昼夜节律破坏会导致代谢异常，甚至发生肥胖相关癌症，如乳腺癌，研究发现经常上夜班的女性乳腺癌发生风险升高。近期，Seminars in Cancer Biology（IF = 17）期刊发表题为“Time”for obesity-related cancer: The role of the circadian rhythm in cancer pathogenesis and treatment的综述[1]，文章分析了生物钟紊乱对肥胖相关肿瘤的发展和预后的影响，并从分子水平上探讨了昼夜节律的机制。本文选取乳腺癌部分重点内容，与读者分享。
生物钟与日夜周期密切相关，是由一组受内外界刺激调节的基因和蛋白质复合物串联而成的反馈回路所驱动，并在24小时的周期内不断地自我调节和同步。 生物钟的作用具有显著的生理和医学意义，研究发现，昼夜节律的破坏与肿瘤易感性增加以及肿瘤患者的不良预后相关[2]。
昼夜节律与肿瘤相关的分子基础
地球自转的24小时是所有生物体内在生物钟适应光照/黑暗模式的驱动力[3]。昼夜节律的周期是大脑响应光线所触发的转录/翻译后正反馈和负反馈回路的结果[3]。
生物钟是一种内源性计时系统，包括下丘脑视上核（SCN）的中枢生物钟和外周生物钟，可调节生物过程，并受各种基因控制。具体而言，SCN中存在一个中枢时钟起搏器[4]，由一个名为“时钟基因”的基因集组成，该基因集控制下游基因的循环表达，称为“时钟控制基因”(CCG)，驱动蛋白质合成[5]。
在分子水平上，当脑与肌肉中的ARNT-like1蛋白（BMAL1）和昼夜运动输出周期蛋白（circadian locomotor output cycles kaput CLOCK）相互作用在细胞质中产生 BMAL-1/CLOCK 异源二聚体时，即开始昼夜节律[6-9]。这些异源二聚体转位到细胞核，绑定到启动子E盒序列上的靶基因，驱动CCG转录。亦由CCG 编码的昼夜节律调节器（PER）和隐色昼夜节律调节器（CRY）蛋白在夜间抑制CLOCK–BMAL1介导的转录。因此，在日间，BMAL1-CLOCK复合物开始昼夜节律系统，进行CRY和PER转录和蛋白质积累。在夜间，PER和CRY进入细胞核抑制BMAL1/CLOCK活性，而CRY和PER 的翻译后修饰允许其自身被蛋白酶体降解，从而创建第一个负反馈回路来控制时钟基因表达[6-9]。这种自动调节反馈回路也由孤儿核受体、REV-ERBs和RORs（维 A 酸相关孤儿受体）调节 [10,11]。两种受体均被 BMAL-1/CLOCK 激活，但当REV-ERB 抑制 BMAL-1 表达时，ROR诱导 BMAL-1 转录，促进生物钟的重启[10,11]。
肿瘤的昼夜节律紊乱
肿瘤细胞的特征是细胞增殖失控，导致组织生长异常和加速[12,13]。由于肿瘤抑制因子和关键细胞周期基因受时钟基因的控制，因此，癌细胞增殖率的增加可能与昼夜节律破坏有关[12,13]。多项研究已经证明，许多因素（如药物和辐射）可以破坏生物钟[14]；此外，时钟相关基因的表达失调是肿瘤细胞的共同特征，单个时钟基因突变（如PER2或BMAL-1）可加速肿瘤生长，甚至加速肿瘤的发展过程。
肿瘤的形成和进展是一个非常复杂的过程，除了诱导细胞周期变化外，昼夜节律还影响几个环节，包括肿瘤细胞凋亡的阻断及肿瘤血管化的启动等，这是肿瘤从良性状态向恶性状态转变以及获得迁移和侵袭能力的基础[15,16]。这些过程都由不同的关键基因调控，且这些基因似乎具有与CCG相似的功能。时钟基因可通过改变参与细胞周期调控、DNA损伤修复、细胞增殖和凋亡以及肿瘤免疫中CCG的表达，直接或间接参与肿瘤的发展[17]。
