《Biological Rhythm Research》：The BMAL1–melatonin axis in gastric tumorigenesis and progression: mechanisms and implications
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胃癌是一种发病机制复杂的常见恶性肿瘤。昼夜节律紊乱已被认为是肿瘤发生的促进因素之一。BMAL1（大脑和肌肉ARNT样蛋白1，一种核心昼夜节律基因）和褪黑素（一种主要的节律调节激素）对维持生理稳态均至关重要。本综述总结了它们在胃癌中的表达变化、生物学功能及潜在相
胃癌是一种发病机制复杂的常见恶性肿瘤。昼夜节律紊乱已被认为是肿瘤发生的促进因素之一。BMAL1（大脑和肌肉ARNT样蛋白1，一种核心昼夜节律基因）和褪黑素（一种主要的节律调节激素）对维持生理稳态均至关重要。本综述总结了它们在胃癌中的表达变化、生物学功能及潜在相互作用。研究人员重点关注它们调节细胞周期、凋亡、代谢重编程、DNA损伤修复和肿瘤微环境的分子机制，以及包括Wnt/β-catenin和PI3K/Akt在内的关键信号通路。基于现有证据，研究人员提出了“BMAL1–褪黑素轴”假说，并探讨了靶向预防和治疗策略的前景。值得注意的是，目前仍缺乏其在胃癌中相互作用的直接实验证据，未来迫切需要针对胃癌的特异性功能研究来验证这一假说。
1. 引言
胃癌是全球癌症相关死亡的主要原因之一，其发生是一个涉及多因素的复杂多步骤过程。除传统遗传、环境及生活方式因素外，昼夜节律系统紊乱已被证实与多种肿瘤的发生和进展密切相关。核心昼夜节律基因BMAL1和节律调节激素褪黑素在维持生理稳态中发挥关键作用。在胃癌中，BMAL1表达常呈下调趋势，褪黑素则表现出多层面的抗肿瘤效应。基于现有间接证据，本文提出“BMAL1–褪黑素轴”假说，但明确指出目前尚无直接实验证据支持二者的功能调控关系，该轴应视为理论假设而非既有分子机制。
2. Bmal1基因在胃癌中的表达特征和功能作用
2.1 Bmal1在胃癌组织和细胞中的表达模式
临床研究证实，核心昼夜节律基因Bmal1在胃癌发生和进展中具有重要作用。生物信息学分析显示，包括Per1和Clock在内的多个核心昼夜节律基因在胃癌组织中呈显著异常表达，其中Per1表达水平与胃癌病理分期明显相关。BMAL1在胃癌组织中常呈下调趋势。在慢性萎缩性胃炎（CAG）阶段，BMAL1通过调控HIF-1α-FABP轴驱动脂质代谢重编程、加剧氧化应激并损害免疫稳态，从而促进“炎症-癌”转化。在细胞水平，HER2阳性晚期胃癌中，曲妥珠单抗耐药细胞表现出由BMAL1-CLOCK-PER1-HK2轴调控的糖酵解昼夜节律振荡，提示BMAL1节律性表达紊乱与化疗耐药密切相关。综合表明，BMAL1在胃癌组织和细胞中普遍呈现表达下调或节律性丧失，其表达缺陷或紊乱不仅与肿瘤恶性进展相关，还可能作为潜在生物标志物和治疗靶点。
2.2 Bmal1对胃癌细胞恶性生物学行为的影响
