錢王芳,王 臻,肖 紅
(1.南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院,南京 210009;2.南京醫(yī)科大學(xué)附屬腦科醫(yī)院神經(jīng)外科,南京 210009;3.南京醫(yī)科大學(xué)附屬腦科醫(yī)院研究所,南京 210009)
膠質(zhì)瘤是最常見的原發(fā)性腦瘤,約占全部腦瘤的80%,其中膠質(zhì)母細(xì)胞瘤(Glioblastoma,GBM)是最惡性的腦腫瘤。盡管最大程度的手術(shù)切除后,并開展包括放療和化療等積極的輔助治療手段,GBM患者的生存期中位仍為14個(gè)月[1]。GBM的主要特點(diǎn)是腫瘤細(xì)胞彌漫性侵襲周圍大腦,阻礙治療效果。雖然浸潤(rùn)通常在原腫瘤腫塊的1~2 cm內(nèi)復(fù)發(fā),但在最初或首次診斷幾個(gè)月后浸潤(rùn)性細(xì)胞就已擴(kuò)散到整個(gè)腦實(shí)質(zhì)[2]。因此,膠質(zhì)瘤預(yù)后較差,70%的膠質(zhì)瘤在第一次術(shù)后10年內(nèi)復(fù)發(fā),其原因是快速生長(zhǎng),廣泛浸潤(rùn)?quán)徑X組織,假性壞死和誘導(dǎo)血管生成,且無明顯的作用靶點(diǎn)[3]。因此,找到直接且密切相關(guān)的靶點(diǎn),使膠質(zhì)瘤能夠被早期診斷,探索膠質(zhì)瘤的潛在機(jī)制至關(guān)重要。
近年來,在分子水平上對(duì)膠質(zhì)瘤發(fā)病機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn),膠質(zhì)瘤的發(fā)病由異常的病理過程導(dǎo)致,例如細(xì)胞周期調(diào)控,信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等[4]。因此,迫切需要在遺傳和分子水平上更好地了解膠質(zhì)瘤的發(fā)生和發(fā)展,以確定新的治療策略。目前,圍繞膠質(zhì)瘤發(fā)病機(jī)制主要存在以下五個(gè)研究熱點(diǎn):1)等位基因雜合性缺失及遺傳性變異;2)細(xì)胞信號(hào)通路異常與功能紊亂;3)DNA損傷修復(fù);4)腫瘤干細(xì)胞;5)其他等。
膠質(zhì)瘤的發(fā)生被認(rèn)為是由關(guān)鍵基因的遺傳性變異或基因突變引起的。主要包括癌基因如EGFR的激活和抑癌基因如p53、p16等的失活以及普通基因的異常表達(dá)。基因甲基化會(huì)抑制抑癌基因,從而進(jìn)一步抑制積累并誘導(dǎo)突變,故其在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中至關(guān)重要。因此,神經(jīng)膠質(zhì)瘤的進(jìn)展是由表觀遺傳和遺傳性改變的積累引起的[5]。全基因組關(guān)聯(lián)研究已經(jīng)確定了與膠質(zhì)瘤風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)的若干個(gè)可遺傳風(fēng)險(xiǎn)等位基因,包括端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶TERT啟動(dòng)子突變,EGFR基因的擴(kuò)增/突變,PTEN的突變/缺失,p53的突變以及血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子VEGF的過表達(dá)等。而這些基因突變也是膠質(zhì)瘤發(fā)病機(jī)制中的研究熱點(diǎn)。
約70%~90%的低級(jí)別彌漫性膠質(zhì)瘤和GBM中存在IDH突變[6]。既往研究[7]發(fā)現(xiàn),IDH突變與膠質(zhì)瘤中廣泛的全基因組甲基化密切相關(guān),IDH突變誘導(dǎo)許多基因包括癌基因的甲基化增加,因此IDH突變已被提出是神經(jīng)膠質(zhì)瘤的啟動(dòng)因子之一。
