肿瘤与生物节律

昼夜节律失调与肿瘤的发生有关。对动物及人体肿瘤进行的研究均发现，昼夜节律失调是肿瘤发生发展的内在因素之一。大规模的流行病学调查研究发现，经常从事夜班工作的女性患乳腺癌的风险明显升高；啮齿类动物持续暴露于光照下会明显提高肿瘤的发生率。肿瘤细胞的增殖遵循自主的节律模式，与正常组织的细胞增殖方式存在明显差异。生物钟基因（也称钟基因，clock gene）的发现和对其活动规律的揭示，使人们对生物昼夜节律的研究获得突破性进展。运用现代时辰生物学理论及其研究方法来探索肿瘤细胞基因表达的时间特征，以及在此基础上进行的肿瘤时辰治疗已成为当前肿瘤研究的前沿课题。

（一）钟控基因与癌基因、抑癌基因

许多调控细胞增殖的基因为钟控基因（clock-controled gene，CCG），钟控基因可通过调控原癌基因与抑癌基因的表达，直接或间接的影响肿瘤的发生发展。

1．原癌基因c-myc　原癌基因c-myc是CCG之一。在野生小鼠肝中，可以测得c-myc的周期性表达；在mPer2突变小鼠中，c-myc过度表达。c-myc可削弱由它控制的抑癌基因的表达，使细胞持续异常增殖，形成肿瘤。

2．癌基因c-erb　在一项对55例中国台湾乳腺癌患者手术切除标本的研究中发现，其中53例标本的肿瘤细胞中PER蛋白的表达与周围正常细胞的表达不一致。进一步检测发现，其中半数生物钟基因Per的启动子cpG位点甲基化，该位点的甲基化与癌基因c-erb的表达有关。由此推测，钟基因Per的启动子因出现甲基化而失活，从而抑制了Per基因的转录翻译，同时导致癌基因c-erb的过度表达，这可能与乳腺癌的发生相关。

3．抑癌基因p53　研究发现，p53表达具有昼夜节律性。以γ射线照射小鼠诱导肿瘤发生时发现，在mPer2突变小鼠中，Mdm2 mRNA的周期振荡受抑，使Mdm2蛋白在昼夜周期中呈现高水平表达。而Mdm2与蛋白激酶共济失调毛细血管扩张突变激酶（ataxia telangiectasia mutated kinase，ATM激酶）和细胞周期检测点激酶2（checkpoint kinase 2，CHK2）的结合位点与ATM/CHK2信号模块磷酸化p53的位点相邻，在转录后水平竞争性抑制p53的活化，从而使细胞持续增生。

（二）钟控基因与细胞周期

细胞周期具有明显的生物节律现象。钟控基因通过调控细胞的增殖和凋亡在肿瘤的发生与抑制方面具有重要作用。

细胞分裂依赖于细胞周期蛋白和具有细胞分裂抑制功能的抑癌基因如p21、p53、p16等。细胞周期蛋白和抑癌基因对细胞分裂的正负向调控均依赖于细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin dependent kinase，CDK）的结合，其结合体作用于细胞分裂周期的Gi-S调控点上，使细胞处于增殖与抑制增殖的动态平衡之中。细胞周期蛋白过度表达或抑癌基因失活均可引起细胞增殖失控，细胞持续性异常增殖，引起癌变。

钟控基因的表达与细胞周期的特定时期相关，即钟控基因可能参与细胞周期的调控。已发现人类钟控基因hPer1的表达波峰在细胞周期G1期，hBmal1表达波峰在M期。研究发现，在更新较快的组织细胞及肿瘤细胞中，与细胞分裂有关的基因、蛋白质、酶等均表现出昼夜节律性。如端粒酶是一种重要的核蛋白，它可以稳定端粒，从而允许细胞无限分裂。在对荷肝癌裸鼠癌组织端粒酶的研究中发现，端粒酶的活性表现出昼夜节律，在细胞周期的S期中活性最高，表明端粒酶的活性与DNA的合成密切相关，故端粒酶抑制药的时辰治疗方案可提高其疗效。多项实验研究证实，参与细胞增殖的许多基因均属于钟控基因，如小鼠下丘脑视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）及外周组织mPer1基因，这些基因表达发生位移，可引起小鼠肠道、骨髓等细胞周期的时相发生相应改变。

