点治疗癌症得到了越来越多的研究人员的关注,Hh信号通路抑制剂的研发已经成为了近几年抗肿瘤药物研究的热点。
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参考文献:
1. Zheng X , Zeng W , Gai X , et al. Role of the Hedgehog pathway in hepatocellular carcinoma (Review)[J]. Oncology Reports, 2013.
2. http://ilovepathology.com/sonic-hedgehog-pathway/
3.Ryan K E , Chiang C . Hedgehog Secretion and Signal Transduction in Vertebrates[J]. Journal of Biological Chemistry, 2012, 287(22):17905-17913.
4.https://clinicaltrials.gov/ct2/home