TERT啟動(dòng)子突變?cè)谀z質(zhì)瘤中占很高的比例,約占80%~90%[8]。TERT啟動(dòng)子突變與端粒酶活性水平升高有關(guān),端粒酶消除了細(xì)胞壽命的主要障礙,從而可以通過癌基因驅(qū)動(dòng)使腫瘤細(xì)胞無限增殖,因此TERT成為研究膠質(zhì)瘤發(fā)病機(jī)制的一個(gè)常見靶基因。
基因測(cè)序技術(shù)分析在57%的膠質(zhì)瘤患者中觀察到EGFR的遺傳性改變[9],包括EGFR的擴(kuò)增和突變,已知EGFR促進(jìn)腫瘤血管生成、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和侵襲,EGFR通過受體磷酸化和下游信號(hào)通路的激活刺激細(xì)胞遷移。GBM中的EGFR,40%擴(kuò)增,60%過表達(dá),24%~67%基因突變[10]。因此,EGFR改變可能會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)膠質(zhì)瘤的發(fā)生。
PTEN是一種常見的突變抑癌基因,是PI3K/Akt信號(hào)通路的主要負(fù)調(diào)控因子,大多數(shù)人類膠質(zhì)母細(xì)胞瘤顯示高水平激活的Akt,其中不到一半的人攜帶PTEN突變或純合缺失[11]。有大量證據(jù)表明PTEN在調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移和侵襲中發(fā)揮作用,并且對(duì)化療藥物的耐藥性產(chǎn)生負(fù)調(diào)節(jié)。
野生型p53是公認(rèn)的抑癌基因。p53的突變率約為25%~40%,是人類癌癥中突變最頻繁的基因[12]。證據(jù)表明,突變型p53不但無法抑制腫瘤的形成,甚至還促進(jìn)腫瘤的產(chǎn)生。p53的異常表達(dá)促進(jìn)各種腫瘤的發(fā)生和進(jìn)展,包括膠質(zhì)母細(xì)胞瘤。也有研究[13]表明,無論膠質(zhì)瘤級(jí)別如何,p53都可能存在突變,并且相較于低級(jí)別膠質(zhì)瘤,高級(jí)別膠質(zhì)瘤的突變率明顯更高。
VEGF過表達(dá)亦是促進(jìn)神經(jīng)膠質(zhì)瘤形成的一個(gè)重要因素。VEGF是GBM中最豐富和重要的血管生成介質(zhì)。Ryota等[14]研究表明抑制VEGF可以使膠質(zhì)瘤體積和血管的形成顯著減少,當(dāng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞過度表達(dá)VEGF時(shí),腫瘤的生長(zhǎng)可以恢復(fù),并且實(shí)驗(yàn)證明源自髓樣細(xì)胞的VEGF可能影響膠質(zhì)瘤生長(zhǎng)的早期階段。
研究[15]發(fā)現(xiàn),GBM發(fā)生發(fā)展相關(guān)的三大經(jīng)典信號(hào)通路包括RTK/RAS/PI3K通路,CDKN2A-MDM2-TP53通路和P16-CDK4/CDK6-Rb通路。70%~80%患者GBM與其中之一或多種通路相關(guān),故表明這三種途徑的失控是膠質(zhì)母細(xì)胞瘤發(fā)病機(jī)理的核心要求。除了這三種通路,還有其他通路也與膠質(zhì)瘤發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。與膠質(zhì)瘤相關(guān)信號(hào)通路主要?dú)w納如下。
約90%的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤在RTK/RAS/PI3K通路中包含一個(gè)或多個(gè)基因畸變,是膠質(zhì)瘤研究中最深入的通路之一。該通路的失活會(huì)對(duì)癌癥的進(jìn)展有多種影響,如產(chǎn)生連續(xù)的增殖信號(hào),避開生長(zhǎng)抑制因子。RTK可以激活RAS/PI3K基因介導(dǎo)的下游信號(hào)途徑,改變相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)而調(diào)控腫瘤的發(fā)生發(fā)展。