关于肿瘤免疫，生物钟功能也影响肿瘤免疫周期的各个方面，主要涉及七个环节，即癌细胞抗原释放和呈递、效应免疫细胞的启动和激活、肿瘤免疫的运输和浸润以及癌细胞的清除[18]。因此，生物钟的紊乱会影响免疫系统功能，导致免疫抑制，影响肿瘤的发生和进展。另外，许多研究强调了CGs 介导的免疫系统的重要调节作用[19]。免疫系统昼夜节律控制的中心介质是BMAL-1，BMAL-1的破坏会导致一系列生理异常[19]。如在血液系统疾病中，与健康患者相比，大 B 细胞淋巴瘤、慢性淋巴细胞白血病和急性髓性白血病患者中BMAL-1的表达显著下调，强调了生物钟和肿瘤免疫之间的串扰机制[20]。
肥胖相关乳腺癌的时钟基因
与保持健康体重的女性相比，超重和肥胖女性发生乳腺癌的风险更高[21]。且越来越多的证据表明，生物钟紊乱与乳腺癌之间存在密切联系[22]。因此，调节昼夜节律模式可能是预防或治疗此类癌症的重要方法。
一些数据证实了时钟基因在乳腺癌病因学中的重要性。PER1和 PER2 突变已被证实在散发性和家族性乳腺癌中均常见[23]。PER1 和 PER2 具有促进细胞凋亡的作用。PER2 缺陷小鼠的乳腺癌发生率较高，且 p53 表达减少，c-Myc及其靶细胞周期基因 Cyclin D1 水平升高，从而促进癌细胞增殖[24] 。此外，PER1的抑制改变了DDR 期间控制 G1 的检查点蛋白 ATM 和CHK2（检查点激酶2）的表达。
Wee-1 和 Cyclin D1 的改变及CRY的缺失会导致细胞周期调控被破坏。乳腺癌中的时钟基因也可影响上皮间质转化 (EMT)，驱动致死性转移的形成 [24]。在正常乳腺组织中，PER2通过与 OCT1 的相互作用，将共抑制因子复合物招募到 EMT 基因Twist1、Slug和 Snail 的启动子上；因此 PER2 的缺失有利于侵袭和转移[24]。总之，乳腺上皮的时钟基因缺陷引起生长控制基因的下调，可增强乳腺癌发生的易感性，并导致肿瘤更具侵袭性。
最近的研究表明，肿瘤缺氧引起的酸中毒也影响着乳腺癌中BMAL-1的表达，并且作者证明，通过针对微环境酸中毒（即使用缓冲溶液如NaHCO3或抑制无氧糖酵酶），可以通过恢复昼夜节律基因BMAL-1的表达来治疗乳腺癌[4]。
基于昼夜节律的肿瘤“时间疗法”
又称为“时间计量药物治疗”或“时间为基础的药理学”，是指根据生物钟或身体内的循环节律，为疾病的治疗提供合理的时间安排。 其基本原理是，人体各个器官和组织都遵循一定的循环节律，从而影响着药物的代谢、吸收、分布和排泄等过程。根据这些循环节律，时间疗法可以让药物在最佳的时间内，作用于患者的身体组织和器官，从而提高治疗的效果、降低不良反应的发生率，减少药物的使用量和治疗时间。
几项研究强调，时间疗法显著降低了各种抗癌药物的细胞毒性作用，并改善了癌症患者的生活质量和生存率[25-27]。此外，研究显示一些化疗药物在特定的细胞周期阶段的细胞毒性作用增加，表明基于昼夜节律时间调节的药物递送系统可能转化为更好的治疗结局 [28,29]。许多化疗药物在细胞分裂周期的特定阶段显示出细胞毒性作用，例如，DNA合成期间的细胞对 5-FU和伊立替康治疗更敏感。因此，最佳耐受的昼夜节律时间是在光照期，即G0/G1细胞数量占优势时。一些使用小鼠模型的体内研究表明，5-FU、伊立替康、多西他赛和吉西他滨依据光照周期进行输注具有有益作用，可使抗凋亡 BCL2 表达较高，促凋亡 BAX 表达较低[30,31]。由于这些原因，了解癌细胞的时间节律、确定肿瘤何时表现出与癌细胞 DNA 合成或癌细胞分裂相关的增殖靶标非常重要。
总之，这些发现支持了时间疗法在肿瘤治疗中的应用，有助于提高治疗效率，延长肿瘤患者的生存期。然而，有必要进行进一步的临床试验，深入探索时间疗法作为肿瘤辅助治疗的疗效。
[1] Miro C, Docimo A, Barrea L, et al. "Time" for obesity-related cancer: The role of the circadian rhythm in cancer pathogenesis and treatment. Semin Cancer Biol. 2023 Jun;91:99-109. doi: 10.1016/j.semcancer.2023.03.003.
