Wnt信号通路在晶状体发育中的作用

康海军综述，康刚劲审校

（西南医科大学附属医院眼科，四川泸州646000）

综述

Wnt信号通路在晶状体发育中的作用

康海军综述，康刚劲审校

（西南医科大学附属医院眼科，四川泸州646000）

Wnt信号通路；晶状体上皮细胞；发育

在眼球的发育过程中，Wnt（wingless-type MMTV integration site family members）信号转导通路起着重要作用，晶状体上皮细胞的分化以及晶状体的发育与Wnt信号转导通路有着密切的关系[1]。在脊椎动物晶状体的早期发育阶段，经典Wnt信号转导通路通过抑制视泡和表面外胚层的形成来调节晶状体的发育[2-4]，随后通过影响晶状体上皮细胞和晶状体纤维细胞分化调节晶状体的发育[5-6]。非经典的Wnt信号转导通路主要在晶状体上皮细胞延长和晶状体纤维细胞规律的排列中起重要作用[7-8]。本文结合目前该领域研究进展就Wnt信号转导通路在晶状体的发育分化中的作用进行详细综述。

1 Wnt信号通路

最初在果蝇胚胎发育的研究中发现了无翅基因（wingless，wg），wg基因突变将导致无翅。随后在用小鼠乳头瘤病毒（MMTV）诱导小鼠产生乳腺癌的过程中，发现MMTV常常固定整合于宿主染色体的特定位置，命名为整合基因（integration，int）。随着研究的不断深入，证明小鼠的int基因就是果蝇的wg基因，现已将相关的二类基因统一命名为wnt基因家族。wnt基因编码的Wnt蛋白，可启动细胞内信号转导途径，传递生长刺激信号，参与不同的发育机制，如细胞分化、移行，以及决定细胞命运的增殖等，因其启动蛋白为Wnt蛋白，故命名为Wnt信号转导通路。目前对Wnt信号转导通路研究较为清楚的有3条途径：根据LRP5/6是否参与信号转导分为经典Wnt/β-catenin信号通路（canonical pathway）和非经典途径，Wnt/细胞极化通路（the planar cell polarity pathway，Wnt/PCP）以及Wnt/Ca2+通路。

2 Wnt信号转导通路对晶状体发育的调控

一个世纪以来，通过对晶状体发育的研究，让研究者能够从基因、生化水平研究胚胎诱导、细胞调控、信号转导等过程来研究眼发育进程与发育机制。晶状体的形成是一系列信号因子对预定晶状体外胚层细胞连续诱导和作用的结果。Wnt信号转导通路和FGF信号转导通路、BMP/TGF-β信号转导通路一样在晶状体和视网膜发育中起着关键作用[9]。

2.1 Wnt/β-catenin信号转导通路

现已证实Wnt/β-catenin信号通路对胚胎发育和成体组织中细胞命运的调控起着关键作用[10]，当然包括晶状体上皮和晶状体纤维细胞的发育分化。当细胞分泌的Wnt蛋白与人卷曲/低密度脂蛋白受体相关蛋白6（frizzled/low-density lipoprotein receptor-related protein 6，FZD/LRP 6）受体结合后，可磷酸化散乱蛋白（dishevelled，Dsh），磷酸化的Dsh抑制β-catenin与Axin-APC-GSK-3β形成降解复合物，使βcatenin在细胞质内积累，并最终结合核蛋白Nup62、Nup153和RanBP2[11]，促进其核转移然后移至细胞核内与TCF/LEF相结合并调控下游cyclinD1、c-myc等靶基因的转录和表达，从而调控细胞增殖和分化[12]。Carpenter AC等[13]通过小鼠的研究发现在表面外胚层的晶状体基板表达12种Wnt配体,在晶状体发育早期阶段，Wnt/β-catenin信号通路抑制外胚层的发育调控晶状体发育。抑制E9.5区的β-catenin会导致晶状体的异位与晶状体纤维细胞间的连接异常[2-3]。通过实验去除整个晶状体中的β-catenin则会导致晶状体上皮细胞内钙黏蛋白和Pax6表达的下调，同时使晶状体上皮细胞的周期停止在G1-S期，但是已经分化的细胞并不会受到影响[14]。同时Pax6也会直接调控Wnt/β-catenin信号转导通路中相关成分的表达，比如Bcl9l,Ccnd1,Dkk3,Lrp6和Wnt7a[15-16]；Pax6与Wnt/β-catenin也可以共同调控α1-laminin基因的表达来控制晶状体细胞骨架的形成[17]。在晶状体随后的发育阶段，如果没有β-catenin的调控将引起晶状体纤维细胞的不规则延长、β-晶状体蛋白表达的下降以及细胞间不正常的连接[18]。Hayashi等[14]用RT-PCR技术在晶状体发育的不同时间点收集虹膜组织，发现整个过程中Wnt 2b和Fz4表达上调,特别是第8、12d时在虹膜组织上调更为显著。用含有FGF2和Wnt信号通路阻断剂（DKK1、SFRP1）的培养基研究晶状体的发育时，发现晶状体发育速度显著下降；但是用含有FGF2和Wnt信号通路蛋白（WNT3A）培养基则会出现截然不同的效果，甚至可以从虹膜腹侧部观察到大量的晶状体在虹膜背部重建。这项研究结果显示由FGF2触发的Wnt/β-catenin信号转导通路，对虹膜背部的晶状体发育起着关键作用。同时由FGF2触发的Wnt/β-catenin信号转导通路也对晶状体蛋白表达起着促进作用[19]。