RAS信號(hào)通路在調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起著至關(guān)重要的作用,RAS/MAPK轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的異常表達(dá)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞異常增殖和分化。大量研究表明,PI3K/AKT信號(hào)通路的激活與大多數(shù)癌癥的發(fā)生和進(jìn)展密切相關(guān),并且?guī)缀跖c癌癥惡性表型的所有方面相關(guān)。因此,RTK/RAS/PI3K通路失活是導(dǎo)致膠質(zhì)瘤產(chǎn)生的重要原因之一。
大約80%~90%的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤在p53途徑中包含一種或多種遺傳異常。p53蛋白可抑制腫瘤形成和生長(zhǎng),p53途徑的失調(diào)通常通過擴(kuò)增MDM2/4或使TP53失活而導(dǎo)致細(xì)胞死亡抗性和逃避生長(zhǎng)抑制。MDM2抑制p53的轉(zhuǎn)錄活性,刺激其核輸出和降解。當(dāng)CDKN2A-MDM2-TP53通路上的相關(guān)基因突變時(shí)可引起細(xì)胞周期調(diào)控失常導(dǎo)致膠質(zhì)瘤產(chǎn)生。
Rb在抑制細(xì)胞周期進(jìn)程中起著至關(guān)重要的作用。大約80%的膠質(zhì)母細(xì)胞瘤在Rb通路中包含一種或多種基因畸變。細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶4和6(CDK4/6)催化Rb蛋白的磷酸化和激活,但受p16結(jié)合抑制。細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑(CDKN2A,CDKN2C)的缺失或突變,以及CDK4和CDK6的擴(kuò)增,會(huì)導(dǎo)致Rb通路的失調(diào)。CDKN2A編碼與CDK4/6結(jié)合的腫瘤抑制因子p16。因此,當(dāng)CDKN2A缺失時(shí),CDK4/6保持激活狀態(tài),細(xì)胞生長(zhǎng)不受調(diào)節(jié)。Rb通路上的基因改變可導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)失去抑制進(jìn)而形成腫瘤。
有充足的證據(jù)表明,TGF-β通路對(duì)于促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的侵襲性至關(guān)重要。TGF-β在神經(jīng)膠質(zhì)瘤的早期階段抑制腫瘤生長(zhǎng),在晚期階段促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移[16]。
TGF-β可能通過多種途徑參與腫瘤的發(fā)病機(jī)制:1)直接支持腫瘤生長(zhǎng);2)維持膠質(zhì)瘤啟動(dòng)干細(xì)胞的自我更新;3)抑制抗腫瘤免疫。在膠質(zhì)瘤細(xì)胞中觀察到的染色體畸變和遺傳突變的增加將TGF-β轉(zhuǎn)變成癌基因。因此,它通過誘導(dǎo)涉及致癌過程(例如增殖,血管生成和侵襲)的幾種基因,在膠質(zhì)瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
Wnt/β-catenin通路包含Wnt蛋白、卷曲受體家族等,是腫瘤發(fā)生過程中較為成熟的信號(hào)通路之一[17]。但有研究發(fā)現(xiàn),Wnt/β-catenin通路中成分的突變與多種癌癥相關(guān),Wnt/β-catenin級(jí)聯(lián)中某些成分的功能缺失觸發(fā)了癌癥的發(fā)展。有研究[18]表明,Wnt/β-catenin通路通過調(diào)控腫瘤進(jìn)展控制Wnt/β-catenin通路的分子,從而抑制惡性膠質(zhì)瘤的生長(zhǎng)。此外,有文獻(xiàn)[19]描述了在高級(jí)別膠質(zhì)瘤中,典型的Wnt/β-catenin通路是如何維持GSCs(glioma stem cells)的增殖和自我更新,從而維持其致瘤潛力的。因此,Wnt/β-catenin信號(hào)通路是膠質(zhì)瘤研究新方向。
