初級纖毛與惡性腫瘤關系的研究進展

楊 揚，楊京潤，黃 敏，衛萱瑾，李承新

纖毛（cilium）作為一種真核細胞的特殊細胞器，存在于人體各個器官和組織細胞中，具有運動、物質運輸、感知外界刺激以及調控細胞生長等諸多功能，在生理和病理學方面均起到重要作用。纖毛在結構和功能上又分為兩種，即可動纖毛（motile cilium）和不動纖毛（non-motile cilium）。前者具有運動和感知功能，可通過自身反復擺動進而實現定向運動，其長度亦可感知表面流體的物理變化等。不動纖毛又稱初級纖毛（primary cilium），它位于人體幾乎所有的細胞表面，具有獨特結構及鞭毛內轉運系統（intra flagellar transport, IFT），主要在維持和調節細胞內環境穩態，參與機體諸多病理過程，對于某些惡性腫瘤的發生發展具有重要調控作用?，F就初級纖毛的基本結構和主要功能及與惡性腫瘤關系的研究進展進行如下綜述。

1 初級纖毛的基本結構和主要功能

1.1 初級纖毛的基本結構

初級纖毛本質上是真核細胞質膜向外的單個突起，其形態類似“天線”，其基本結構包括基部、纖毛過渡區和軸絲，主要由中心體（centrosome）和軸絲（axoneme）構成，又稱為中心體-纖毛復合體（centrosome-cilium complex），并通過基部與細胞質膜相連。其中，位于細胞內的中心體作為細胞的微管形成中心，其核心是由1對9組微管三聯體結構的中心粒（centrioles）構成，中心粒被中心粒周圍物質（PCM）包繞。中心粒通過對PCM的募集和組構而發揮中心體的功能，進而促進細胞有絲分裂間期微管陣列和紡錘體的組織與構建。1對中心粒包括2部分，即母中心粒（mother centriole）和子中心粒（daughter centriole），兩者在空間上以垂直結構排列和連接；軸絲作為初級纖毛突出于細胞表面的部分，主要由母中心粒的微管發展而來的9組微管雙聯體結構（doublet microtubules）構成，其外由細胞質膜發展而來的纖毛膜包繞。中心體和軸絲之間由位于母中心粒頂端的中心粒附屬物（centriolar appendages）連接，后者具有錨定微管和栓束母中心粒以及促進纖毛形成的作用[1-3]。因此，與可動纖毛的“9+2”結構（即9組外周微管包繞一對中央微管）不同，初級纖毛表現為特殊的“9+0”結構（即9組外周微管，無中央微管）。初級纖毛內另一主要結構是IFT，該結構除了可實現纖毛內外物質的雙向運輸，還具有促進纖毛形成和維護纖毛正常結構的重要功能。IFT主要由驅動蛋白2（kinesin-2）、動力蛋白2（dynein-2）以及兩種蛋白復合體IFT-A和IFT-B構成。其中，kinesin-2和dynein-2作為分子發動機沿微管各自負責相關物質的順向和逆向運輸，在纖毛內物質運輸、交換等方面發揮重要作用。其中，kinesin-2主要由KIF3A、KAP3和KIF3B或KIF3C構成，與IFT-B結合共同實現物質由纖毛基部向頂端的順向運輸。KIF3屬于驅動蛋白超家族（KIFs）成員之一，是與初級纖毛形成相關的重要蛋白，而IFT-B則主要參與纖毛內順向轉運和軸絲生長。相反，dynein-2在初級纖毛頂端被活化，與IFT-A結合后共同實現物質由纖毛頂部向基部的逆向運輸。因此kinesin-2、dynein-2與IFT-A、IFT-B共同參與了初級纖毛內部物質轉運的整個過程[3-5]（圖1）。