Bmal1作为核心昼夜节律基因，对胃癌细胞多种恶性生物学行为具有显著调控作用。功能研究表明，BMAL1表达状态直接影响胃癌细胞的增殖、侵袭和转移能力。在肿瘤微环境中，肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）表达的EFNB2与肿瘤细胞上的EPHB2相互作用可诱导肿瘤细胞昼夜节律系统紊乱，通过核心时钟分子BMAL1的节律失调促进糖酵解并增强Warburg效应，最终导致胃癌肝转移。此外，BMAL1深刻影响胃癌细胞治疗敏感性。在HER2阳性胃癌中，曲妥珠单抗耐药与BMAL1-CLOCK-PER1-HK2转录复合物调控的糖酵解昼夜节律振荡紧密相关，通过基于二甲双胍的时间疗法破坏该轴可逆转耐药。虽然直接证据有限，但BMAL1缺失在其他肿瘤模型中被证实可诱导PI3K/Akt通路持续异常激活，该通路是胃癌化疗耐药的主要驱动因素之一，因此BMAL1表达或活性变化可能通过调节细胞周期、凋亡及PI3K/Akt介导的促生存信号，间接影响胃癌细胞对5-氟尿嘧啶和奥沙利铂等常规化疗药物的反应。
2.3 BMAL1在肿瘤中的双重功能：抑癌与促癌活性的平衡
大量证据表明BMAL1在胃癌等实体瘤中主要发挥抑癌作用，但其作用具有高度组织依赖性和背景依赖性。在多数上皮恶性肿瘤中，BMAL1常下调，低表达与不良预后相关。功能研究证实，BMAL1通过抑制c-Myc和细胞周期蛋白D1转录、与p53相互作用增强其稳定性并上调p21表达、维持DNA修复途径的节律效率等机制发挥抗增殖和基因组保护作用。在胃癌中，BMAL1表达缺失可解除上述通路抑制，促进肿瘤恶性进展。然而，在某些肿瘤类型或特定阶段，BMAL1可能发挥促癌作用。例如在急性髓系白血病（AML）中，BMAL1持续高表达对维持白血病干细胞自我更新至关重要。在胃癌前病变慢性萎缩性胃炎阶段，BMAL1驱动HIF-1α-FABP轴促进脂质代谢重编程、加剧氧化应激并破坏免疫稳态，导致炎症向癌转化，提示其异常激活可作为风险标志；而胃癌发生后BMAL1一般下调，其缺失导致的细胞周期失调和基因组不稳定成为肿瘤进展的主要驱动因素。因此，开发时钟靶向治疗策略需精准评估个体肿瘤的昼夜节律状态，以避免盲目激活Bmal1带来的潜在风险。
3. 褪黑素在胃癌中的生物学效应和作用机制
3.1 褪黑素对胃癌细胞的直接抗肿瘤作用
体外研究表明，褪黑素能以剂量和时间依赖性方式抑制多种胃癌细胞系增殖。在高糖条件下的AGS细胞中，褪黑素结合细胞周期蛋白依赖性激酶2（CDK2）的ATP结合位点抑制其激酶活性，使细胞周期阻滞于G0/G1期，同时显著下调细胞周期蛋白D1、细胞周期蛋白E、CDK4和CDK2的表达。除细胞周期阻滞外，褪黑素可有效诱导胃癌细胞凋亡，其机制涉及激活内质网（ER）应激通路，通过IRE1/JNK/Beclin1信号级联上调促凋亡蛋白Bax和下调抗凋亡蛋白Bcl-2，从而启动凋亡程序。此外，褪黑素可通过上调自噬活性并靶向下调肌球蛋白轻链激酶（MLCK）信号通路来抑制胃癌细胞的迁移和侵袭能力。研究还发现，褪黑素可调节胃癌细胞来源外泌体中的微小RNA，如下调外泌体miR-27b-3p表达，进而抑制胃癌细胞增殖和侵袭。
3.2 褪黑素通过调节肿瘤微环境及信号通路发挥抗胃癌作用
