神经发生中的wnt信号通路

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.02.031

摘要/Abstract

摘要：

背景：wnt信号通路作为一条多环节、多作用位点的开放通路，在神经系统中扮演着非常重要的角色，因此，了解其具体作用及可能的作用机制，对于神经发生的研究具有非常重要的意义。
目的：分析对wnt信号通路在神经发生中的作用及可能机制。
方法：以检索词“wnt信号通路”或“神经发生”或“wnt信号通路与神经发生”为检索词，检索2001年1月至2011年12月国内外关于wnt信号通路及其与神经发生相关的文献，选择针对性强、代表性好的19篇文献进行综述，分析wnt信号通路对神经发生的作用与可能机制。
结果与结论：无论是在动物的胚胎期、成年期的神经发生，还是在皮质模式发生以及突触形成过程中，均有wnt信号通路的参与。但是wnt信号通路对于神经系统的作用并不总是一致的，神经干细胞自身的特点及所处的微环境会导致细胞对wnt信号的不同反应；不同的wnt信号通路下游靶基因产生的作用也不尽相同；同时，wnt信号通路可能与多种信号途径“crosstalk”，通过相互协同，最终表现出对神经系统的特定效应，但其具体的细胞或分子机制仍不甚清楚。

关键词: 组织构建, 组织构建学术探讨, wnt信号通路, 神经干细胞, 神经发生, 作用机制, 综述文献

Abstract:

BACKGROUND: As an open, multi-link and multi-site pathway, wnt signaling pathway plays a very important role in the nervous system. Therefore, it is very important to understand the effects and possible mechanisms for neurogenesis research.
OBJECTIVE: To summarize the effect and possible mechanism of wnt signaling pathway in the process of neurogenesis.
METHODS: The literatures about the wnt signaling pathway in neurogenesis both at home and abroad were searched, which were published from January 2001 to December 2011, and 19 articles considered to be representative were selected, and then summarized and analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: The wnt signaling pathway is involved in embryonic and adult neurogenesis, cortex model and synapse formation. But the role of wnt signaling pathway in these processes is not always consistent. The characteristics and microenvironment of neural stem cells as well as different downstream target genes can cause different effects. Meanwhile, the wnt signaling pathway may interact with a variety of signaling pathways, so the final effect on the nervous system is very specific. However, the clear cellular or molecular mechanisms are still not very sure.

Key words: tissue construction, academic discussion in tissue construction, wnt signal pathway, neural stem cells, neurogenesis, action mechanism, review literature

中图分类号:

R318

曹旻. 神经发生中的wnt信号通路[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(2): 358-362.

Cao Min. wnt signal pathway in neurogenesis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(2): 358-362.

图/表（结果） 1

2.1 wnt信号通路

2.1.1 wnt信号通路的组成 wnt蛋白是一类从水螅到人类都广泛存在的分泌性蛋白生长因子，是一个富含半胱氨酸残基的分泌信号糖蛋白大家族，迄今为止，已在人和鼠的基因组织中至少发现19个wnt蛋白家族的成员(例如wnt1、wnt2、wnt3 和wnt3a)。它们在进化上均高度保守，长度为350-380个氨基酸，起始为疏水信号序列，其后连接一个信号肽酶识别位点，不含跨膜结构域，带有一段由23-24个半胱氨酸的几乎恒定的信号区。

wnt信号通路是因其启动蛋白为wnt 而得名。目前认为wnt信号通路主要由以下几种蛋白构成：细胞外因子wnt家族分泌蛋白、特异性跨膜受体卷曲蛋白、散乱蛋白、β-连环蛋白(β-catenin)、结肠腺瘤性息肉病基因蛋白、糖原合成酶激酶3β、Axin 或Conductin (轴蛋白或传导蛋白)及TCF/ LEF(T 细胞因子/淋巴增强因子)等。

2.1.2 wnt信号通路的分类目前认为wnt信号通路至少有4 条：①经典的wnt/β-连环蛋白信号通路(canonical wnt/β-catenin pathway)。②wnt/polarity通路(或者称为平面细胞极性通路，planar cell polarity pathway)。③ wnt/ Ca²⁺通路。④调节纺锤体定向和不对称细胞分裂的通路。

经典wnt/β-catenin 信号通路：在经典的wnt/β-catenin 信号通路中，β-连环蛋白是wnt信号通路的核心分子，在wnt 信号通路中处于中心位置，其在细胞内的数量和状态对该通路有决定性影响。结肠腺瘤性息肉病基因蛋白以及Axin作为支架, 可以将丝氨酸/苏氨酸激酶、糖原合成酶激酶3β带到它们的靶点β-连环蛋白附近。β-连环蛋白的氮末端被糖原合成酶激酶3β磷酸化后，进而被泛素介导的蛋白酶体识别并降解^[1]。当wnt/β-catenin通路激活时，wnt配体通过与特异性跨膜受体卷曲蛋白受体、LRP5和LRP6结合,使得散乱蛋白磷酸化激活并转移到细胞膜，阻断β-连环蛋白被糖原合成酶激酶3β磷酸化，从而短暂提高胞浆内β-连环蛋白的水平，而胞浆内的β-连环蛋白通过积累会转移至细胞核，在核内与T 细胞因子/淋巴增强因子结合，并与细胞内的其他因子共同作用解除T 细胞因子/淋巴增强因子的被抑制状态，特异地启动、激活下游靶基因的转录^[2]，从而对细胞的增殖、分化、迁移、极性化和凋亡等过程进行调节。