1.2 初級纖毛的主要功能

初級纖毛通常在受到外界刺激后將相關信號轉導至胞內進而影響和調控細胞的形態與極性、增殖、分化及遷移等。目前認為，初級纖毛主要具有如下生理功能：①感知細胞外各種理化刺激。初級纖毛作為一種獨特的感受器，參與感知和接受細胞外微環境變化和相關信息。Louvi和Grove[5]早期發現，腎小管上皮細胞的初級纖毛可感知胞外的機械刺激和藥物的自由擴散。Xiang等[6]發現，在軟骨細胞發育過程中，外界物理應力可通過活化細胞外調節蛋白激酶（extracelluar regulatory protein，ERK）信號通路及抑制雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號轉導，促進初級纖毛結構的完整性和細胞的自噬功能，進一步影響軟骨細胞的生長。②調節和維持細胞穩態。其中，初級纖毛可通過相關信號轉導通路調控細胞極性及正常增殖與分化等。Croyle等[7]早期發現，初級纖毛缺失可導致小鼠皮膚中Hedgehog信號通路（Hh signaling）發生障礙，進而導致毛囊濾泡發育停滯。Grisanti等[8]發現，小鼠眼角膜上皮基底細胞的初級纖毛缺失可下調Notch信號通路致使上皮基底細胞異常增殖，進而導致角膜上皮明顯增厚。③影響和調控細胞周期。初級纖毛表面存在某些相關調控蛋白，負責調控相關信號轉導和細胞周期變化。Pruski等[9]發現，定位于初級纖毛的GTP酶Arl13B可調節細胞遷移和細胞周期，其功能障礙可致細胞外電梯度受損以及生長因子信號減弱進而使Hennin永生化的小鼠胚胎成纖維細胞（HNN）生長停滯。Phua等[10]認為，由F-肌動蛋白推動的初級纖毛切除不僅可觸發纖毛本身結構的重吸收，還可誘導絲裂信號，并可調節與纖毛生命周期和細胞分裂周期相關的增殖信號的轉導。

圖1 初級纖毛和纖毛內轉運系統結構示意圖

2 初級纖毛與惡性腫瘤的關系

目前已知初級纖毛與各系統不同惡性腫瘤的發生、發展關系密切，其中涉及到纖毛內外某些相關蛋白的結構和功能及某些相關信號轉導通路的異常，其涉及的分子及相互作用機制相當復雜。

2.1 皮膚惡性腫瘤

2.1.1 基底細胞癌 基底細胞癌（basal cell carcino-ma，BCC）是皮膚科臨床常見的低度惡性腫瘤，其生長緩慢，主要起源于功能異常的角質形成細胞，其臨床表現具有一定特殊性。Yang等[11]發現，BCC更易起源于皮膚和毛囊中具有纖毛的角質形成細胞，相對于無纖毛的角質形成細胞而言，前者更易惡變。進一步研究發現，BCC主要由PTCH1基因的功能缺失性突變或SMO基因的功能獲得性突變導致。這兩種基因主要編碼Hh信號通路的上游跨膜元件，而PTCH1或SMO基因的致癌突變可最終導致Gli轉錄因子的失控性活化，進而使Hh信號通路異常；而Hh信號通路的活化需要初級纖毛參與，后者對于Hh信號通路元件的易位和Hh靶基因如Gli1和PTCH1的進一步激活具有關鍵作用。作者還發現，組織特異性平面細胞極性（PCP）效應基因INTU可調節初級纖毛形成和Hh信號通路，與該腫瘤的發生關系密切。皮膚中該基因的缺失可使初級纖毛形成和功能受損，導致毛囊形成異常等。INTU基因在BCC樣本中異常上調；而切除小鼠內源性INTU基因可阻止BCC形成。作者認為，該基因的異常上調可能是Hh依賴的腫瘤發生過程中初級纖毛形成的必要條件[11,12]。推測其上調原因可能是：①具有纖毛的腫瘤細胞比例增加，后者高表達內源性INTU基因；②致癌突變Hh基因如PTCH1、SMO或Gli2的表達促進INTU基因的從頭上調；③其他纖毛相關基因在角質形成細胞中通過解控和回縮程序促進纖毛形成；④紫外線（UV）在該腫瘤發生早期可能發揮次要作用，誘導纖毛形成[13]。因此，針對纖毛形成下游的Hh信號通路元件很能會成為預防BCC和其他Hh信號通路相關惡性腫瘤的潛在性靶點。