Notch通路是膠質(zhì)細(xì)胞生成開關(guān),維持著膠質(zhì)祖細(xì)胞群,在膠質(zhì)瘤中呈高度激活狀態(tài),能夠促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的增殖代謝,維持膠質(zhì)祖細(xì)胞群的數(shù)量。Notch信號(hào)失調(diào)會(huì)導(dǎo)致包括膠質(zhì)瘤在內(nèi)的多種惡性腫瘤。Notch的致癌性可能與維持腦腫瘤細(xì)胞未分化狀態(tài)有關(guān),改變Notch信號(hào)傳導(dǎo)可能導(dǎo)致癌細(xì)胞分化。越來越多的證據(jù)表明Notch信號(hào)在GSCs中高度活躍,能夠抑制分化并維持干細(xì)胞樣特性,有助于膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的發(fā)生和常規(guī)治療的耐藥性[20]。
除了上述與膠質(zhì)瘤相關(guān)的信號(hào)通路,cl-通道、MAPK、EMT、RTKs等信號(hào)通路的激活也參與了膠質(zhì)瘤的調(diào)控。膠質(zhì)瘤的發(fā)生、發(fā)展是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,可能由一個(gè)、兩個(gè)或是多個(gè)信號(hào)通路共同參與、調(diào)控。相信隨著研究的不斷深入,將會(huì)發(fā)現(xiàn)更多與神經(jīng)膠質(zhì)瘤的發(fā)生發(fā)展有關(guān)的基因和途徑。
面對(duì)無數(shù)的DNA損傷來源,復(fù)雜的DNA修復(fù)機(jī)制用來保護(hù)基因組的完整性。當(dāng)DNA修復(fù)失敗時(shí),會(huì)導(dǎo)致癌變和腫瘤基因組不穩(wěn)定。DNA修復(fù)缺陷在許多腫瘤進(jìn)展中具有關(guān)鍵作用,包括膠質(zhì)瘤。如Ege等[21]根據(jù)最新基于全外顯子組測(cè)序的分析鑒定DNA損傷修復(fù)缺陷是成人彌漫性膠質(zhì)瘤膠質(zhì)形成的主要因素,表明DNA損傷修復(fù)可能是膠質(zhì)形成的一個(gè)基本機(jī)制。以上證據(jù)均提示DNA損傷修復(fù)缺陷很可能會(huì)導(dǎo)致膠質(zhì)瘤的發(fā)生。
GSCs被認(rèn)為位于腫瘤發(fā)生的層次的頂端,具有誘導(dǎo)血管生成、轉(zhuǎn)移和調(diào)節(jié)治療反應(yīng)的潛力。近年來的研究表明,具有高效克隆和腫瘤發(fā)生能力的GSCs可以促進(jìn)和維持GBM的惡性生長(zhǎng)。此外,由于較強(qiáng)的DNA修復(fù)能力,GSCs能從常規(guī)治療應(yīng)激中迅速恢復(fù),從而導(dǎo)致神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者產(chǎn)生耐藥性并最終導(dǎo)致疾病復(fù)發(fā)。微血管增生被認(rèn)為是膠質(zhì)瘤發(fā)生和發(fā)展的關(guān)鍵特征,GSCs已被證明能高度促進(jìn)血管生成和表達(dá)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)等因子,吸引內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)入腫瘤體積并驅(qū)動(dòng)新生血管生長(zhǎng),也是GSCs導(dǎo)致膠質(zhì)瘤產(chǎn)生的一個(gè)重要原因[22]。此外,GSCs上調(diào)維持神經(jīng)干細(xì)胞干性所需的一系列信號(hào)通路,增強(qiáng)了其干性和異常細(xì)胞存活,從而導(dǎo)致膠質(zhì)瘤發(fā)生。
