文章來源:楊柳青,石漢平.晝夜節(jié)律與腫瘤.腫瘤代謝與營(yíng)養(yǎng)電子雜志2017,6(4):338-342

正文

晝夜節(jié)律（circadian rhythm），也稱為近日節(jié)律，是生物體內(nèi)具有自我調(diào)節(jié)功能、與日夜交替同步的以 24 小時(shí)為周期的一種生理節(jié)律系統(tǒng)。近年來，越來越多的流行病學(xué)和遺傳學(xué)數(shù)據(jù)顯示，晝夜節(jié)律的破壞與病理狀態(tài)相關(guān)，這些病理狀態(tài)包括抑郁、睡眠紊亂、代謝綜合征和腫瘤等 [1]。惡性腫瘤的特征之一是細(xì)胞失控制性、失序性地增殖。由于晝夜節(jié)律鐘基因與神經(jīng)內(nèi)分泌、免疫以及細(xì)胞周期調(diào)控密切關(guān)聯(lián)，尤其是影響著細(xì)胞增殖周期和凋亡，故與腫瘤密切相關(guān) [2]。近幾年的流行病學(xué)研究把代謝節(jié)律紊亂和人體主要器官腫瘤的發(fā)生、發(fā)展聯(lián)系在一起，這些腫瘤包括乳腺癌、卵巢癌、肺癌、胰腺癌、前列腺癌、結(jié)直腸癌、子宮內(nèi)膜癌、非霍奇金淋巴瘤、骨肉瘤、白血病、頭頸部鱗癌和肝癌等。代謝節(jié)律紊亂會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而提高患癌幾率。代謝節(jié)律失去穩(wěn)態(tài)后不僅會(huì)促進(jìn)腫瘤的發(fā)展，而且還與抗腫瘤治療的不良預(yù)后及過早死亡相關(guān) [3]。

1 晝夜節(jié)律與生物鐘基因

1.1 晝夜節(jié)律 晝夜節(jié)律是機(jī)體為了更好地適應(yīng)環(huán)境，在進(jìn)化過程中自然選擇作用下獲得的內(nèi)源性適應(yīng)機(jī)制，是生命活動(dòng)的基本特征。哺乳動(dòng)物控制晝夜節(jié)律的時(shí)鐘系統(tǒng)稱為晝夜節(jié)律生物鐘，其主要由中樞生物鐘系統(tǒng)和外周生物鐘系統(tǒng)組成。中樞生物鐘系統(tǒng)位于下丘腦視交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN），外界光被視網(wǎng)膜內(nèi)在的光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞感知，通過視網(wǎng)膜 - 下丘腦通路傳送到 SCN[4]。SCN 將光周期信息通過腦干網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、頸上神經(jīng)節(jié)和上胸脊髓傳送至松果腺體。在夜間，SCN 的神經(jīng)元活性被大幅度抑制，驅(qū)使松果腺產(chǎn)生出高濃度的褪黑激素，褪黑激素是一種強(qiáng)有力的抗癌吲哚胺分子 [5]。SCN 接收外界光信號(hào)并向人體發(fā)出同步指令，是晝夜節(jié)律的起搏點(diǎn)。除調(diào)節(jié)自身組織節(jié)律外，SCN 還可以通過神經(jīng)遞質(zhì)、內(nèi)分泌和體液等途徑影響外周生物鐘系統(tǒng)。外周生物鐘系統(tǒng)存在于肝臟、心臟、肺和腎臟等幾乎所有的組織器官中，維持晝夜節(jié)律并且調(diào)節(jié)組織特異性基因的表達(dá) [1]。外周生物鐘通過中樞生物鐘的控制產(chǎn)生與其同步的節(jié)律，并通過體液維持、調(diào)節(jié)外周節(jié)律。并且，哺乳動(dòng)物的外周組織存在著獨(dú)立于中樞生物鐘的自主生物鐘，具有自主節(jié)律性。

