Wnt信号通路在脊髓损伤修复中作用的实验研究进展①

满夏楠，陈健尔

Wnt信号通路在脊髓损伤修复中作用的实验研究进展①

满夏楠，陈健尔

Wnt信号通路是参与调控神经系统发育和参与脊髓损伤修复的重要信号转导系统之一，在轴突再生、神经干细胞增殖并向神经元分化，而抑制向胶质细胞分化等方面起重要作用。脊髓损伤后，损伤部位周围多种Wnt蛋白表达。Wnt家族中的一些蛋白在脊髓损伤修复中发挥着重要作用，Wnt/β-catenin信号通路的激活更是脊髓损伤后脊髓再生的必要步骤。

Wnt信号通路；脊髓损伤；神经干细胞；Wnt/β-catenin通路；综述

[本文著录格式]满夏楠，陈健尔.Wnt信号通路在脊髓损伤修复中作用的实验研究进展[J].中国康复理论与实践,2017,23(6): 645-648.

CITED AS:Man XN,Chen JE.Experimental research progress of wnt signaling pathway in spinal cord injury repair(review)[J]. Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(6):645-648.

脊髓损伤是一种常见的严重创伤性疾病，不仅导致患者出现严重的感觉和运动功能障碍，还会给患者心理造成影响，给家庭和社会带来沉重负担。据全球事故统计，仅外伤造成的脊髓损伤，每百万次就有23例[1]。脊髓损伤后发生的继发性损伤还会导致脊髓功能的进一步恶化[2]。

微环境的改变和神经细胞的再生潜能在脊髓损伤修复中有重大作用，轴突再生是影响脊髓损伤修复程度的关键因素之一[3]。Wnt信号通路能调控神经系统的发育和功能，在脊髓损伤的修复过程中发挥着重要作用[4]。

1 Wnt信号通路

Wnt由鼠原癌基因integrationl(int1)和黑尾果蝇无翅基因wingless(wg)两个词合成而来。自Wnt基因发现命名以来，目前已经发现19个Wnt基因和14个受体[5]，前者分别命名为Wnt-l、Wnt-2、Wnt-3、Wnt-3a、Wnt-4等，一段编码22或24个半胱氨酸残基的区域是它们的共有特征。

根据Wnt配体和受体激活的途径，将Wnt1/2/3/3a/8a/8b/ 10a/10b和FZD1/5/7/9归为经典信号分子，而Wnt4/5a/5b/6/7a/ 7b/1和FZD2/3/4/6被归为非经典信号分子，剩余的Wnt2b/9a/ 9b/16和FZD8/10蛋白仍未分类[6]。一般来说，经典Wnt信号维持神经干细胞(neural stem cells,NSCs)的增殖状态，Wnt拮抗剂和非经典Wnt信号可能参与神经元的分化。

Wnt信号通路的细胞内信号转导主要有4条通路：β-连环蛋白(β-catenin)通路、polarity通路、Ca2+通路以及调节纺锤体定向和不对称细胞分裂的通路[7]，其中研究最多、最透彻的是Wnt/β-catenin通路。Wnt/β-catenin通路主要包括Wnt蛋白家族、跨膜受体Frizzled家族、共受体低密度脂蛋白相关蛋白5/6 (1ow-den sity lipop rogein receptor-related p rotein 5/6,LRP 5/ 6)、蓬乱蛋白(Dishevelled,Dsh或Dv1)、APC/Axin/G SK-3J3降解复合体、β-catenin以及转录因子TCF/LEF家族。

2

Wnt信号通路与脊髓损伤修复

近年来的研究证实，Wnt蛋白家族不仅在胚胎神经系统发育的早期阶段发挥作用，在神经嵴形成、神经元分化和突触发生中也起关键作用[8]，同时能影响细胞增殖、细胞极性和能动性、神经元的存活和连通及细胞-细胞粘连[9-10]，并参与脊髓损伤后神经病理变化，且在其中发挥重要作用。

脊髓损伤后脊髓内源性NSCs出现短暂性增殖反应增强[11]，且其衰减变化与Wnt信号分子的表达变化相吻合，提示Wnt信号通路能调控NSCs的增殖和分化。此外，体外研究发现，Wnt信号通路能促进多种来源的干细胞发生神经分化，为神经损伤的治疗提供了新的研究方向和治疗策略[12]。研究发现，在发育完成后，Wnt蛋白家族或是不表达或是低表达；而脊髓损伤后，在损伤部位多个Wnt蛋白出现表达[13-15]。