2.1.2 惡性黑素瘤 惡性黑素瘤（malignant melanoma，MM）是一種起源于皮膚黑素細胞的高度惡性腫瘤，其侵襲性高，早期即可發生轉移。目前國內外學者對該腫瘤與初級纖毛相互關系的分子機制研究很少，主要涉及臨床早期診斷和鑒別診斷。Le Coz等[14]發現，在正常黑素細胞中存在初級纖毛，而在MM細胞中初級纖毛缺失。Snedecor等[15]通過對87例色素痣和MM患者活檢標本進行回顧性研究發現，相對前者而言，各類黑素瘤（包括原位黑素瘤、早期黑素瘤和轉移性黑素瘤）中具有初級纖毛的細胞數量明顯下降，而Ki-67陰性的非增殖MM細胞中初級纖毛明顯缺失。作者認為，雖然MM細胞中初級纖毛缺失可能與細胞增殖、細胞周期進程無關，但其缺失可作為一種生物學標志有助于在該病的惡性轉變、侵襲及相關治療方面發揮積極作用。Kim等[16]在前期研究黑素細胞痣和各類MM與初級纖毛相互關系時發現，有22例黑素細胞痣細胞中均存在初級纖毛，而MM細胞中初級纖毛幾乎完全消失。這與后期Snedecor等[15]學者的研究結果相似。該作者也認為，初級纖毛在一定程度上可作為區分黑素細胞痣與MM的相關指標，有助于指導進一步臨床診斷。

2.2 其他系統相關惡性腫瘤

2.2.1 結腸腺癌 結腸腺癌（adenocarcinoma of colon）為消化道常見惡性腫瘤之一，主要發生于結腸，可分為腺癌、黏液腺癌和未分化癌等。Yasar等[17]通過免疫熒光和組織芯片技術發現，與正常對照組相比，在濾泡性淋巴瘤、肺腺癌、結腸腺癌和胰腺癌細胞中初級纖毛頻度的百分比明顯上升。作者認為，初級纖毛數量增多可能與其結構異常導致Hh信號異常上調有關，如初級纖毛結構異常包括軸絲的分支和延伸，其數量和長度增加可放大Hh信號轉導作用。Sénicourt等[18]研究發現，Hh信號轉導的關鍵效應子Gli1在3種初級纖毛陽性的結腸腺癌細胞系SW480、HT29和HCT116中均有表達。另外，SMO受體募集到初級纖毛膜表面可激發Hh信號轉導，提示在結腸癌細胞中初級纖毛與Hh信號通路活化有密切聯系。作者認為，初級纖毛在該腫瘤發生中直接參與了Hh信號通路活化，故可作為一種與Hh信號活化相關的生物學標志物。另外，Dvorak等[19]研究初級纖毛與相關腸道腺癌在影響其預后及生存率時發現，在小腸腺癌患者的癌細胞中初級纖毛的中位數頻度（0.49%）明顯高于結直腸腺癌（0.22%），而初級纖毛中位數頻度較低（＜0.187）的結直腸腺癌患者的總生存率明顯高于初級纖毛中位數頻度較高（≥0.187）的小腸腺癌患者（P＜0.001）。作者認為，初級纖毛的頻度變化明顯影響小腸及結直腸腺癌患者的預后，同時初級纖毛可作為這些腸道惡性腫瘤的潛在生物標志物應用于臨床診斷。