1.2 生物鐘基因 晝夜節(jié)律的生理機(jī)制同時(shí)被基因轉(zhuǎn)錄、信號(hào)傳導(dǎo)和代謝反饋三方面控制，其中包括了晝夜節(jié)律生物鐘基因的翻譯與表達(dá)。晝夜節(jié)律性產(chǎn)生的分子基礎(chǔ)來源于生物鐘基因之間的協(xié)調(diào)表達(dá)。晝夜節(jié)律鐘基因是生命活動(dòng)的時(shí)序控制器，通過神經(jīng)遞質(zhì)、內(nèi)分泌和體液途徑影響周圍器官和組織，控制和調(diào)節(jié)睡眠、覺醒、代謝、內(nèi)分泌、細(xì)胞增殖分裂和凋亡以及免疫等各個(gè)方面，使得器官組織和細(xì)胞水平的生命活動(dòng)能夠有序、協(xié)同，并呈現(xiàn)明顯的晝夜節(jié)律。許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)表明，晝夜節(jié)律可以調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)程，并且生物鐘基因通過調(diào)控細(xì)胞的增殖和凋亡在腫瘤發(fā)生、發(fā)展與抑制方面具有重要作用 [6]。

目前，在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的生物鐘基因包括 ：晝夜節(jié)律運(yùn)動(dòng)輸出周期故障（circadian locomotor output cycles kaput，Clock）、腦和肌肉組織芳香烴受體核轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的類似蛋白 1（brain and muscle ARNT-like protein 1，bmal1）、周期蛋白（period，Per）家族（包括 Per1、Per2、Per3）、隱花色素（cryptochrome，Cry）家族（包括 Cry1、Cry2）、孤兒核受體 α（REV-ERBα）、視黃酸受體相關(guān)的孤兒受體 α（retinoic acid receptor-related orphan receptorα，RORα）、酪氨酸激酶 1ε（casein kinase 1ε，CK1ε）、酪氨酸激酶 1δ（ casein kinase 1δ，CK1δ）、神經(jīng)元 PAS 域蛋白 2（neuronal PAS domain protein 2，NPAS2）和永恒蛋白（timeless，Tim）等 [7, 8]。

1.3 生理機(jī)制 在分子水平上，晝夜節(jié)律由多個(gè)相互影響的生物鐘基因以及生物鐘基因蛋白產(chǎn)物組成的轉(zhuǎn)錄 - 翻譯負(fù)反饋回路維持 [9]，見圖 1。不同反饋回路之間的相互作用使生物鐘基因的表達(dá)出現(xiàn)近似24 小時(shí)為周期的震蕩，隨后通過輸出系統(tǒng)調(diào)節(jié)效應(yīng)器形成晝夜節(jié)律 [10]。

轉(zhuǎn)錄因子異二聚體 CLOCK-BMAL1 作為分子生物鐘的核心調(diào)控因子，可通過多個(gè)負(fù)反饋回路對(duì)其進(jìn)行調(diào)控 ：① CLOCK-BMAL1 通過結(jié)合生物鐘基因啟動(dòng)子 E-box DNA 序列，上調(diào) Per 和 Cry表達(dá)。PER、CRY 是負(fù)反饋調(diào)節(jié)的重要組件，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的 PER、CRY 蛋白升高到一定程度，便與CK1ε/δ 形成復(fù)合物運(yùn)輸至細(xì)胞核內(nèi)抑制 CLOCKBMAL1 活性。與此同時(shí)，細(xì)胞內(nèi)一部分沒有結(jié)合的 PER 和 CRY 則分別被 CK1ε/δ 和磷酸腺苷激活蛋白激酶（AMP-actived protein kinase，AMPK）磷酸化降解，從而解除對(duì) CLOCK-BMAL1 復(fù)合物的抑制并開始新一輪轉(zhuǎn)錄 [11]，這是晝夜節(jié)律調(diào)控最關(guān)鍵的負(fù)反饋回路 ；② CLOCK-BMAL1 可上調(diào)節(jié)負(fù)轉(zhuǎn)錄因子 REV-ERBα/β，并激活正向轉(zhuǎn)錄因子 ROR（α、β、γ）。兩者分別競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合位于靶基因上的調(diào)控原件 RREDNA 序列，進(jìn)而分別抑制或激活BMAL1 轉(zhuǎn)錄 [12, 13]，見圖 2 ；③ SIRT1 回路 ：去乙酰化酶 1（sirtuin1，SIRT1）被煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD）調(diào)節(jié)，NAD 通過煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（nicotinamide phosphoribosyl transferase，NAMPT）生成，NAD是SIRT1的底物，NAMPT 是NAD限速酶。CLOCK-BMAL1 通過結(jié)合 E-box 基因序列后上調(diào)NAMPT 表達(dá)，在細(xì)胞核外 NAMPT 生成 NAD，從而上調(diào) SIRT1，SIRT1 進(jìn)入細(xì)胞核后抑制 CLOCKBMAL1。除了上述的三條回路外，還有多條回路同時(shí)對(duì)晝夜節(jié)律進(jìn)行調(diào)控。