wnt/Ca²⁺通路：wnt/Ca²⁺通路是wnt通路的一个分支，细胞内Ca²⁺的释放和 Ca²⁺敏感的酶(比如蛋白激酶C、Ca²⁺-钙调蛋白激酶Ⅱ)的激活等都是 Wnt/Ca²⁺通路的特征^[3]。普遍认为wnt/Ca²⁺通路通过Wnt5a和Wnt11激活一个激酶的级联反应,首先是G蛋白激活磷脂酶C(PLC)和蛋白激酶C(PKC), 从而引起细胞内Ca²⁺浓度增加和Ca²⁺敏感信号成分的激活，以调节细胞运动和细胞黏附性^[4]，该通路能拮抗经典的wnt通路。

wnt/polarity通路：有关形态发生的过程需要细胞骨架和基因表达的相互协调,而wnt/polarity通路主要通过激活散乱蛋白下游区、Rac、小GTP酶、Rho和Cde42等, 进一步激活c-Jun氨基末端激酶(JNK) 来发挥作用, 参与细胞极性的建立和细胞骨架重排,调节细胞骨架的不对称分布和上皮细胞的协同极化^[5]。

2.2 wnt信号通路在神经发生中的作用

2.2.1 wnt信号通路在胚胎期神经发生中的作用 wnt信号通路在胚胎期神经发生过程中扮演着重要的角色。Lee等^[6]采用 RT-PCR 的方法，从胚胎发育时期（E12.5）小鼠大脑半球组织中检测出有 wnt3a、wnt4、wnt5a、wnt7a 和wnt2b 的表达，其中wnt1、wnt3a、wnt5a等在神经发生中起到重要作用，这3种蛋白都可以促进神经干细胞的增殖，其主要方式为增加S期细胞数量、缩短G₁和/或G₂期的时间以及抑制细胞由G₁期过渡到G₀期^[7]。

另外，在胚胎的发育过程中，wnt 信号通路的动态变化控制着哺乳动物皮质中神经发生的启动和海马中细胞类型^[8]。利用BAT-GAL小鼠发现,在皮质发育过程中，经典的wnt信号从新皮质侧、前区开始逐渐减弱, 到出生时消失。而新皮质中神经发生的时间和 wnt 信号的衰退有关，开始于wnt信号衰退的区域，并跟随着wnt信号衰退的方向逐步扩展,形成一个神经发生的进展波。同时，利用杂交的方法，创建持续表达wnt基因的小鼠, 其神经源性基因Pax6、Ngn2等显著下降，表明神经发生被破坏。此外，在海马沿着皮质内侧壁的wnt信号发育过程中发现，DG的发育出现在wnt信号的高活性区， CA层的发育出现在wnt信号较低的区域。可见皮质中wnt信号梯度还决定了海马和齿状回的结构；相反，若诱导异常的wnt信号激活，破坏梯度，则损害了新皮质的正常层状结构。陈志婷等^[9]在总结Wnt信号通路与内耳发育调控中阐述，Wnt信号途径是一类进化上相对保守，在许多动物机体中(包括蝇类、虫类、鱼类、蛙类、小鼠及人类)对控制胚胎发育有重要作用的信号传导途径。另外，有多种wnts参与到神经组织的发育过程中。敲除 wnt1基因的小鼠，中后脑会形成严重的缺陷^[10]。wnt3、wnt3a、wnt7b、wnt8b 参与前脑的发育，而前脑可以产生海马。缺乏wnt3a的小鼠不能扩充前体细胞，导致海马发育的异常^[11]。

