幾丁質酶3-樣1在腫瘤中的研究進展

余志龍，姜可偉

（北京大學人民醫院胃腸外科/北京大學人民醫院外科腫瘤研究室/結直腸癌診療研究北京市重點實驗室，北京 100442）

黨的十八大以來，醫療衛生體制改革使我國近14億人受益，尤其是抗癌藥零關稅、加快抗癌新藥審批、抗癌藥品集中采購等政策，使更多腫瘤患者用上了放心藥、廉價藥。為了人民的健康，改革的腳步還在繼續，針對腫瘤的基礎和臨床研究也未停止腳步。幾丁質酶3-樣1（chitinase 3-like 1，CHI3L1）是哺乳動物幾丁質酶家族的成員，但缺乏幾丁質酶活性。CHI3L1是由多種類型細胞產生，具有細胞因子和生長因子特性的凝集素[1]。在炎癥性疾病和各種類型的癌癥患者的循環血液中，CHI3L1的表達水平升高，如類風濕關節炎、炎癥性腸病、支氣管疾病哮喘、乳腺癌、肺癌、前列腺癌、消化道腫瘤和其他類型癌癥等[2-5]。此外，CHI3L1作為生長因子，具有誘導靶細胞增殖和遷移的能力，成為腫瘤治療中有吸引力的靶點[6]。更重要的是，研究表明CHI3L1在腫瘤的進展和免疫中具有重要作用[7]。本文旨在討論CHI3L1在癌癥中作用的最新研究成果，分析其作為腫瘤調節劑的具體作用機制，現綜述如下。

1 CHI3L1的蛋白結構特點

CHI3L1基因位于人染色體1q31～1q32上，由7498個堿基對和10個外顯子組成，基因組DNA長約8 kbp。CHI3L1是糖苷水解酶家族18中不可缺少的成員，其與幾丁質結合，但缺乏幾丁質酶活性。與具有幾丁質酶活性相比，CHI3L1蛋白幾丁質結構中催化活性必需氨基酸發生突變，質子供體谷氨酸變為異亮氨酸，導致類幾丁質酶樣蛋白失去催化能力[8]。晶體衍射研究表明，CHI3L1的三維結構是一個由β+α結構域嵌入形成的（β/α）8-barrel折疊，（β/α）8-barrel由8個首尾相接的βα二級結構單元構成，即β1α1β2α2…β8α8，形成內外兩層筒狀結構，見圖1（圖片來自PDB蛋白質結構數據庫）。內層桶由相鄰的β折疊股構成（其中β8與β1通過氫鍵連接），外層桶由8個α螺旋構成。此外，CHI3L1蛋白的（β/α）8-barrel結構域中的β鏈C端中還有一個43殘基的碳水化合物結合裂隙。本質上，蛋白質-碳水化合物的相互作用主要是由側面的堆積。這種結構表明，CHI3L1作為一種傳感器，可以開啟先天防御，不僅可調節感染導致的炎癥反應，還會促進腫瘤的發生[9]。

圖1 CHI3L1蛋白三維結構Figure 1 Three-dimensional structure of CHI3L1 protein

2 CHI3L1的生物學功能

CHI3L1最初被發現于MG63細胞系培養的上清液中，也在人關節軟骨細胞的單層或外植體培養物中被鑒定出來，并被稱為人軟骨糖蛋白39（human cartilage glycoprotein 39，HC-gp39）。此外，由于CHI3L1以分泌形式存在3個N端氨基酸殘基：酪氨酸（tyrosine，Y）、賴氨酸（lysine，K）和亮氨酸（leucine，L），且分子量為40 kDa，因此，又被命名為YKL40[10]。CHI3L1由多種細胞產生，包括巨噬細胞、中性粒細胞、干細胞、骨細胞、滑膜細胞、軟骨細胞、成纖維細胞樣細胞、內皮細胞、血管平滑肌細胞、肝星狀細胞、乳腺上皮細胞和腫瘤細胞。CHI3L1可調節氧化損傷、細胞凋亡、細胞焦亡、炎癥小體激活、Th1/Th2炎癥平衡、M2型巨噬細胞分化、樹突狀細胞（dendritic cells，DC）積累、TGF-β1表達、細胞外基質調節等多種必要的生物學過程，在保護機體免受病原體、抗原誘導和氧化誘導的損傷反應、炎癥反應及組織修復和重塑方面具有關鍵作用[11-13]。