2 抑癌基因、原癌基因與晝夜節(jié)律的相關(guān)性

2.1 生物鐘基因與腫瘤 腫瘤發(fā)生的根本原因是機(jī)體在基因水平上失去了對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的正常調(diào)控作用。生物鐘基因可調(diào)控原癌基因、抑癌基因以及轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá) , 這使其在腫瘤發(fā)生、發(fā)展和抑制方面發(fā)揮直接或間接的作用。Per2 和 Bmal1 基因?qū)Ψ伟┑霓D(zhuǎn)移和進(jìn)展起到抑制作用。生物鐘基因的缺失表達(dá)會(huì)導(dǎo)致原癌基因 c-Myc 的表達(dá)升高與代謝紊亂 [14]。Winter SL 等 [15] 在研究散發(fā)性和家族性原發(fā)乳腺癌時(shí)發(fā)現(xiàn)，與正常的乳腺組織相比，Per1、Per2 基因在腫瘤組織中的表達(dá)均有明顯下降，尤其是在家族性原發(fā)乳腺癌中的 Per1 表達(dá)較散發(fā)性乳腺癌標(biāo)本相比有明顯的下降，這表明生物鐘基因的表達(dá)紊亂可能是家族性乳腺癌發(fā)病的一個(gè)重要因素。CRY2可促進(jìn) c-Myc 的泛素化和降解 [16]，PER1、PER2 在活體中均可通過促進(jìn)細(xì)胞凋亡達(dá)到對(duì)乳腺癌發(fā)生的抑制，并且可以通過間接的抑制 c-Myc 轉(zhuǎn)錄降低腫瘤的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。Clock、Per 和 Cry 的高表達(dá)與更長(zhǎng)時(shí)間的腫瘤無轉(zhuǎn)移生存具有相關(guān)性，Per3 和 Cry2共同表達(dá)的缺失與乳腺癌轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)升高相關(guān) [13, 17]，見表 1。

Zhao H等[18] 對(duì)246名年齡在23~79 歲的不同分期（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）的胃癌患者進(jìn)行臨床研究表明，Per1 和 Per2 的表達(dá)與病理分期具有顯著相關(guān)性，越高的病理分期對(duì)應(yīng)的 Per1 和 Per2 的表達(dá)越低。數(shù)據(jù)顯示，胃癌樣本中的 Per1 和 Per2 水平均低于瘤旁組織。并且，Per1、Per2 低表達(dá)的胃癌患者的生存期顯著低于 Per1、Per2 高表達(dá)的患者。Yang S 等[19] 研究發(fā)現(xiàn)，在 30 例肝細(xì)胞癌樣本中，與瘤旁組織相比 Per1、Per2、Per3 和 Cry2 mRNA 水平在癌組織樣本中有明顯的下降，但 CLOCK-BMAL1、Cry1、CK1ε/δ 沒有顯著變化，說明 Per1、Per2、Per3 和Cry2 在肝細(xì)胞癌組織樣本中的表達(dá)較低。這些基因的表達(dá)在結(jié)直腸癌和胰腺癌中也同樣發(fā)現(xiàn)了下降。并且低水平的 Per1、Per2、Per3 和 Cry2 與患者的不良預(yù)后具有顯著相關(guān)性，意味著這些基因可能與腹部惡性腫瘤的發(fā)生與發(fā)展有緊密關(guān)聯(lián) [20, 21]。