（三）钟控基因与肿瘤血管内皮生长因子

肿瘤的生长和浸润需要血液供应，这就必须依赖肿瘤血管的生成。血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）因恶性肿瘤的缺氧环境而高度表达，在肿瘤血管的生成中发挥着关键作用。研究发现，肿瘤细胞中，VEGF的表达因受钟控基因的调控而呈现周期振荡。恶性肿瘤发生时，局部缺氧促使缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factor，HIF-1）蛋白高表达，并与芳香烃受体核转运蛋白（aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator，ARNT）构成二聚体，激活VEGF基因的转录。PER2蛋白可使HIF-1在胞核内沉淀而失活；Cry1则通过抑制H3组蛋白乙酰化，使HIF-1/ARNT二聚体缺少分子伴侣而无法发挥活性。因此，PER2蛋白和Cry1都抑制HIF-1/ARNT二聚体介导的VEGF的基因转录。实验证实，肿瘤细胞中Per1、Per2、Cry1、Cry2基因mRNA水平及VEGF mRNA表达均呈现周期振荡，Per及Cry基因的表达波峰出现在夜间；相反，VEGF mRNA的表达波峰出现在白天。

（四）钟控基因与肿瘤发生的内分泌通路

对乳腺癌的时辰生物学研究发现，生物钟通过调节激素水平的昼夜节律，在肿瘤的形成过程中发挥着重要的调控作用。

SCN被认为是褪黑素分泌的昼夜节律中枢。褪黑素的分泌受光照和黑暗的调节，呈现昼低夜高的特点，分泌的时间长度与日长相反。光节律信息被编码到褪黑素信号里，褪黑素信号在参与调节季节反应的褪黑素靶组织中解码。研究结果表明，褪黑素主要通过褪黑素受体-1（melatonin receptor-1，MTR-1）作用于下丘脑分泌区，再经过一个至少包括多巴胺能神经元、5-羟色胺能神经元和谷氨酸能神经元在内的神经环路，间接作用于促性腺素释放激素神经元，最终调节促性腺激素释放激素的分泌，并且这种作用随季节变化而变化。人类褪黑素的分泌呈现出明显的24h周期振荡。

大量流行病学研究发现，乳腺癌的发生与昼夜节律的紊乱有关。如上夜班及轮班工作的妇女，患乳腺癌的风险大大增加，长期轮换班工作使乳腺癌发病率提高10%～60%。生物钟紊乱导致乳腺癌发病率升高的可能机制是因为灯光等夜间照明物的刺激使夜间褪黑素的分泌峰值降低，而褪黑素能作用于雌激素系统抑制卵巢雌激素的分泌，故昼夜节律的改变最终导致雌激素分泌增多。

除了在乳腺癌患者中发现褪黑素分泌有周期性改变外，在卵巢癌、前列腺癌、胃癌和结肠癌等恶性肿瘤患者中，氢化可的松（hydrocortisone）、催乳素（prolactin，PRL）、促甲状腺激素（thyroid-stimulating hormone，TSH）、生长激素（growth hormone，GH）、黄体生成素（luteotropic hormone，LH）和促卵泡激素（follicle-stimulating hormone，FSH）等分泌的昼夜节律亦有改变，尤其在肿瘤较大或已有肝转移、一般情况较差的肿瘤患者中，这种节律的改变表现得尤为明显。

（五）还原型谷胱甘肽的昼夜节律对化疗的影响

还原型谷胱甘肽（glutathione，GSH）一方面通过巯基与体内的自由基结合，转化成易代谢的酸类物质，从而加速自由基的排泄；另一方面中和氧自由基，避免活性氧和氧自由基产生过氧化脂质，从而促进正常细胞蛋白质的合成，发挥保护细胞免受氧化应激损伤的作用。还原型谷胱甘肽含有γ-酰胺键，可维持分子的稳定性，减轻自由基对DNA分子的损伤。通过这些机制，还原型谷胱甘肽可使化疗后正常组织中自由基的含量减少，从而保护细胞，使细胞功能恢复并最终减轻化疗后正常组织的过氧化损伤。有实验证明同一个体GSH的昼夜分泌有1～1.5倍的差异，高峰时相常位于下午。

钟控基因通过对癌基因、抑癌基因、血管内皮生长因子的调控及对内分泌通路的作用，多方面参与了肿瘤的发生和发展。了解肿瘤的生物节律及其与钟控基因的关系，对于探讨与肿瘤发生发展相关的分子机制、肿瘤的诊断、判断肿瘤的预后及转归等方面具有重要意义，可为肿瘤的时辰治疗提供可靠的理论依据，对更好的选择放化疗治疗肿瘤的最佳时期，发挥肿瘤常规治疗的新功效具有极大的推动作用。