褪黑素不仅直接作用于肿瘤细胞，还通过调节肿瘤微环境发挥间接抗胃癌效应。其强抗氧化特性可清除胃癌细胞内活性氧（ROS），从而抑制细胞增殖和转移。更重要的是，褪黑素能影响肿瘤微环境中的关键成分，如癌症相关成纤维细胞（CAFs），通过减少CAFs中基质金属蛋白酶2（MMP2）和MMP9的产生来抑制CAF诱导的胃癌细胞进展。这些直接和间接抑制作用均与NF-κB信号通路激活的抑制相关。在免疫调节方面，褪黑素可通过调节胃癌细胞来源外泌体中的相关微小RNA来调控巨噬细胞中PD-L1水平，从而增强受抑制巨噬细胞的抗肿瘤活性，促进TNF-α和CXCL10分泌，还能促进CD8+ T细胞向肿瘤部位募集以抑制肿瘤生长。在分子水平，褪黑素通过膜受体或核受体以及非受体依赖途径调节多个关键促肿瘤信号通路，例如上调PERK/eIF2α信号和下调NF-κB信号诱导AGS细胞凋亡，以及通过抑制p38/ERK磷酸化增强生长抑制活性。这些结果表明，褪黑素通过重塑免疫抑制微环境、抑制炎症和氧化应激、调节核心致癌信号通路，创造不利于胃癌生长和转移的微环境。
4. Bmal1与褪黑素在胃癌中的交互网络
4.1 褪黑素对Bmal1表达的调控作用
研究显示，褪黑素可显著影响核心昼夜节律基因Bmal1的表达，从而在胃癌中发挥重要调节作用。乳腺癌研究中已证实褪黑素能上调Bmal1表达。但目前尚无研究直接探讨褪黑素对胃癌细胞或组织中BMAL1表达的影响，故上述调控关系在胃癌中仍属假说。不过，多项间接证据支持这一机制在胃癌中可能存在的假设。首先，胃癌组织中BMAL1的mRNA和蛋白水平普遍下调，且其启动子区域未检测到频繁高甲基化，提示上游转录调节因子缺失可能是主因，褪黑素信号通路可能充当该上游调节输入。其次，胃癌细胞系AGS和MKN45对褪黑素表现出剂量依赖性抗增殖反应，暗示这些细胞存在功能性褪黑素信号通路。尽管关于这两种细胞系中褪黑素受体亚型的直接证据有限，但多项研究已确认真人胃癌组织标本中功能性MT1和MT2褪黑素受体的差异性表达。例如，高MT1表达与患者较差生存期和远处转移显著相关。此外，在慢性萎缩性胃炎模型中已观察到Bmal1异常节律性表达，中药时间治疗可部分恢复其表达，表明药理学上调胃黏膜Bmal1具有可行性。基于以上间接证据，本文提出假说：外源性褪黑素可能通过MT1/MT2介导的信号通路部分恢复胃癌细胞中Bmal1的表达和昼夜节律振荡。
4.2 Bmal1作为褪黑素下游效应分子的功能整合
在上述假说前提下，Bmal1作为褪黑素的下游效应分子，其表达改变直接影响一组时钟控制基因的转录网络。在胃癌中已独立验证了Bmal1调控的多种疾病相关通路，例如在慢性萎缩性胃炎向胃癌的炎症-癌转化过程中，BMAL1通过HIF-1α-FABP轴驱动脂质代谢重编程；在HER2阳性胃癌中，BMAL1作为核心组分构成PER1-HK2轴并调节糖酵解的昼夜节律振荡。这些胃癌特异性的下游效应网络为褪黑素通过上调Bmal1间接调节代谢和耐药提供了具体分子联系。此外，BMAL1参与调节p21等细胞周期抑制因子的表达，可能发挥与褪黑素诱导的G0/G1期阻滞的协同效应。然而，目前缺乏直接将褪黑素治疗、Bmal1上调及其下游效应通路改变联系起来的实验证据。褪黑素给药能否确实提高胃癌细胞中Bmal1表达，以及阻断Bmal1上调是否会减弱褪黑素的抗肿瘤作用，仍是关键问题，验证这些因果关系是未来研究的重点。
5. Bmal1/褪黑素轴影响胃癌进展的分子机制
5.1 调控细胞代谢重编程