2.2 Ras Ras基因家族（K-Ras、H-Ras 和 N-Ras）分別由位于 3 條染色體上的不同基因所編碼。Ras 蛋白是調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖信號(hào)通路的重要元件。Ras 變異可能引起細(xì)胞的異常增殖并導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。在胰腺癌、肺癌、結(jié)腸癌等惡性腫瘤中 , Ras 基因的突變高達(dá) 30%~90%。Ras 變異可以加速細(xì)胞代謝的改變 [22]。近十年研究表明，野生型 Ras 與晝夜節(jié)律之間相互影響，而突變的 Ras 可能會(huì)潛在的改變晝夜節(jié)律。在果蠅動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Ras 信號(hào)通路及其下游的絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路可以調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律，相反地，MAPK 通路受晝夜節(jié)律震蕩管理。進(jìn)一步研究表明，MAPK 通路中的胞外信號(hào)調(diào)控激酶（extracellular signal-regulated kinase，ERK）通路可以直接使 CLOCK 磷酸化，從而提高生物鐘基因的輸出[23]。GSK3 是 Cry、Per 的調(diào)節(jié)因子并且能夠控制CLOCK 的穩(wěn)定性。抑制狀態(tài)下的 GSK3 使 CLOCK處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng) GSK3 激活會(huì)導(dǎo)致 CLOCK 的降解。Spengler ML 等 [24] 研究表明 ：Ras 可以通過激活 GSK3 從而上調(diào)節(jié) CCGs。因此可以得出結(jié)論 ：Ras 可以通過上調(diào)鐘控基因以改變代謝節(jié)律。

2.3 LKB1/AMPK AMPK是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中高度保守的蛋白質(zhì)，是代謝和能量感受器。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的AMP/ATP 比值升高時(shí)，AMPK 活化并通過下調(diào)合成代謝及促進(jìn)催化氧化過程來恢復(fù)體內(nèi) ATP 的含量，維持機(jī)體的正常代謝 [25, 26]。抑癌基因肝激酶B1（liver kinase B1，LKB1）的蛋白產(chǎn)物是 AMPK的上游激酶，在很多惡性腫瘤細(xì)胞中都發(fā)現(xiàn)了LKB1 的突變或缺失，尤其是在非小細(xì)胞肺癌中達(dá)到了 35%[27]。研究顯示，在小鼠肝臟內(nèi) AMPK 的核定位和活性與CRY1核內(nèi)蛋白的豐富程度成反比。通過激活 AMPK 可以使 CRY1 磷酸化并且改變晝夜節(jié)律 [28, 29]。

此外，AMPK 還可以調(diào)節(jié) NAMPT mRNA 含量。研究顯示，轉(zhuǎn)基因小鼠模型中，在代謝應(yīng)激狀態(tài)下，骨骼肌中 NAD 的限速酶 NAMPT 的含量隨 AMPK 的升高而升高。因此，AMPK 通過升高NAMPT 的含量以激活 NAD，進(jìn)而通過提高 SIRT活性而對(duì)晝夜節(jié)律進(jìn)行調(diào)節(jié) [30]。二甲雙胍通過激活A(yù)MPK 來降低血糖水平，見圖 3。研究發(fā)現(xiàn)，服用了二甲雙胍的小鼠的晝夜節(jié)律周期有所縮短，其機(jī)制是 AMPK 可以促使 CK1ε/δ 磷酸化而提高活性，并進(jìn)一步促進(jìn)了 mPer2 降解 [31]。目前臨床上應(yīng)用二甲雙胍和反新陳代謝療法來進(jìn)行抗腫瘤治療的機(jī)制就是通過激活 AMPK 來改變生物鐘。綜上所述，LKB1 與 AMPK 的減少或缺失會(huì)改變晝夜節(jié)律震蕩。

