靶向癌症干细胞信号通路和肿瘤微环境的研究进展综述

亮点

• 实验室研究的结果表明，CSC在介导癌症对治疗、肿瘤复发和转移的抵抗力中起着基本作用。

• CSC中影响和控制细胞更新/分化的重要信号通路，包括Notch，WNT和Hedgehog通路。

• 与WNT途径的串扰导致了多种恶性肿瘤中Hippo通路核心成分异常的分子表征；Hippo通路的下游分子YAP1和TAZ的转录共激活或共抑制作用是多种信号通路的重要调控枢纽，并具有潜在的背景依赖性致癌基因或肿瘤抑制活性。

Notch信号通路

Notch信号是高度保守的决定细胞命运的通路，其功能与癌症生物学的许多方面有关，包括CSC的表型、血管生成、转移和肿瘤免疫逃逸。Notch信号通路通过将一个细胞上的跨膜配体（Delta-like配体1（DLL1），DLL3，DLL4，Jagged1或Jagged2）与相邻细胞上的Notch受体旁系同源物（Notch1，Notch2，Notch3或Notch4）结合而发生（图1）。Notch信号通路的重要靶标基因包括HES基因家族（其功能与CSC表型有关，是转录阻遏物），原癌基因MYC和CDKN1A（编码CDK抑制剂1，一种细胞周期和凋亡的抑制剂）。

目前，已在多种癌症类型中发现了表达异常的Notch信号通路。有趣的是，Notch通路的致病作用似乎取决于肿瘤类型。在T细胞急性淋巴细胞白血病和大多数实体瘤中，Notch信号的异常激活促进了肿瘤发生。相反，该信号通路在髓样恶性肿瘤中具有抑制肿瘤的作用，并且在急性粒细胞白血病中被发现下调。

Notch信号通路具有多样性和复杂性两方面的特征。Notch通路的靶标可能同时影响除CSCs和成熟肿瘤细胞以外的多种细胞类型，包括免疫细胞和血管内皮细胞，具有潜在的有利作用（例如抑制血管生成）和不利作用（例如毒性或抑制抗癌免疫力）。开发靶向Notch信号通路的治疗药物将需要从机制上理解Notch信号在特定癌症中的作用，理想情况下还需要结合基于机制的联合用药方案。

图1 Notch 信号通路及在肿瘤研究中常用的抑制剂

Notch信号通路的抑制剂（详见表1）：

• γ-分泌酶抑制剂；

• 抗Delta-like配体抗体；

• 靶向Notch信号的单克隆抗体；

• 干扰Notch信号转录复合物的药物。

表1

Wnt信号通路

WNT信号级联有三个主要途径：1. 经典的WNT通路，涉及β-连环蛋白（β-catenin），T细胞特异性转录因子（TCF）和淋巴增强剂结合因子（LEF）；2. 非经典型的（非β-catenin）平面细胞极性通路，参与细胞骨架的调节；3. 非典型的WNT-钙信号通路，该通路参与细胞内钙水平的调节。在人类组织中，WNT家族由19种脂质修饰的分泌糖蛋白组成，作为至少10种Frizzled（Fzd）家族亚型及其各种受体的配体，后者主要是低密度脂蛋白受体相关蛋白5（LRP5）和LRP6。这些配体和受体复合物之间的相互作用破坏了β-catenin复合物结构，从而导致β-catenin在细胞质中积累。随后，β-catenin转运至细胞核，激活TCF-LEF转录复合体，导致多种基因的表达，在细胞命运决定、增殖和迁移中起作用（图2）。WNT可以以非β-catenin通路的方式激活其他非典型途径。WNT还具有免疫调节功能，与各种癌症的发病机制有关。

WNT通路的功能与癌症具有显著的相关性。WNT信号在大多数结直肠癌（CRC）中上调，最常见的原因是腺瘤性息肉病大肠杆菌蛋白（APC）功能丧失，其中约50％是由于APC突变。APC参与破坏β-catenin复合物的泛素化和降解过程（图2）。APC的功能丧失导致β-catenin在细胞蓄积和β-catenin–TCF–LEF复合靶基因的上调。E3泛素连接酶ZNRF3和RNF43是WNT信号传导和促进Fzd受体降解的重要负反馈调节剂，在CRC和子宫内膜癌中也能检测到RNF43突变。诱导WNT信号Dickkopf相关蛋白1（DKK1）的内源性抑制剂或抗Fzd抗体治疗均可以延迟胰腺导管腺癌（PDAC）的进展。此外，临床前证据表明，涉及RNF43的突变与PDAC细胞系对Porcupine抑制剂的敏感性有关。R-spondins（RSPO）可作为ZNRF3和RNF43的拮抗剂，并且在患有子宫内膜癌、卵巢癌、胃癌或结直肠癌的患者中报道有涉及服用RSPOs的复发性易位。例如，在多达10％的CRC中已经描述了涉及RSPO3的基因突变和基因融合。