2.1 Wnt1

Wnt1为Wnt经典信号通路中的配体，在大鼠脊髓损伤后的早期Wnt1呈现出高表达，后逐渐降至正常水平[16]，提示Wnt信号通路在脊髓损伤早期被重新激活，且随着Wnt1的表达变化，脊髓内源性NSCs也出现起始增殖-大量增殖-增殖减少这一系列变化[17]。这可能提示，Wnt1在脊髓损伤后可通过调控NSCs来发挥修复作用。

2.2 Wnt3a

轴突再生是脊髓损伤恢复的先决条件，Wnt家族的作用毋庸置疑。Wnt3a蛋白在脊髓发育过程中起到非常重要的作用，能够促进脊髓内源性NSCs的增殖和分化，诱导脊髓损伤后内源性NSCs向损伤区域大量迁移，进而修复和弥补受损的神经元，促进脊髓轴突的再生[18]。另一方面，相关研究显示，给脊髓损伤大鼠移植Wnt3a分泌型成纤维细胞，有助于促进脊髓损伤后轴突的再生和功能改善[19]。研究人员发现，鞘内注射Wnt3a 1周后，脊髓损伤大鼠神经功能得到一定的改善[20]。Wnt3a蛋白的过表达会抑制NSCs的增殖，促进NSCs向神经元方向分化[21]。据此考虑，Wnt3a是调控脊髓损伤修复的重要配体，是否能通过Wnt3a的调控，实现干预脊髓损伤的修复过程，使其向有利的方向发展呢？这还需要大量的研究予以证明。

2.3 Wnt4

目前，国内外关于Wnt4的研究尚不多见。现有动物实验研究表明，Wnt4通过非经典信号途径发挥作用。研究认为，Wnt4参与了早期神经元的分化[22]。有学者联合褪黑素和Wnt4，能使来自牛的羊膜上皮细胞向神经细胞分化，将其移植到损伤的脊髓中能促进神经功能的恢复[23]。

2.4 酪氨酸激酶受体Ryk(related-to-tryosine-kinase)

Ryk是酪氨酸激酶相关受体，是1992年被首次克隆的一个新的Wnt受体，被称之为非常规受体，能与不同Wnt配体相互作用，对多个Wnt蛋白都表现出高亲和力。现有研究显示，Ryk既能与配体Wnt5a结合，通过Wnt/Ca2+通路介导轴突生长，又能与Fz8受体复合物激活Wnt/β-catenin通路而发挥作用[24-25]。最近的研究发现，脊髓损伤后，Ryk在胶质和纤维连接蛋白表达细胞中出现表达[26]，是脊髓损伤后轴突再生的主要抑制因子[18,27]。Charlotte等[28]发现，在损伤部位注射Ryk抑制性抗体不仅能防止轴突回缩，同时能促进轴突出芽。

2.5 β-catenin

2.5.1 β-catenin的激活及调节

在缺乏Wnt配体的情况下，β-catenin被复合物(GSK3β/Axin/APC)所降解[29]。在Wnt配体存在的情况下，通过Wnt受体与配体的结合，产生β-catenin并在细胞质中积累，进而进入到细胞核中，与T细胞转录因子/淋巴样增强因子(TCF/LEF)相互作用，激活下游靶基因如c-myc、cyclin D1，从而调控细胞的生长、增殖[30]，而此过程可被Nemo样激酶(Nemo like kinase, NLK)这一负调节剂所调节，其通过降低β-catenin与LEF-1的结合以减弱Wnt/β-catenin信号通路的作用[31]。脊髓损伤后Wnt信号通路通过Wnt/β-catenin和其他可能的途径完成激活，激活的Wnt/β-catenin信号通路能发挥神经保护的作用[32]。