胃癌细胞通常表现出显著的代谢重编程，即Warburg效应，其特征为糖酵解活性增强。核心昼夜节律基因Bmal1和褪黑素均被证明能有效调控这一过程。在HER2阳性晚期胃癌中，曲妥珠单抗耐药细胞表现出依赖HK2的糖酵解活性并具有昼夜节律振荡，该振荡由BMAL1-CLOCK-PER1-HK2轴调节，Bmal1作为核心转录因子参与其中。基于二甲双胍的时间疗法可破坏该轴、影响糖酵解振荡，从而克服曲妥珠单抗耐药。这表明Bmal1通过直接转录调控代谢相关基因（如HK2）来影响胃癌细胞的能量代谢。另一方面，褪黑素已被证明可调节肿瘤代谢，例如在肝细胞癌中褪黑素治疗可减少葡萄糖摄取和乳酸生成，调节乳酸脱氢酶活性；在乳腺癌中褪黑素通过上调核心时钟基因Bmal1抑制葡萄糖代谢。在胃癌前病变慢性萎缩性胃炎中，BMAL1通过调控HIF-1α-FABP轴驱动脂质代谢重编程。因此，Bmal1和褪黑素可能协同作用，抑制关键糖酵解酶表达并促进线粒体氧化磷酸化，逆转胃癌细胞代谢异常，切断能量供应和生物合成途径以抑制肿瘤生长。基于此，研究人员假设褪黑素介导的Bmal1上调可能通过BMAL1-PER1-HK2轴在胃癌中间接抑制糖酵解并逆转代谢紊乱，该假设有待代谢通量分析和Seahorse实验验证。
5.2 Bmal1-褪黑素轴与Wnt/β-catenin和PI3K/Akt通路的相互作用
在胃癌中，Bmal1-褪黑素轴与Wnt/β-catenin和PI3K/Akt通路相互作用，在昼夜节律紊乱相关的肿瘤进展中发挥关键作用。对于Wnt/β-catenin通路，BMAL1作为核心时钟转录因子与CLOCK形成异二聚体，结合下游靶基因启动子中的E-box元件。经典Wnt通路效应靶点c-Myc和细胞周期蛋白D1也是BMAL1/CLOCK复合物的转录靶点，一旦Bmal1节律性表达失调，可能通过解除对这些基因的正常控制间接放大Wnt信号输出。同时，褪黑素通过膜受体MT1/MT2可促进β-catenin磷酸化和降解，抑制其核转位，从而拮抗异常Wnt通路激活。Bmal1下调会降低褪黑素受体表达，削弱褪黑素反应，导致β-catenin积累和Wnt过度激活，形成失调链。对于PI3K/Akt通路，Bmal1可通过调节胰岛素/IGF-1的节律性分泌和下游mTOR复合物的昼夜节律振荡，间接抑制过度的PI3K/Akt激活；Bmal1缺陷模型常表现出Akt过度磷酸化。更直接的是，褪黑素在胃癌细胞系中已被证明能有效降低Akt在Ser473位点的磷酸化，从而抑制mTOR、HIF-1α和VEGF等下游效应分子。在轴框架内，Bmal1表达水平直接影响褪黑素受体的敏感性。当昼夜节律紊乱导致Bmal1持续低水平时，即使机体维持或外源性补充褪黑素，靶细胞对褪黑素的反应也可能因受体下调而严重受损，导致PI3K/Akt通路失去关键分子“刹车”而持续激活。因此，Bmal1-褪黑素轴通过对这两条通路的汇聚调节，将昼夜节律紊乱与胃癌增殖、凋亡逃避和代谢重编程紧密联系起来。
5.3 对DNA损伤修复和基因组稳定性的影响
昼夜节律系统与DNA损伤修复功能紧密偶联。在结直肠癌细胞中，Bmal1敲低会扰乱核苷酸切除修复基因xpa的昼夜节律表达。在胃癌中，基于TCGA数据库的分析显示，低Bmal1 mRNA表达与多个DNA修复途径（包括碱基切除修复和错配修复）的活性评分呈负相关。回顾性分析还表明，肿瘤组织中Bmal1高表达的胃癌患者对铂类化疗的客观缓解率更好，中位无进展生存期显著延长。褪黑素在维持基因组稳定性方面发挥多重作用。首先，褪黑素直接清除活性氧（ROS）并减轻氧化性DNA损伤；其次，它能有效降低辐射诱导的8-OHdG水平，减轻大鼠胃黏膜氧化性DNA损伤。在辐射诱导的胃肠道损伤小鼠模型中，褪黑素明显抑制胃肠道组织DNA链断裂，促进肠隐窝再生和黏膜修复。人外周血淋巴细胞研究也确认褪黑素可减少辐射诱导的γ-H2AX焦点数目。据此，研究人员提出假设：褪黑素通过双重机制维持胃癌细胞基因组稳定性，即直接减轻氧化性DNA损伤，以及通过上调Bmal1间接恢复DNA修复基因的昼夜节律表达。该假设需要利用Bmal1功能缺失模型进行直接验证。