[2] Fuhr L, Basti A, Bras TS, Duarte MF, Relogio A. Antiproliferative Effects of Cynara Cardunculus in Colorectal Cancer Cells Are Modulated by the Circadian Clock. Int J Mol Sci. 2022;23(16). Epub 2022/08/27. doi: 10.3390/ijms23169130.
[3] 55. C.S. Pittendrigh, Temporal organization: reflections of a Darwinian clock-watcher, Annu Rev Physiol 55 (1993) 16-54.
[4] Y.J. Kwon, E.B. Seo, S.H. Kwon, et al. Extracellular Acidosis Promotes Metastatic Potency via Decrease of the BMAL1 Circadian Clock Gene in Breast Cancer, Cells 9(4) (2020).
[5] T.K. Darlington, K. Wager-Smith, M.F. Ceriani, et al. Closing the circadian loop: CLOCK-induced transcription of its own inhibitors per and tim, Science 280(5369) (1998) 1599-603.
[6] A.M. Sangoram, L. Saez, M.P. Antoch, et al. Mammalian circadian autoregulatory loop: a timeless ortholog and mPer1 interact and negatively regulate CLOCK-BMAL1-induced transcription, Neuron 21(5) (1998) 1101-13.
[7] K. Kume, M.J. Zylka, S. Sriram, L.P. Shearman, et al. mCRY1 and mCRY2 are essential components of the negative limb of the circadian clock feedback loop, Cell 98(2) (1999) 193-205.
[8] L.P. Shearman, S. Sriram, D.R. Weaver, et al. Interacting molecular loops in the mammalian circadian clock, Science 288(5468) (2000) 1013-9.
[9] G. Sancar, M. Brunner, Circadian clocks and energy metabolism, Cell Mol Life Sci 71(14) (2014) 2667-80.
[10] N. Preitner, F. Damiola, L. Lopez-Molina, et al. The orphan nuclear receptor REV-ERBalpha controls circadian transcription within the positive limb of the mammalian circadian oscillator, Cell 110(2) (2002) 251-60.
[11] T.K. Sato, S. Panda, L.J. Miraglia, et al. A functional genomics strategy reveals Rora as a component of the mammalian circadian clock, Neuron 43(4) (2004) 527-37.
[12] F. Levi, U. Schibler, Circadian rhythms: mechanisms and therapeutic implications, Annu Rev Pharmacol Toxicol 47 (2007) 593-628.
[13] S. Masri, M. Cervantes, P. Sassone-Corsi, The circadian clock and cell cycle: interconnected biological circuits, Curr Opin Cell Biol 25(6) (2013) 730-4.
[14] J.H. Rohling, H.T. vanderLeest, S. Michel, M.J. Vansteensel, J.H. Meijer, Phase resetting of the mammalian circadian clock relies on a rapid shift of a small population of pacemaker neurons, PLoS One 6(9) (2011) e25437.