2.2.2 胰腺導管腺癌 胰腺導管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC）被認為是目前美國致死率排名第4位的消化道惡性腫瘤，確診時即為癌癥晚期。Schimmack等[20]研究發現，在胰腺上皮內瘤樣變（intraepithelial neoplasia of pancreas，PanIN）到發展為胰腺導管腺癌的進程中，初級纖毛似乎存在缺失，而實際上是其從上皮到間質的再分布；在胰腺導管腺癌細胞中Hh信號通路下游的活化表明初級纖毛介導了間質反應，其機制仍需進一步闡明。Kobayashi等[21]研究發現，組蛋白脫乙?；?（histone deacetylase，HDAC2）在胰腺導管腺癌細胞中過表達。HDAC2表達沉默或抑制可修復初級纖毛形成，其失活可導致絲氨酸/蘇氨酸激酶（aurora A，AURKA）的表達降低，而后者可使初級纖毛分解；同時，HDAC2可不依賴原癌基因K-ras而控制初級纖毛形成，而后者可促進AURKA的表達；AURKA與胰腺導管腺癌密切相關，而HDAC2可正調控其轉錄進而促進腫瘤發生。作者認為，HDAC2抑制劑作為一種新型藥物在胰腺導管腺癌的治療領域具有相當潛力。

2.2.3 乳腺癌 乳腺癌（breast cancer）屬于內分泌相關惡性腫瘤之一，是目前全球女性中因惡性腫瘤死亡的主要病因。有研究發現，在乳腺癌細胞中，與初級纖毛形成和定位的相關基因（如IFT46、PKD2）表達下調，而癌基因NEK2過度表達，后者可活化微管解聚激酶KIF24，繼而使初級纖毛分解；敲除KIF24可使纖毛修復，進而抑制腫瘤增生。另一方面，定位于初級纖毛上的PTCH，SMO和Gli轉錄因子參與促瘤的Hh信號通路的調控，后者的異?；罨纱龠M乳腺癌的發生，而乳腺癌細胞通過Hh經典通路并不活化Hh靶基因表達，即Hh靶基因表達不依賴于SMO活性。進一步研究發現，在小鼠乳腺癌中，初級纖毛形成被抑制可促使腫瘤本身更加具有侵襲性；而在人乳腺癌中，抑制初級纖毛形成可促進Hh靶基因表達增強[22,23]。Légaré等[24]發現，SMRT/HDAC1相關阻遏蛋白（SPEN）作為一種腫瘤抑制蛋白，與初級纖毛形成關系密切。在富含初級纖毛的MCF10A和Hs578T細胞中，SPEN沉默可使纖毛形成減少，故SPEN可調控初級纖毛形成。作者還發現，SPEN可能通過調控初級纖毛的豐度進而影響乳腺癌細胞的早期轉移，這可能與SPEN表達水平和腫瘤組織本身的復雜性相關，其具體作用機制仍有待進一步探討。

2.2.4 透明細胞腎癌 透明細胞腎癌（clear cell renal cell carcinoma）是來源于腎透明細胞的惡性腫瘤，惡性程度較低，約占腎癌的70%～80%。Dere等[25]研究發現，VHL基因突變與透明細胞腎癌發生相關，即在腫瘤細胞中，VHL基因缺失以及AURKA活化可致初級纖毛分解進而導致其缺失。作者進一步發現，在無VHL基因的細胞中，AURKA表達受β-連環蛋白轉錄的驅使，而驅動蛋白家族的HIFiA并不使AURKA表達增加。在透明細胞腎癌細胞中，HIF1A可通過抑制β-連環蛋白的轉錄進而抑制AURKA表達。作者還發現，在VHL缺失細胞中，VHL基因敲除可活化β-連環蛋白并使AURKA表達增加，減少初級纖毛形成并使其長度明顯縮短。相反，β-連環蛋白敏感性轉錄抑制因子iCRT14可降低AURKA表達水平并修復初級纖毛，增加纖毛形成。作者認為，β-連環蛋白抑制因子可作為修復初級纖毛形成的重要方法并成為一種新的治療途徑應用于透明細胞腎癌的臨床治療。