2.2 Wnt/细胞极化通路

Wnt信号激活Rho或者Rac，这些GTP酶通过Rho-associated protein kinase（ROCK）调控细胞骨架变化或者通过Jun N-terminal kinase（JNK）调控基因的转录[20],称为Wnt/细胞极化通路（the planar cell polarity pathway，Wnt/PCP）。晶状体纤维的延长以及规则的排列需要Wnt/PCP的准确调控[7,21]，错误的晶状体上皮细胞迁移运动可导致晶状体形状的异常和晶状体缝的异常。研究发现在晶状体中PCP相关蛋白不对称地分布在顶端晶状体纤维表面[21]：Fz6和Vangl2主要分布在晶状体前面，Pk1在晶状体后表面细胞和一些基质较少的细胞中占据优势，Dvl2和Dvl3则在每个细胞中都有分布。这种不均匀的分布提示Wnt/PCP信号转导通路在晶状体纤维规则排列起着重要作用。其中FGF通过上调Wnt/PCP信号通路相关蛋白Fz3、Fz6、Dvl2、Dvl3来调控晶状体纤维的分化；在添加Sfrp1或IWP-2的FGF培养基中体外培养晶状体纤维可以发现晶状体纤维的延长被抑制、晶状体丝蛋白和β-晶状体蛋白的表达下降；同时Wnt/PCP信号通路相关蛋白表达也下降，Dvl2的激活被抑制[22]。用Van Gogh-like 2（Vangl2）和Celsr1基因突变（PCP核心基因）的小鼠会导致晶状体不规则排列和晶状体缝的形成[23]。在小鼠中过量表达的Sfrp2（Wnt/PCP调节蛋白）通过下调Wnt/PCP信号转导通路中相关组成分子的表达/活化，打乱规则排列的晶状体纤维[8,21]。Wnt/PCP信号通路激活Rho,Rac和Cdc42等GTP蛋白激酶后，这些激酶再调节细胞骨架变化来决定细胞的迁移运动，同时激活JNK以调控一系列转录因子的表达[24]。这些研究揭示Wnt/PCP信号转导通路对晶状体发育的重要作用主要表现在对晶状体纤维规则排列和迁移的调控。

2.3 Wnt/Ca2+信号转导通路

钙离子是细胞内功能最为广泛的第二信使之一，几乎在所有的细胞生理过程中发挥作用。从细胞的分化到程序性凋亡、从兴奋收缩耦联到兴奋释放耦联、从基因表达到突触可塑性，钙离子都在其中发挥着作用[25-26]，Wnt蛋白与受体结合后导致细胞内Ca2+浓度增加，从而激活CaM依赖性蛋白激酶II（CAMKII）和蛋白激酶C（PKC）来调控细胞的迁移以及分化[20,27]；在胚胎发育时期，细胞的迁移需要细胞骨架蛋白和整合蛋白的共同调节，Wnt/Ca2+信号通路通过调控这些蛋白的表达从而控制细胞的迁移。Wnt/Ca2+的激活需要Wnt4a、Wnt5a的参与[28-29]。Wnt5a在神经脊细胞高度表达，从而对晶状体的早期发育起着调控作用。Wnt5a与Frizzled蛋白受体结合后，通过使磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（PIP2）水解而影响细胞内Ca2+水平。PIP2水解生成甘油二脂（DG）和肌醇1,4,5-三磷脂（IP3），其中DG可使PKC活化，IP3可作用于细胞内质网IP3受体，引起Ca2+从内质网中释放。细胞内升高的Ca2+反过来激活PKC蛋白激酶Ⅱ[30-31]。PKC通过与细胞骨架蛋白的相互作用来调节细胞的粘附和迁移[32]。

2.4 三条信号转导通路间的相互作用与关系

Wnt与Frizzled配体结合后，激活Wnt信号通路，其中Wnt/β-catenin信号通路调控细胞增殖和分化[12]，不需要LRP5/6参与的PCP信号通路直接参与对晶状体纤维发育过程中的规则排列和迁移的调控。Dkkl与LRP6特异性结合能阻断Wnt/β-catenin信号通路,但不能阻断PCP信号[33],表明其功能也不依赖于Wnt/β-catenin信号通路，Wnt/β-catenin信号通路与Wnt/PCP在控制晶状体的发育调节中起着不同作用，相互独立；非经典Wnt/Ca2+信号通路能阻断经典Wnt信号通路,它可以促使细胞内钙的释放并激活CamKII和PKC两种激酶调节细胞的粘附和迁移[34]。只有三条信号通路在空间、时间上准确调控才能保证形成良好的视觉。

3 展望

在晶状体的发育过程中，细胞的增殖和分化受到精确的调控，这个过程的调节受到基质成分及粘附蛋白的表达和信号转导通路的影响。Wnt/β-catenin信号通路和非经典Wnt/ Ca2+信号通路主要通过调控晶状体发育相关基因的表达来调控晶状体的早期发育，Wnt/PCP信号转导通路则对晶状体纤维细胞发育过程中的规则排列和迁移的调控起着重要作用。Wnt信号通路对晶状体每一步发育过程的精确调控是形成良好视觉质量的前提。尽管人们对此进行了大量的研究,但此通路中各种蛋白相互作用的分子机制仍未完全阐明。因此,进一步研究Wnt信号转导通路之间的相互作用与关系，以及各基因及其表达蛋白的相互作用,对于从更深层次阐明晶状体的发育有着重大意义，并有望成为研究晶状体发育的新方向。

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（2016-04-05收稿）

R776.1

A

10.3969/j.issn.1000-2669.2016.06.023

康海军（1988-），男，硕士生。E-mail:705094775@qq.com