[15] H.X. Li, X.J. Fu, K. Yang, et al. The clock gene PER1 suppresses expression of tumor-related genes in human oral squamous cell carcinoma, Oncotarget 7(15) (2016)20574-83.
[16] T.G. Granda, X.H. Liu, R. Smaaland, et al. Circadian regulation of cell cycle and apoptosis proteins in mouse bone marrow and tumor, FASEB J 19(2) (2005) 304-6.
[17] B.H. Miller, E.L. McDearmon, S. Panda, et al. Circadian and CLOCK-controlled regulation of the mouse transcriptome and cell proliferation, Proc Natl Acad Sci U S A 104(9)(2007) 3342-7.
[18] Zhang Z, Zeng P, Gao W, Zhou Q, Feng T, Tian X. Circadian clock: a regulator of the immunity in cancer. Cell Commun Signal. 2021 Mar 22;19(1):37. doi: 10.1186/s12964-021-00721-2.
[19] Curtis AM, Bellet MM, Sassone-Corsi P, O'Neill LA. Circadian clock proteins and immunity. Immunity. 2014;40(2):178-86. Epub 2014/02/25. doi: 10.1016/j.immuni.2014.02.002.
[20] Taniguchi H, Fernandez AF, Setien F, et al. Epigenetic inactivation of the circadian clock gene BMAL1 in hematologic malignancies. Cancer Res.2009;69(21):8447-54. Epub 2009/10/29. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-09-0551.
[21] C. Agnoli, F. Berrino, C.A. Abagnato, et al. Metabolic syndrome and postmenopausal breast cancer in the ORDET cohort: a nested case-control study, Nutr Metab Cardiovasc Dis 20(1) (2010) 41-8.
[22] R.G. Stevens, Circadian disruption and breast cancer: from melatonin to clock genes, Epidemiology 16(2) (2005) 254-8.
[23] T. Sjoblom, S. Jones, L.D. Wood, et al. The consensus coding sequences of human breast and colorectal cancers, Science 314(5797) (2006) 268-74.
[24] F.C. Kelleher, A. Rao, A. Maguire, Circadian molecular clocks and cancer, Cancer Lett 342(1) (2014) 9-18.
[25] S. Bernard, B. Cajavec Bernard, F. Levi, H. Herzel, Tumor growth rate determines the timing of optimal chronomodulated treatment schedules, PLoS Comput Biol 6(3) (2010) e1000712.
[26] J. Hesse, J. Martinelli, O. Aboumanify, A. Ballesta, A. Relogio, A mathematical model of the circadian clock and drug pharmacology to optimize irinotecan administration timing in colorectal cancer, Comput Struct Biotechnol J 19 (2021) 5170-5183.
[27] S. Dulong, A. Ballesta, A. Okyar, F. Levi, Identification of Circadian Determinants of Cancer
Chronotherapy through In Vitro Chronopharmacology and Mathematical Modeling, Mol Cancer Ther 14(9) (2015) 2154-64.
[28] D. Dong, D. Yang, L. Lin, S. Wang, B. Wu, Circadian rhythm in pharmacokinetics and its relevance to chronotherapy, Biochem Pharmacol 178 (2020) 114045.
[29] R. Dallmann, A. Okyar, F. Levi, Dosing-Time Makes the Poison: Circadian Regulation and Pharmacotherapy, Trends Mol Med 22(5) (2016) 430-445.
[30] Filipski E, Lemaigre G, Liu XH, et al. Circadian rhythm of irinotecan tolerability in mice. Chronobiol Int. 2004;21(4-5):613-30. Epub 2004/10/09. doi:10.1081/cbi-120040183. PubMed PMID: 15470958.
[31] Li XM, Tanaka K, Sun J, et al. Preclinical relevance of dosing time for the therapeutic index of gemcitabine-cisplatin. Br J Cancer. 2005;92(9):1684-9. Epub 2005/04/21. doi: 10.1038/sj.bjc.6602564.
排版编辑：肿瘤资讯-Paine
苏公网安备32059002004080号