2.4 p53 p53是最重要的抑癌基因之一。其編碼產(chǎn)物是核轉(zhuǎn)錄因子。當(dāng)細(xì)胞發(fā)生 DNA 損傷或者原癌基因突變激活時(shí)，p53 會(huì)接到上游應(yīng)激信號(hào)，在細(xì)胞內(nèi)的含量隨即升高，引發(fā)應(yīng)激反應(yīng)，促使損傷細(xì)胞的修復(fù)以及異常細(xì)胞的凋亡 [22]。當(dāng) p53 基因突變時(shí)或?qū)е乱职┕δ苋笔?、獲得性產(chǎn)生致癌功能、抑制正常 p53 基因活性等，最終導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。在很多腫瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了 p53 的突變或缺失，從而導(dǎo)致代謝異常、細(xì)胞周期調(diào)控受損和抑制細(xì)胞凋亡 [32]。研究發(fā)現(xiàn)，p53 表達(dá)具有晝夜節(jié)律性 [33]。Per2 可以直接調(diào)控 p53 的活性。通過突變使 Per2 失活，會(huì)使受到電離輻射的荷瘤小鼠體內(nèi)的p53的堆積延遲，p53 的活化受到抑制，細(xì)胞持續(xù)增生，最終因腫瘤的發(fā)展導(dǎo)致死亡 [34]。Hua H 等 [35] 在肺癌荷瘤小鼠中研究發(fā)現(xiàn)，p53 的過表達(dá)可以改變凋亡相關(guān)基因，在 Per2 高表達(dá)的 LLC 細(xì)胞株里，p53 mRNA 和蛋白質(zhì)的水平高于對(duì)照組。因此得出結(jié)論 ：mPer2 的過表達(dá)可以顯著抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)，誘導(dǎo)肺癌小鼠腫瘤細(xì)胞的凋亡，其機(jī)制是 p53 調(diào)節(jié)線粒體信號(hào)通路。Miki T 等 [36] 研究發(fā)現(xiàn)，在 SCN 中，p53與 Per2 啟動(dòng)子結(jié)合，阻礙 Per2 啟動(dòng)子和 CLOCK/BMAL1 的結(jié)合并導(dǎo)致 Per2 的表達(dá)受到抑制，p53含量過高或過低都會(huì)對(duì)小鼠的生理行為產(chǎn)生相移。因此得出結(jié)論，p53 可以影響 Per2 基因和其蛋白產(chǎn)物的表達(dá)，并通過調(diào)節(jié) Per2 從而對(duì)晝夜節(jié)律產(chǎn)生影響。兩項(xiàng)互補(bǔ)性研究發(fā)現(xiàn) ：無論是正常狀態(tài)還是在基因毒性應(yīng)激（genotoxic stress）下，細(xì)胞質(zhì)中PER2 蛋白均可以和 p53 形成二聚體來穩(wěn)定 p53 并允許其進(jìn)入細(xì)胞核中 [37]。因此，p53 與 Per2 之間具有雙向調(diào)節(jié)作用。

3 總結(jié)

腫瘤發(fā)生的根本原因是機(jī)體在基因水平上失去了對(duì)細(xì)胞正常生長(zhǎng)的調(diào)控作用。晝夜節(jié)律與腫瘤之間有互相影響的關(guān)系。生物鐘基因可調(diào)控原癌基因、抑癌基因以及轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。晝夜節(jié)律在影響內(nèi)分泌、免疫系統(tǒng)與細(xì)胞周期的同時(shí)，對(duì)腫瘤的發(fā)生和抑制相關(guān)的分子機(jī)制有待于進(jìn)一步的研究。生物鐘基因與細(xì)胞周期關(guān)系的進(jìn)一步闡明或許有助于我們更全面地了解腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和散播轉(zhuǎn)移機(jī)制，并可將其應(yīng)用在腫瘤的治療中以提高治療效果，例如時(shí)辰放療 [38]。對(duì)晝夜節(jié)律認(rèn)識(shí)的深入有助于在臨床腫瘤的預(yù)防、診斷、治療及預(yù)后的判斷方面提供依據(jù)，并具備良好的臨床應(yīng)用前景。