5.4 与幽门螺杆菌感染和慢性炎症的关联
幽门螺杆菌感染是胃癌最突出的危险因素。其毒力因子CagA激活NF-κB通路，而BMAL1可抵消CLOCK依赖的NF-κB转录激活，从而形成昼夜节律与免疫之间的交叉对话。在幽门螺杆菌感染小鼠的胃黏膜以及AGS和BGC-823胃癌细胞中，幽门螺杆菌感染通过转录激活LIN28A直接诱导Bmal1表达并破坏其昼夜节律，从而加剧炎症反应。在幽门螺杆菌阳性慢性胃炎患者中，胃黏膜Bmal1表达上调，且这种异常表达与炎症加重相关。在慢性萎缩性胃炎阶段，异常Bmal1表达驱动脂质代谢重编程并促进炎症-癌转化。褪黑素因其抗炎和抗氧化特性在胃黏膜保护中发挥重要作用。大量综述证据表明，褪黑素通过清除活性氧、调节一氧化氮水平和增强黏膜防御，对胃溃疡、NSAID相关胃病和胃癌等多种胃肠疾病发挥保护作用。在应激性胃肠黏膜损伤模型中，褪黑素被证明能显著降低胃黏膜中脂质过氧化标志物丙二醛（MDA）水平。据此，研究人员假设幽门螺杆菌感染通过NF-κB通路扰乱Bmal1的正常节律调节并破坏局部时钟稳态，褪黑素可能通过恢复Bmal1的节律性表达重建时钟-免疫平衡并阻断炎症-癌转化。这需要结合幽门螺杆菌感染和昼夜节律干预的实验进行验证。
6. 靶向Bmal1/褪黑素轴的胃癌预防和治疗策略及未来展望
6.1 基于时间疗法的应用潜力
昼夜节律基因表达具有内在节律性，药物代谢酶、转运体及关键治疗靶点的活性也呈现昼夜波动，这为胃癌时间疗法提供了理论依据。在胃癌化疗中，依据昼夜节律时间给药（时间化疗）有望提高疗效并降低药物毒性。例如，在HER2阳性晚期胃癌中，曲妥珠单抗耐药与糖酵解的昼夜节律振荡密切相关，该振荡由BMAL1-CLOCK-PER1-HK2轴调控，在授时因子时间6（ZT6）活性较高、ZT18活性较低。临床前研究证实，在糖酵解活性高的ZT6联合使用二甲双胍和曲妥珠单抗可通过破坏PER1-HK2轴节律显著逆转耐药。此外，基于时钟药理学原理的时间治疗策略也被证明可显著增强中药对慢性萎缩性胃炎等胃癌前病变的干预效果。然而，上述时间治疗策略对BMAL1-褪黑素轴的直接依赖尚未得到验证，未来需明确时钟基因节律模式的个体差异，并探索褪黑素作为昼夜节律同步预处理剂的可行性。因此，明确Bmal1等核心昼夜节律基因在胃癌组织或特定亚型中的节律峰谷，对于制定个体化精准给药方案至关重要。
6.2 褪黑素作为辅助治疗药物的临床前景
大量临床前研究表明，外源性褪黑素补充可作为手术、化疗和放疗等常规胃癌治疗的有效辅助手段。褪黑素不仅直接抑制胃癌细胞增殖和侵袭、诱导凋亡和自噬，还通过调节肿瘤微环境发挥间接抗肿瘤作用，如抑制癌症相关成纤维细胞（CAFs）活化及其促肿瘤因子分泌。在联合治疗方面，褪黑素已被证明可增强多种化疗药物的敏感性。研究表明，褪黑素通过上调Beclin-1依赖性自噬和靶向肌球蛋白轻链激酶（MLCK）信号通路，显著增强5-氟尿嘧啶（5-FU）对胃癌细胞增殖、迁移和侵袭的抑制作用。