在肝细胞癌（HCC）中，有研究发现当β-catenin本身发生突变时可导致WNT信号表达异常，其中经典WNT信号通路的激活被认为是由于CTNNB1的突变（编码 β-catenin）所造成的，后者导致WNT通路靶基因的过表达。此外，在其他癌症中也鉴定出含有β-catenin突变，包括子宫内膜样卵巢癌、大肠癌和黑色素瘤。在动物模型中，增加的WNT信号被发现可促进黑色素瘤的发展，与临床数据一致。

WNT信号转导的失调在血液系统恶性肿瘤中也起着重要作用。在急性粒细胞白血病（AML）小鼠模型中，WNT信号转导的失调是白血病干细胞（LSC）前体转化中重要的继发性事件。AML中常见的染色体易位产物，如AML1-ETO，MLL-AF9和PML-RARα融合蛋白，可激活AML细胞和AML细胞系中的经典型WNT信号通路。有证据表明，AML中也可能发生内源性WNT途径抑制剂（如DKK1和DKK2）的表观遗传沉默，并导致WNT通路活性增加。WNT信号异常也与多发性骨髓瘤（MM）的发病机制有关，有趣的是，涉及核心WNT通路成分的突变却在MM中很少见，MM中的通路异常似乎与WNT调节成分的遗传和/或表观遗传学改变有关，前者可致使MM细胞对来自骨髓微环境分泌的WNT配体敏感性增加。在慢性粒细胞性白血病（CML）中，BCR-ABL1融合蛋白可通过物理性的相互作用稳定β-catenin并增强其核定位。WNT信号还与慢性淋巴细胞性白血病（CLL）有关，目前已在CLL样本中鉴定出与WNT相关基因的突变以及WNT抑制因子（如DKK1和DKK2）的表观遗传沉默现象。

图2 Wnt信号通路及在肿瘤研究中常用的抑制剂

Wnt信号通路的抑制剂（详见表2）:

• 配体或受体靶向剂；

• Porcupine抑制剂；

• 促进β-catenin蛋白降解的药物；

• β-catenin蛋白介导的基因表达拮抗剂。

表2

Hedgehog（HH）信号通路

HH信号通路在胚胎发育中具有重要作用，该通路在成人组织中的异常表达已被发现与多种实体瘤有关。HH信号在肿瘤早期的造血过程中也起着关键作用，并且可能参与非恶性肿瘤造血和造血干细胞的维持。

分泌HH配体的细胞加工并释放各种HH配体，后者主要以旁分泌方式结合跨膜受体Patched 1（PTCH1）和PTCH2116，从而抑制其对平滑肌的抑制活性（SMO）（图3）。随后，HH的信号级联反应导致GLI转录因子激活与核定位，从而驱动HH靶基因的表达，这些靶基因大多数与细胞增殖、存活和血管生成有关。

HH通路的失调在皮肤基底细胞癌（BCC）的肿瘤发生中起重要作用。由于PTCH1的功能丧失性突变或SMO119的功能获得性点突变，几乎所有肿瘤都会发现有HH通路的异常激活（> 90 ％患病率）。异常的HH信号传导与髓母细胞瘤肿瘤的一种亚型（SHH亚型）有关，后者主要发生在儿科患者中，约占所有髓母细胞瘤的30％。SHH亚型的预后要比上述WNT亚型的预后差。尽管如此，研究已经在SHH-亚型髓母细胞瘤患者中发现了对HH信号抑制剂的有效反应。

异常表达的HH信号在多种血液系统恶性肿瘤的维持和发展中也起着重要作用，其作用因癌症类型而异。例如，已经在骨髓LSC中鉴定出异常的HH信号传导，并且HH通路成分的表达增加与AML细胞系对化疗抗性有关。通过涉及FLT3和PI3K的非经典型HH信号转导，AML患者中GLI2的表达增加，并且已发现通过增强STAT5信号转导和骨髓祖细胞在骨髓中的增殖可促进疾病的发展。因此，在AML小鼠模型中，对FLT3和HH信号传导的抑制都具有抗白血病活性。HH信号在CML中也被发现被激活，并促进了对BCR-ABL1 TKI具有抗性的BCR-ABL1阳性LSC的扩增。因此，HH信号通路与CML的发展进程有关。类似地，HH通路在MM干细胞区中被激活，并且这些药性干细胞的克隆扩增可以通过药理学抑制MM细胞系中的HH信号通路来消除。在CLL中，HH通路下游分子GLI1，GLI2，SUFU和BCL2的表达也被上调，并被发现与疾病的进程相关。有证据表明在CLL细胞中HH信号通路对GLI1的表达具有收敛作用。在弥漫性大B细胞淋巴瘤中， HH信号通路与化疗耐药有关。