研究發現，CHI3L1可通過MAPK和Akt信號傳導的磷酸化促進滑膜細胞、關節軟骨細胞、皮膚和胎兒肺成纖維細胞的生長。因此，CHI3L1沉默會降低HEK293和U87細胞增殖[14]。此外，CHI3L1還與IGF-1協同作用，通過啟動在組織纖維化中起主要作用的MAPK/Erk1/2和磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）信號級聯反應來刺激成纖維細胞的生長。從本質上講，MAPK和PI3K通路在有絲分裂、生長、增殖、凋亡和癌細胞轉化中均具有重要作用[15]。

CHI3L1可驅動免疫細胞激活和分化，對巨噬細胞分化、DC積累和Th1/Th2平衡有顯著影響[16]。與其他單核細胞/巨噬細胞標記物相比，CHI3L1未在單核細胞中發現，但在人類巨噬細胞分化的后期階段受到強烈誘導，此時核Sp1與CHI3L1啟動子結合以促進人類巨噬細胞成熟的后期階段。但CHI3L1在單核細胞衍生的DCs的分化和成熟過程中以時間依賴性方式表達，并分布于未成熟和成熟DCs的細胞質和細胞核中[17]。另外，CHI3L1在CD4+T細胞極化和Th2炎癥的發病機制中具有重要作用。CHI3L1缺陷型的CD4+T細胞分化為Th1細胞。本質上，CHI3L1在活化的T細胞和Th2細胞中表達，通過IFN-γ-STAT1軸的IFN-γ信號傳導調節Th1和Th2分化。因此，CHI3L1是Th1極化和細胞毒性T淋巴細胞表達的調節劑，可作為增強抗腫瘤免疫的潛在治療靶點[18]。

此外，在普通人群中發現，CHI3L1的3個啟動子單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism，SNPs）（rs4950928、rs10399805和rs10399931）、1個 非同義SNP（rs880633）和4個內含子SNP（rs1538372、rs2071579、rs946259和rs2275353）與血清中表達水平相關，在處于或低于全基因組關聯顯著性水平[19]。因此，CHI3L1的遺傳變異與多種炎癥性和腫瘤性疾病的發生和預后密切相關。在歐洲血統的哮喘患者中，rs12141494的風險等位基因A被發現與氣道和嚴重哮喘中較高水平的CHI3L1相關[20]。同樣，在中國西南漢族人群中，CHI3L1的rs10399931 CT/TT基因型與哮喘風險增加相關[21]。

3 CHI3L1在腫瘤中的作用

3.1 CHI3L1作為腫瘤標記物迄今為止，已發現CHI3L1循環血液和腫瘤組織表達水平在許多實體腫瘤中顯著升高，包括膠質母細胞瘤、乳腺癌、結腸癌、肺癌、前列腺癌、膀胱癌、胃癌、子宮內膜癌、食管鱗狀細胞癌、肝癌、胰腺癌、頭頸癌及其他腫瘤，通常預示病情惡化或較短的無病生存期，CHI3L1在多種類型腫瘤中的表達和預后見圖2（數據來自GEPIA和Kaplan-Meier Plotter數據庫）。研究[22]表明，CHI3L1在人卵巢癌組織和血漿中的表達與腫瘤分期和組織學類型相關，但僅血漿CHI3L1水平與預后具有相關性。同樣，在單變量和多變量分析中，乳腺癌患者組織中CHI3L1高表達水平與無病生存期和總生存期無明顯相關性，這與CHI3L1血清水平作為預后生物標志物的報道一致[23]。此外，有研究[24]顯示，在人膠質母細胞瘤中，CHI3L1的上調抵消了放療或化療的效果，表明有必要在放化療時監測血漿CHI3L1水平的動態變化。

圖2 CHI3L1在多種實體腫瘤中的表達和預后情況Figure 2 The expression and prognosis of CHI3L1 in a variety of solid tumors