2.5.2 抑制还是促进轴突增长？

少突胶质前体细胞(oligodendrocyte precursor cells,OPCs)是胶质瘢痕形成的关键组分，其激活需要经典Wnt信号通路的传导，主要依靠Wnt/β-catenin通路。在敲除β-catenin的视网膜神经节细胞中，轴突再生超过受损的视神经损伤区这一现象间接反映了Wnt/β-catenin通路的抑制作用[33]。抑制Wnt/β-catenin通路下OPCs的激活，不仅能抑制其对损伤的反应，还能减少小胶质细胞和星形胶质细胞的反应，而这有利于轴突的再生和修复。而在另一项体外培养的研究中，Wnt/β-catenin信号通路激活的嗅鞘细胞能更好地增强轴突生长[34]。

2.5.3 调控NSCs增殖及向神经元分化

神经基因蛋白1(neurogenin 1,Ngn1)属于碱性螺旋-环-螺旋(basic helix-loop-helix,bHLH)的家族成员，是一种神经细胞分化过程中关键的调控蛋白，不仅能促进神经细胞分化，还能抑制神经胶质细胞分化。而研究发现，Ngn1是Wnt/β-catenin信号通路的重要靶基因，在促进神经发生的过程中扮演着重要的角色[35]。Davidson等[36]指出，Wnt/β-catenin信号通路在NSCs的分化中起到关键性作用，当激活Wnt信号通路时，NSCs向神经元分化的比例会明显升高。β-catenin的减少不仅能增加神经元的分化，还会导致大脑缩小[37]。Wnt信号通路通过Wnt/ β-catenin通路对细胞周期D1和D2的转录进行调节，调控NSCs细胞周期的进程，使其发生大量增殖。当β-catenin基因被条件敲除后，导致小鼠脑和脊髓神经发育缺陷，神经前体细胞增殖障碍；相反，过表达活性β-catenin分子的小鼠脑和脊髓组织以及神经前体细胞数量则显著增加，这表明Wnt/β-catenin信号途径在NSCs增殖中起到重要作用，能够调控NSCs增殖与分化的平衡[38]。

2.5.4 协助抗炎

脊髓损伤后局部炎症激活，目前临床常规治疗为糖皮质激素治疗。而实验研究发现，Wnt/β-catenin信号通路参与了糖皮质激素的抗炎过程，认为糠酸莫米松的作用强于甲基强的松龙琥珀酸钠的原因在于前者通过β-catenin使过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor,PPAR)γ水平升高所致[39]，而PPARγ主要表达于脂肪组织及免疫系统。

总之，Wnt/β-catenin信号通路的激活是脊髓损伤后脊髓再生的必要步骤[40]。

3 小结

Wnt信号通路参与调控神经系统发育和脊髓损伤的修复过程，Wnt信号通路对NSCs作用主要表现为以下几点：①刺激NSCs的增殖并促使其向神经元分化；②抑制NSCs向胶质细胞的分化；③促进突触的再生[41]。目前，Wnt信号通路已经作为脊髓损伤的潜在治疗方法被学者所研究[42]。但是，Wnt信号通路在于脊髓和脊髓损伤中的完整作用机制还没有完全阐述清楚。另一方面，Wnt信号通路能够发挥作用的有效结合位点也在探索中，最佳的干预措施或干预蛋白还在探索中。Wnt信号对NSCs的诱导分化缺乏导向性，如果能定向诱导内源性NSCs向神经元分化，那么就可以达到利用内源性NSCs治疗脊髓损伤的目的。另外，如果在促进有利的Wnt信号通路高表达的基础上，能同时抑制Ryk和NLK等对NSCs向神经元分化的不利因素，这也许对脊髓功能的恢复具有重大的意义。即Wnt信号通路存在的差异表达可能是脊髓损伤后潜在的治疗靶点[43]，其下游的细胞和分子靶标也许将为人类脊髓损伤修复提供有利的信息。

脊髓损伤的修复是一个复杂的系统工程，分子修复涉及多个信号转导通路。有研究表明，Wnt与Notch信号通路产生协同作用，共同参与神经系统的生理和病理调控[44-45]。另有研究报道，脊髓损伤会引起相关脑区的基因发生变化，而Wnt信号通路在此发挥了重要作用。由此可见，脊髓损伤后，机体通过Wnt信号通路在多处发挥作用，目前来看，单一的手段解决不了这个问题。总之，作为重要的形态发生信号，Wnt信号在脊髓损伤修复中的作用是被广泛认可的。但是，我们对Wnt信号通路在脊髓损伤修复中作用的认识仍然相对局限，它们之间的相互作用机制还需进一步的研究来完善。

[1]Lee BB,Cripps RA,Fitzharris M,et al.The global map for traumatic spinal cord injury epidemiology:update 2011,global incidence rate[J].Spinal Cord,2014,52(2):110-116.