2.2.2 wnt信号通路在成年动物神经发生中的作用 wnt信号通路对于成年期动物的神经发生也有很重要的作用。Lie等^[12]利用原位杂交发现wnt3表达在接近SGZ的区域，而这个区域是成年大鼠海马的多能前体细胞增殖和分化为齿状颗粒神经元的位点，多能前体细胞会表达wnts的受体以及wnt/β-catenin通路的关键组分。同时，通过对BAT-GAL小鼠的分析，表明这条通路在SGZ区是活越的。接着，通过多能前体细胞和成年海马星形胶质细胞的共培养模型，表明wnts参与多能前体细胞的神经分化的过程。那么这种促进神经发生的作用是因为促进了细胞存活、增加了神经定向前体细胞的增殖还是通过指导多能前体细胞向神经元方向分化来实现的呢？利用TUNEL法分析分化条件下表达wnt3和野生型多能前体细胞的凋亡细胞数目，发现两组之间凋亡细胞的百分比没有显著差异，说明促进神经发生的作用不是通过影响细胞存活产生的；接着，通过检测BrdU⁺神经母细胞在总的神经母细胞中的比率，发现实验组要比对照组高两三倍，但是检测总细胞中BrdU⁺细胞的百分比发现，虽然提高了神经母细胞的增殖，总的增殖细胞数目却没有改变，说明wnt信号通路对除神经母细胞外的其它细胞的增殖并没有明显效应；最后，在使细胞生长停止的条件下研究细胞分化发现，有wnt信号通路表达的多能前体细胞产生的DCX^＋细胞出现了一个5-10倍的增长，说明，wnt信号通路不仅刺激神经母细胞的增殖，还可指导多能前体细胞的分化方向。wnt3的过表达可以增强体内外多能前体细胞的神经发生，而wnt通路的阻断会降低体外多能前体细胞的神经发生并几乎完全消除体内多能前体细胞的神经发生。因此推断，wnt/β-catenin途径是成年海马神经发生的首要调节因素。同时，另有研究发现，Wnt/β-catenin信号的下调会导致海马神经元的退变^[13]，进一步证明了wnt/β-catenin通路在成年大鼠海马神经发生中的重要作用。

2.2.3 wnt信号通路在神经系统模式发生及突触形成中的作用 wnt信号通路对神经系统的模式发生及突触形成也有一定的影响。中枢神经系统网络的形成不仅有赖于神经前体细胞的正常定向分化, 更有赖神经元轴突的准确导向以及神经元与特定靶细胞建立正确的突触联系。近十余年来几大类与轴突导向有关的分子已被发现,但这些轴突导向分子如何引起神经元细胞行为改变及突触形成, 目前尚不十分了解。研究也发wnt蛋白及其受体均表达于谷氨酸能神经肌连接区域，且分泌型的wnt蛋白主要来自突触扣结；wnt蛋白的缺失将导致特定靶区突触数量的显著下降和新发生突触前活性区或突触后致密区的异常^[14]。最先报道小脑小球突触群的形成有赖于小脑颗粒细胞分泌wnt7a对苔藓纤维的诱导^[15]，表现为突触素Ⅰ等在神经纤维末梢特定区域的聚集；wnt7a突变小鼠则显示突触素聚集及小脑小球发生成熟的延迟，提示wnt7a具有促进突触发生的作用。并且，β-连环蛋白对于树突的形态发生也至关重要。

2.3 wnt信号通路调节神经发生的可能机制综上所述，对神经系统而言，已有足够证据显示wnt信号通路参与了胚胎期、成年期神经前体细胞的增殖、分化以及细胞命运的调控，并且wnt信号通路对神经系统的发育包括皮质模式建立，突触形成等也是至关重要的。那么，wnt信号通路调节神经发生的作用机制是怎样的呢？

Sommer^[16]认为 wnt信号通路对于神经系统的作用并不总是一致的。产生这种现象可能的机制之一是神经干细胞自身的特点及所处的微环境可能会导致细胞对wnt信号的不同反应。在神经系统的不同部位，发育的不同时期，不同的wnt基因所发挥的作用也不尽相同。例如，虽然wnt1、wnt3a、wnt5a等在胚胎期神经发生中起重要作用，但是三者的作用方向却有所不同：wnt1主要促进神经干细胞的增殖同时也有助于各类神经元的分化，wnt3a主要促进神经干细胞的增殖，wnt5a却主要促进神经干细胞向多巴胺神经元分化^[17]。wnt1、wnt3a、wnt5a促进神经干细胞的增殖，主要方式为增加S期细胞数量、缩短G₁和/或G₂期的时间以及抑制细胞由G₁期过渡到G₀期^[7]。在这种方式中，wnt蛋白下游的β-连环蛋白信号分子发挥了非常重要的作用，它的持续表达会使神经干细胞的命运发生转变，使得大量本应分化的神经干细胞重新回到细胞周期中，从而使神经干细胞的数量明显增加。

另外一个可能性是wnt信号通路下游的靶基因众多，不同的靶基因产生的作用不尽相同。例如cyclin D1、c-myc 参与控制细胞周期；Ngn、神经元限制性沉默因子/抑制元素1-沉默转录因子参与神经发生；Ephrins参与细胞间作用^[18]。

还有一个可能性是wnt信号通路可以与多种信号途径发生相互关系，例如它可以诱导Noggin蛋白的形成，这些蛋白可以与骨形态发生蛋白结合，从而抑制骨形态发生蛋白促进神经干细胞向胶质细胞分化的效应^[19]；此外，wnt还可以在多个分子水平上对抗Notch信号，抑制神经干细胞向神经胶质细胞的分化促进向神经元分化^[20]。这说明，在很多情况下，wnt信号通路都是与成纤维细胞生长因子、Notch、Hedgehog、转化生长因子β等其他几条重要的信号通路“crosstalk”，通过相互协同，最终表现出对神经系统的特定效应。但是具体的细胞分子过程尚需进一步的深入研究。

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