然而，盡管在多數已確診癌癥患者的血液中發現CHI3L1表達水平升高，但單獨的CHI3L1并不預示癌癥，因為在許多其他炎癥性疾病中同樣發現其表達水平升高。由于CHI3L1在人類疾病中的混雜表達，因此，其在血清中的表達水平并不能被認為是腫瘤進展的獨立特異性的生物標志物。有研究發現，CHI3L1和其他腫瘤生物標志物的組合被認為在預測癌癥的腫瘤發生方面更加有效和準確。例如，雖然糖抗原199（carbohydrate antigen-199，CA199）對人胰腺癌的診斷準確性優于CHI3L1或白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6），但CHI3L1、IL-6和CA199的組合對胰腺癌的預測價值最佳[25]；CHI3L1與鱗狀細胞癌抗原（squamous cell carcinoma antigen，SCCA）（肝細胞癌的血清學標志物）的組合顯著增加了檢測食管鱗癌的敏感性[26]。

3.2 CHI3L1對腫瘤細胞增殖、侵襲和轉移的影響有研究發現，CHI3L1刺激可導致肝癌細胞中SMAD2、SMAD3的磷酸化，同時也可通過調節TGFβ信號通路而促進細胞增殖、侵襲和轉移[27]。同樣，CHI3L1可通過激活MAPK/Erk信號通路增強結直腸癌SW480細胞的增殖，還可通過NF-κB信號通路促進結直腸癌細胞（包括SW480和COLO205細胞）增殖和遷移[28]。此外，CHI3L1可誘導促炎和促腫瘤發生分子的表達，包括CCL2、CXCL2、MMP-2和MMP-9等，使腫瘤細胞生長和增殖[29]。

侵襲和轉移是惡性腫瘤的主要特征和影響患者預后的主要原因。研究報道有39%～91%發生腫瘤轉移的患者血清CHI3L1水平顯著升高，而高表達CHI3L1的腫瘤患者更易發生腫瘤轉移且總體生存預后較差[30]。因此，CHI3L1被提議作為腫瘤疾病的預后生物標志物，包括甲狀腺乳頭狀癌、腦膠質瘤、乳腺癌、前列腺癌、肺癌和肝細胞癌。上皮間質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）是一種關鍵的發育程序，可產生具有干細胞特性的細胞，通常在腫瘤轉移和侵襲過程中被激活。有研究[30]在非小細胞肺癌CL1-1、H23、H838、CL1-5和H2009等 細 胞 系 中 發 現，CHI3L1能 調 控Twist、Snail、Slug、N-鈣黏蛋白、波形蛋白和E-鈣黏蛋白等EMT標志物的表達，這表明CHI3L1是非小細胞肺癌轉移的主要因素。同樣，又有學者發現，CHI3L1的表達與前列腺癌細胞（DU145和PC3）的轉移性和侵襲性呈正相關，也是通過調控EMT相關基因的表達直接影響腫瘤細胞轉移[31]。另外，在具有高度侵襲性的膠質細胞瘤中，KU等[32]猜測患者CHI3L1高表達與其迅速轉移相關，該研究通過沉默人膠質母細胞瘤U87MG細胞CHI3L的表達發現，U87MG細胞對細胞外基質底物的黏附能力顯著降低，同時細胞內MMP-2的表達也明顯減少。

3.3 CHI3L1對腫瘤免疫的影響由于CHI3L1主要由中性粒細胞和巨噬細胞分泌，且其在先天免疫細胞中表達并參與內皮功能障礙和組織重塑等生理過程，因此，CHI3L1在其高表達類型的腫瘤中，對其免疫應答也有一定的影響。有學者發現，M2巨噬細胞分泌的CHI3L1與癌細胞質膜上的IL-13Rα2相互作用，可觸發胃癌和乳腺癌中MAPK信號通路的激活。激活后，Erk和JNK信號會增強MMP的表達，而MMP會降解腫瘤微環境中的ECM，從而促進轉移[7]。