图3 HH信号通路及在肿瘤研究中常用的抑制剂

HH信号通路抑制剂（详见表3）：

• SMO抑制剂；

• GLI转录活性的拮抗剂。

表3

Hippo信号通路

Hippo信号通路的功能是平衡细胞的增殖和凋亡能力，这一信号通路在进化上相当保守。典型的Hippo信号通路的核心由两个激酶复合物组成，第一个包含MST1和MST2（MST1 / 2），第二个包含LATS1和LATS2（LATS1 / 2），以及衔接蛋白SAV1和MOB1。这些激酶介导的磷酸化事件导致下游转录共激活因子YAP1和TAZ在胞质中的滞留和降解，从而抑制了参与细胞生长、存活（防止凋亡）、迁移、自我更新和EMT170靶基因的转录（图4）。在终末分化细胞中，YAP1和/或TAZ的异常表达促进细胞的自我更新和多能性，可以诱导细胞转化为干细胞样和/或祖细胞样细胞。实际上，Hippo通路的表达异常会导致YAP1和/或TAZ活性的增加，导致CSC群体的扩大，这有助于实体瘤的发展。YAP1在实体瘤中的过表达与癌症的进展以及耐药性有关。涉及YAP1或TAZ的基因融合已被确定为罕见病软组织肉瘤亚型上皮类血管内皮瘤（EHE）的遗传致病原因。

越来越多的证据表明，YAP1和TAZ在实体瘤中是癌基因，尽管这些它们在血液系统恶性肿瘤中的作用尚不明确，但似乎仍与该疾病有关。在CML患者中，发现有Hippo通路成分的表达，LATS2尤其是TAZ的水平在疾病晚期以及在对BCR–ABL1 TKI伊马替尼耐药的CML患者中升高，这表明Hippo通路有助于疾病进展和抗药能力。相比之下，YAP1在各种血液系统恶性肿瘤的细胞系中始终被下调，从而在DNA损伤的情况下阻止了核ABL1介导的细胞凋亡，这表明YAP1具有抑癌作用。通过MST1基因的失活重新激活YAP，可以恢复ABL1介导的细胞凋亡，为某些血液学癌症中MST1的靶向治疗提供了理论依据。

研究表明，Hippo通路上游的LATS1 / 2或TAZ以及G蛋白偶联受体和NF2的突变可导致肿瘤的发生（图4）。然而，Hippo通路成分的突变相对较少，这表明YAP1和/或TAZ的激活可能是通过与其他信号通路（如G蛋白偶联受体，EGFR，Notch，转化生长因子-β（TGFβ）的相互作用而诱导的）。事实上，已证明Hippo通路基因与其他与肿瘤相关的信号通路之间的串扰可导致恶性肿瘤的发生。来自癌症基因组图谱的多组学数据已对多种癌症类型的Hippo核心基因进行了全面的分子表征，并证明了HH通路的活性与Hippo通路之间存在正相关关系。Hippo和WNT通路的串扰似乎更为复杂，因为研究人员表明YAP1和TAZ可以背景依赖性的方式激活WNT通路，在肿瘤中充当癌基因或抑癌基因。鉴于Hippo通路可作为连接多种通路（包括Notch，WNT和HH）的枢纽的作用，该信号可作为治疗靶点值得进一步研究。

图4 Hippo信号通路及在肿瘤研究中常用的抑制剂

Hippo信号通路抑制剂（详见表4）：

• NEDD8激活酶抑制剂

表4

通讯作者简介

Naoko Takebe, MD, PhD

Takebe博士于2007年9月加入美国国立健康卫生研究院（NIH）癌症治疗评估中心，担任药物研发部的高级研究员。她目前的研究项目包括导致程序性细胞死亡的药物，癌症干细胞靶向药物，DNA损伤修复抑制剂和Src抑制剂。Takebe博士在日本弘前大学获得MD和PhD博士学位。她于1997年在Memorial Sloan-Kettering癌症研究所完获得了医学血液学/肿瘤学研究金，并于1999年在该研究所进行博士后研究。当时，她的研究重点包括利用逆转录病毒基因转移的基因治疗方法，将耐药基因传递到造血干细胞中进行骨髓保护。1999年，她加入马里兰大学Greenebaum癌症中心血液学/肿瘤学系的血液和干细胞移植研究项目。她在那里进行了多发性骨髓瘤和白血病领域的临床试验，涉及自体和异体移植。她所领导实验室的研究目的是开发新型抗癌药和新的白血病动物模型，并探索新型脐带血干细胞离体的扩增方法。目前，她是Exceptional Responder Initiative的转化科学PI，并且是NCI Precision Medicine Initiatives隶属下NCI-MATCH和Pediatric MATCH的co-PI。