大量研究證實(shí),包括許多亞型在內(nèi)的非編碼RNA可促進(jìn)膠質(zhì)瘤的發(fā)生發(fā)展,如LncRNA、miRNA和circRNA。
5.1.1 LncRNA 基于基因組測(cè)序技術(shù),大部分哺乳動(dòng)物基因組屬于非蛋白質(zhì)編碼RNA(ncRNA)。其中長(zhǎng)鏈非編碼RNA(lncRNA)的異常調(diào)控可以通過影響表觀遺傳信息為癌癥提供細(xì)胞生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),從而導(dǎo)致腫瘤生長(zhǎng)失控。例如,LncRNA UBE2R2-AS1通過靶向miR-877-3p/TLR4軸促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞凋亡[23]。此外,LncRNA SNHG3是最近確定的非編碼蛋白R(shí)NA,SNHG3通過招募EZH2到KLF2和p21啟動(dòng)子,從表觀遺傳學(xué)方面抑制KLF2和p21,進(jìn)而促進(jìn)了膠質(zhì)瘤的惡性發(fā)展[24]。這些研究表明,LncRNA調(diào)控膠質(zhì)瘤的進(jìn)展,然而LncRNA在膠質(zhì)瘤中的作用尚需進(jìn)一步探討。
5.1.2 miRNA 據(jù)最新研究[25],miRNA參與了膠質(zhì)瘤發(fā)展的調(diào)控,特別是一些上調(diào)的miRNA,如miR-21。miR-21在人體神經(jīng)膠質(zhì)瘤和某些細(xì)胞系中過表達(dá),可能導(dǎo)致神經(jīng)膠質(zhì)瘤的快速發(fā)展和惡性進(jìn)展。此外,其他一些微RNA異常表達(dá),如miR-708[26],miR221/222[27]等也被證明對(duì)癌基因及抑癌基因具有調(diào)控作用。根據(jù)An T等[28]最新研究發(fā)現(xiàn)在脊髓膠質(zhì)母細(xì)胞瘤和低級(jí)別膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者血液中共檢測(cè)到74個(gè)miRNA表達(dá)差異(上調(diào)25個(gè),下調(diào)49個(gè)),組織標(biāo)本中檢測(cè)到207個(gè)miRNA(上調(diào)20個(gè),下調(diào)187個(gè)),證明異常表達(dá)的miRNA會(huì)導(dǎo)致膠質(zhì)瘤的發(fā)生。
5.1.3 circRNA 環(huán)狀RNA(circRNA)是一種新發(fā)現(xiàn)的RNA,所有circRNA涵蓋以下主要功能:miRNA海綿,蛋白質(zhì)海綿,蛋白質(zhì)翻譯和蛋白質(zhì)復(fù)合物的支架。一些circRNA已被發(fā)現(xiàn)在膠質(zhì)瘤中發(fā)揮致癌作用,根據(jù)報(bào)道[29],敲除這些circRNA可以顯著抑制細(xì)胞增殖、遷移或血管生成。circRNA可以用作治療靶標(biāo)或用作神經(jīng)膠質(zhì)瘤治療策略的組成部分,如研究[30]發(fā)現(xiàn),GBM中表達(dá)的circCOL1A2、circPTN、circVCAN、circSMO、circPLOD2、circGLIS3、circEPHB4、circCLIP2較正常腦組織高,由此可將上述八種circRNA視為GBM潛在的腫瘤標(biāo)志物。