另外，HE等[33]在黑色素瘤肺轉移模型中證實了CHI3L1在腫瘤免疫中的重要作用，該試驗在CHI3L1轉基因小鼠中觀察到IL-13Rα2 wt小鼠肺轉移增加，而IL-13Rα2-/-或CHI3L1 Tg-/-老鼠肺轉移數顯著降低。證實了在黑色素瘤肺轉移中，CHI3L1與IL-13Rα2的結合對于TGF-β的誘導作用是必要的，對于抑制免疫監視具有重要意義。純化的CHI3L1蛋白通過激活ERK1/2和JNK信號通路，強烈誘導人結腸癌SW480細胞產生IL-8和CCL2，增強體外THP-1細胞的遷移，增加體內巨噬細胞向腫瘤組織的浸潤[34]。此外，CHI3L1的缺失或靶向抑制可增強Th1效應細胞因子[干擾素-γ（interferon-γ，IFN-γ）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）]的產生和細胞毒性T淋巴細胞反應，從而增強抗腫瘤免疫并減少肺轉移。

3.4 CHI3L1在腫瘤治療中的作用由于CHI3L1在多種類型腫瘤患者中過量表達，因此，其被作為腫瘤中潛在的診斷預后標志物和治療靶點。FAIBISH等[35]發現在膠質瘤細胞U87中使用CHI3L1中和抗體可以有效抑制微血管管狀內皮細胞形成，消除CHI3L1誘導的血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）受體2的表達，并通過阻斷Akt通路加速γ射線誘導的膠質瘤細胞U87凋亡。另外，U87細胞在γ射線誘導下細胞死亡過程中能產生高水平的CHI3L1蛋白，而使用阻斷CHI3L1活性單克隆中和抗體會能降低異種移植模型中的腫瘤生長、血管生成和轉移。上述結果表明，中和抗體能有效抑制膠質瘤細胞的生長和轉移。在另一項報道中，研究者在替莫唑胺耐藥（temozolomide resistance，TMZR）膠質母細胞瘤中加入CHI3L1抑制劑，能有效抑制細胞侵襲活性并部分恢復對TMZ藥物的敏感性。在添加抗CHI3L1抗體培養后可顯著減少胃癌（MKN-45）和乳腺癌（MDA-MB-231）細胞的黏附、遷移和侵襲。在乳腺癌中，尤其是一種針對KR富集區域（殘基334-345）的中和性抗CHI3L1抗體能夠有效抑制血管生成和腫瘤細胞轉移[36]。

除了抗CHI3L1特異性抗體和靶向化學抑制劑外，幾丁質作為TH1佐劑和CHI3L1的配體，可以抑制CHI3L1的表達。有研究報道，在乳腺荷瘤小鼠模型中，幾丁質治療可減少促炎介質（CCL2，CXCL2和MMP-9）的誘導，抑制CHI3L1過表達誘導腫瘤生長和肺轉移[37]。目前尚無開展針對CHI3L1抑制劑的臨床實驗，但隨著對CHI3L1功能和調控機制的深入研究，CHI3L1在未來有望成為新的腫瘤靶向抑制目標。

4 總結

CHI3L1血清水平與多種人類癌癥的不良預后之間的明確關聯促使了對CHI3L1廣泛的體外和體內研究，旨在剖析其參與致癌作用和腫瘤進展的機制。截至目前，已發表的研究揭示了CHI3L1在腫瘤細胞增殖、血管生成、炎癥、侵襲和轉移過程中幾乎無可爭議的支持作用，使其成為癌癥治療的新靶點。此外，CHI3L1自身嵌入β鏈的丙糖-磷酸異構酶桶狀結構特點和類似凝集素結合的特性表明，其可通過與細胞表面蛋白聚糖上的細胞外成分和糖基結合來調節腫瘤進展。黨的十八大以來，我國的衛生健康事業快速發展，腫瘤的防治工作取得了顯著成效，對于癌基因和抑癌基因的探索更是不斷突破，為健康中國建設夯實基礎。盡管在探究CHI3L1功能方面取得了一定的成就，但關于其在人類腫瘤中的表達及與腫瘤預后的關聯數據較零碎，需在未來進行深入研究。