2.2.5 膠質母細胞瘤 膠質母細胞瘤（glioblastoma，GBM）屬于星形膠質細胞腫瘤，主要發生于中樞神經系統，常呈浸潤性生長。Maria和Ander[26]分析指出，人星形膠質瘤細胞系（U-251 MG）中，細胞周期蛋白依賴激酶（CDK/CCRK）20過表達可介導初級纖毛丟失，后者可促進腫瘤細胞增殖；而抑制CDK20/CCRK的表達可使纖毛形成功能恢復。GBM的形成、侵襲和耐藥等均依賴于初級纖毛，如具有初級纖毛的GBM瘤細胞亞群可表達鋅指E-盒結合同源異形盒1（ZEB1），后者作為一種轉錄因子在GBM的上皮間質轉化中具有重要誘導作用，可促使該腫瘤發生和侵襲等。作者還指出，初級纖毛與某些重要信號通路密切相關，進而影響GBM的發生和發展，如CDK/CCRK介導的初級纖毛缺失與磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）信號通路密切相關，即PI3K通路的異?；罨赏ㄟ^促進CDK20/CCRK的表達而影響纖毛結構的維持，間接導致腫瘤的發生；而外源性激活與初級纖毛相關的Hh信號通路可導致腫瘤的失控性生長[27]。由此可見，GBM的發病機制十分復雜，初級纖毛和某些信號通路作為該腫瘤發生和發展的重要調控因子值得深入研究和探討。

2.2.6 骨肉瘤和軟骨肉瘤 骨肉瘤（osteosarcoma）又稱成骨肉瘤，是一種起源于間質細胞的惡性成骨性腫瘤，兒童或青少年多發。Kowal和Falk[28]培養人骨肉瘤MG63細胞和免疫熒光標記初級纖毛相關蛋白Arl13b時發現，在MG63細胞中所測得初級纖毛數量比為46.5%±11.5%，進一步發現骨肉瘤細胞主要在G1、S和G2期強烈表達初級纖毛，提示初級纖毛與該腫瘤高度增生密切相關。軟骨肉瘤（chondrosarcoma）是另一種來源于軟骨的惡性骨腫瘤，好發于成人。Yuan和Yang[29]指出，具有纖毛的惡性軟骨細胞中其初級纖毛頻度僅為12.4%，較正常軟骨細胞（67.7%）明顯降低，提示在軟骨細胞中初級纖毛的缺失可導致細胞增殖阻滯，并促進細胞周期調節基因的缺失，而后者有助于腫瘤生長。因此作者認為，初級纖毛可作為一種重要的生物學標志應用于臨床。

2.2.7 非小細胞肺癌 非小細胞肺癌（non-small-cell lung carcinoma）是一種嚴重威脅人類健康和生命的呼吸系統惡性腫瘤，包括肺鱗狀細胞癌、腺癌及大細胞癌。非小細胞肺癌與小細胞癌相比，其癌細胞生長分裂及擴散轉移相對較慢，約占所有肺癌發病率的80%。但初級纖毛并不直接影響該腫瘤的發生發展。Kim等[30]發現，Wnt/β-連環蛋白信號通路異?？蓪е路切〖毎伟┌l生和相關藥物抵抗。在該腫瘤細胞中，驅動蛋白-2家族成員KIF3A可抑制Wnt/β-連環蛋白信號通路的異常表達，而敲除該基因既可增加β-連環蛋白水平也可促進惡變相關的轉錄活性。作者進一步發現，KIF3A結合β-抑制蛋白并通過非初級纖毛依賴分子機制調控Wnt/β-連環蛋白信號通路的應答。由此可見，某些惡性腫瘤如非小細胞肺癌發生并不依賴于初級纖毛的調控，而是與其內部的相關標志分子發生相互作用有關系。

3 小結

初級纖毛作為一種古老而重要的細胞器，存在于人體各個器官和組織細胞中，其數量眾多、功能復雜。初級纖毛發揮其重要功能與維持人體正常生理穩態密切相關。在病理狀態下，初級纖毛結構和功能異?？蓪е屡R床很多疾病包括某些惡性腫瘤的發生發展。其中，初級纖毛既具有重要的抑瘤效應，也具有一定的促瘤作用，這與其內外相關蛋白分子表達異常有關，還與部分重要的信號轉導通路，如Hh及Wnt等通路的信號轉導異常密切相關，但其涉及的相關分子及作用機制卻十分復雜。因此，進一步探討和研究初級纖毛與惡性腫瘤的關系對將來臨床上發現新的預防機制和治療靶點，并進一步有效防治惡性腫瘤的發生發展具有重要的作用和意義。