TME是腫瘤的動(dòng)態(tài)環(huán)境,包括影響腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)和進(jìn)化的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)、信號(hào)分子、基質(zhì)細(xì)胞和免疫細(xì)胞,這些不僅參與膠質(zhì)發(fā)育,而且參與膠質(zhì)瘤的生長(zhǎng)和進(jìn)展[31]。神經(jīng)膠質(zhì)瘤微環(huán)境不同于其他實(shí)體瘤,因?yàn)樯窠?jīng)膠質(zhì)瘤位于大腦中,受血腦屏障的保護(hù),在正常情況下會(huì)阻止周圍免疫系統(tǒng)細(xì)胞進(jìn)入。然而,炎癥和腫瘤生長(zhǎng)會(huì)破壞血腦屏障。許多研究[32]表明,細(xì)胞因子、趨化因子和調(diào)節(jié)性免疫抑制細(xì)胞,例如TGF-β,IL-10,前列腺素E2,NKT細(xì)胞,T/B調(diào)節(jié)細(xì)胞,腫瘤—相關(guān)的巨噬細(xì)胞/小膠質(zhì)細(xì)胞(TAMs)和髓樣抑制細(xì)胞(MDSCs)[33]產(chǎn)生了特異性的免疫抑制微環(huán)境,無法進(jìn)行有效的抗腫瘤反應(yīng),是刺激膠質(zhì)瘤進(jìn)展的關(guān)鍵因素。除了免疫抑制微環(huán)境的改變外,膠質(zhì)瘤也具有細(xì)胞代謝發(fā)生深刻改變的特征,代謝重編程是膠質(zhì)瘤發(fā)病機(jī)制的基礎(chǔ)。如最新研究發(fā)現(xiàn)一系列由異檸檬酸脫氫酶(IDH)和受體酪氨酸激酶(RTK)通路基因突變驅(qū)動(dòng)的代謝重編程,它們重新編程表觀基因組、轉(zhuǎn)錄組和代謝組來驅(qū)動(dòng)腫瘤生長(zhǎng)。即這些基因畸變通過代謝重編程轉(zhuǎn)化為神經(jīng)膠質(zhì)瘤侵襲性的機(jī)制[34]。
單基因遺傳綜合征也是膠質(zhì)瘤確定的遺傳危險(xiǎn)因素,在超過12 000名膠質(zhì)瘤患者的全基因組關(guān)聯(lián)研究中,驗(yàn)證了25個(gè)單核苷酸多態(tài)性SNPs與成人膠質(zhì)瘤發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)[35]。在另一項(xiàng)含有1 600多個(gè)膠質(zhì)瘤患者的研究中,發(fā)現(xiàn)這25個(gè)SNPs與IDH突變、TERT啟動(dòng)子突變和1p19q聯(lián)合缺失等相關(guān)分子亞型相關(guān)聯(lián)。這25個(gè)風(fēng)險(xiǎn)基因與膠質(zhì)瘤各亞型之間具有單變量和多變量關(guān)聯(lián),大多數(shù)SNPs位于已知特定信號(hào)通路的基因中或在其附近。在這25個(gè)SNPs中,有11個(gè)與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相關(guān),有19個(gè)與星形細(xì)胞瘤和少突膠質(zhì)細(xì)胞瘤發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相關(guān),其中5個(gè)SNPs與3種膠質(zhì)瘤類型風(fēng)險(xiǎn)均相關(guān),而研究證明相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)最強(qiáng)的SNP可致使膠質(zhì)瘤發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)增加6倍以上[36]。25個(gè)風(fēng)險(xiǎn)基因參與特定的生物學(xué)功能,與EGFR-PI3K-AKT通路、細(xì)胞周期調(diào)控、端粒維護(hù)、p53介導(dǎo)的信號(hào)通路有關(guān),這些風(fēng)險(xiǎn)基因的變異可能與膠質(zhì)瘤發(fā)生發(fā)展有著密切聯(lián)系。
膠質(zhì)瘤是一種高度異質(zhì)性的疾病,即使在同一個(gè)體的不同階段,其在患者中的病理表現(xiàn)也在不斷變化,膠質(zhì)瘤的發(fā)病機(jī)制是復(fù)雜的,而且很大程度上仍不為人所知。因此,針對(duì)膠質(zhì)瘤的發(fā)病機(jī)制還需要進(jìn)行更多的研究,以期能夠?yàn)榕R床治療膠質(zhì)瘤帶來更多的幫助。