此外，褪黑素可通过调节外泌体微小RNA（如下调miR-27b-3p）抑制胃癌进展，并通过靶向胃癌细胞来源外泌体调节巨噬细胞PD-L1表达以增强抗肿瘤免疫。这些多水平作用机制提示褪黑素在临床应用中可能具有增强疗效、减轻化疗副作用和改善患者生活质量的潜力。未来转化研究的重点之一是阐明褪黑素是否通过上调Bmal1提高化疗敏感性。尽管已有临床试验评估褪黑素联合化疗治疗晚期胃癌，但昼夜节律特征尚未被用作分层因素，这是亟待解决的问题。基于其良好的安全性，开发褪黑素类似物或靶向其受体（MT1/MT2）的特异性激动剂以优化药代动力学和效力，已成为新型抗胃癌药物研发的重要方向。
6.3 恢复昼夜节律作为新型干预思路
纠正肿瘤相关的昼夜节律紊乱并恢复正常生理节律，为胃癌防治提供了全新干预思路。一方面，保持规律作息、规律进食、适度白天户外活动以管理光照暴露等非药物生活方式干预，可能有助于稳定整体昼夜节律，从而预防胃癌发生或延缓进展。研究表明，增加体力活动和白天光照可改善食管癌和胃癌患者的静息-活动昼夜节律（RACR）。另一方面，靶向核心昼夜节律分子的药物干预是另一重要策略。寻找能特异性激活Bmal1转录或稳定Bmal1蛋白功能的小分子化合物，以期从根本上纠正肿瘤细胞昼夜节律紊乱，是一个有前景的研究领域。例如，在慢性萎缩性胃炎向胃癌的“炎症-癌”转化过程中，核心昼夜节律基因Bmal1发挥关键作用，中药复方可通过干预BMAL1介导的“昼夜节律-代谢-免疫”网络逆转该过程。此外，Per1和Nr1d1等昼夜节律基因的表达水平与胃癌患者预后显著相关，支持靶向昼夜节律的治疗价值。生活方式干预和靶向核心时钟分子的药物最终目的均为恢复胃黏膜局部昼夜节律的强大振荡。鉴于BMAL1的双重功能，干预前有必要通过活检或类器官模型评估肿瘤中BMAL1的昼夜节律时相和功能背景，以避免不适当激活带来的风险。
7. 结论
核心昼夜节律基因Bmal1在胃癌中发挥关键抑癌作用，其表达下调或节律紊乱与胃癌恶性进展密切相关。Bmal1通过广泛调控细胞周期进程、凋亡、代谢重编程和DNA损伤修复等核心生物学过程，构建重要抑癌屏障。内源性激素褪黑素表现出多层次抗胃癌活性，包括直接诱导肿瘤细胞凋亡、抑制增殖和侵袭，以及间接调节肿瘤微环境，其部分重要机制依赖于上调Bmal1表达和功能协同。基于现有证据，本文提出“Bmal1/褪黑素轴”的概念框架，该轴可能整合外部光暗周期等环境节律信号和细胞内增殖、生存信号网络，成为影响胃癌发生和进展的关键调控枢纽。然而，必须强调，Bmal1和褪黑素在胃癌中直接功能相互作用尚未经过实验验证，该轴模型本质上是基于零散证据的整合假说，而非既有分子机制。为推动该假说走向验证，未来研究需重点开展实验：(1)直接检测胃癌细胞系和患者来源类器官中褪黑素介导的BMAL1表达节律调节；(2)功能缺失和获得实验确定BMAL1是否为褪黑素抗胃癌作用的必要介质；(3)在幽门螺杆菌感染或慢性萎缩性胃炎动物模型中体内评估褪黑素是否通过恢复BMAL1表达阻断炎症-癌转化；(4)纳入昼夜节律状态作为分层因素的临床试验，评估褪黑素时间疗法对胃癌患者的治疗获益。从专家角度看，该领域研究揭示了时间生物学在肿瘤学中的深刻内涵，将胃癌视为“节律紊乱疾病”为理解其病因提供了新范式。但现有研究多在细胞水平开展，不同研究间的具体通路和上下游分子事件存在差异，提示Bmal1/褪黑素轴的作用具有高度背景依赖性。