[2]Jiang Y,Gong FL,Zhao GB,et al.Chrysin suppressed inflammatory responses and the inducible nitric oxide synthase pathway after spinal cord injury in rats[J].In J Mol Sci,2014,15 (7):12270-12279.

[3]Binan L,Ajji A,De Crescenzo G,et al.Approaches for neural tissue regeneration[J].Stem Cell Rev,2014,10(1):44-59.

[4]Lu W,Yamamoto V,Ortega B,et al.Mammalian Ryk is a Wnt coreceptor required for stimulation of neurite outgrowth[J]. Cell,2004,119(1):97-108.

[5]Onishi K,Hollis E,Zou Y.Axon guidance and injury－lessons from Wnts and Wnt signaling[J].Curr Opin Neurobiol,2014, 27:232-240.

[6]Huelsken J,Behren J.The Wnt signalling pathway[J].J Cell Sci,2002,115(part 21):3977-3978.

[7]Huelsken J,Vogel R,Erdmann B,et al.Beta-catenin controls hair follicle morphogenesis and stem cell differentiation in the skin[J].Cell,2001,105(4):533-545.

[8]Toledo EM,Colombres M,Inestrosa NC.Wnt signaling in neuroprotection and stem cell differentiation[J].Prog Neurobiol, 2008,86(3):281-296.

[9]Curinga G,Smith GM.Molecular/genetic manipulation of extrinsic axon guidance factors for CNS repair and regeneration[J].Exp Neurol,2008,209(2):333-342.

[10]Ciani L,Salinas PC.WNTs in the vertebrate nervous system: from patterning to neuronal connectivity[J].Nat Rev Neurosci,2005,6(5):351-362.

[11]Okano H,Sakaguchi M,Ohki K,et al.Regeneration of the central nervous system using endogenous repair mechanisms[J].J Neurochem,2007,102(5):1459-1465.

[12]Yang Q,Du X,Fang Z,et al.Effect of calcitonin gene-related peptide on the neurogenesis of rat adipose-derived stem cells in vitro[J].PLoS One,2014,9(1):e86334.

[13]González-Fernández C,Fernández-Martos CM,Shields SD. Wnts are expressed in the spinal cord of adult mice and are differentially induced after injury[J].J Neurotrauma,2014,31(6): 565-581.

[14]Gonzalez P,Fernandez-martos CM,Gonzalez-Fernandez C,et al.Spatio-temporal expression pattern of frizzled receptors after contusive spinal cord injury in adult rats[J].PLoS One, 2012,7(12):e50793.

[15]Wang X,Shi SH,Yao HJ,et al.Electroacupuncture at Dazhui (GV14)and Mingmen(GV4)protects against spinal cord injury:the role of the Wnt/β-catenin signaling pathway[J].Neural Regen Res,2016,11(12):2004-2011.

[16]梁新军,吴燕峰,唐勇,等.大鼠脊髓损伤后Wnt信号分子的表达变化[J].中国脊柱脊髓杂志,2009,19(12):931-934.

[17]徐起飞,周初松,靳安民,等.大鼠脊髓损伤后内源性神经干细胞增殖过程中Wnt-1的表达[J].中国脊柱脊髓杂志,2009, 19(2):138-142.

[18]Miyashita T,Koda M,Kitajo K,et al.Wnt-Ryk signaling mediates axon growth inhibition and limits functional recovery after spinal cord injury[J].J Neurotrauma,2009,26(7):955-964.

[19]蔚洪恩,王春芳,李鹏飞,等.大鼠脊髓全横断损伤后Wnt信号基因的表达[J].解剖学报,2008,39(4):466-469.

[20]Wang XL,Yang YJ,Xie M,et al.Proliferation of neural stem cells correlates with Wnt-3protein in hypoxic-ischemic neonate rats after hyperbaric oxygen therapy[J].Neuroreport,2007,18 (16):1753-1756.

[21]韩羽楠,王振宇.Notch和Wnt信号通路对神经干细胞增殖分化的影响[J].解剖科学进展,2014,20(4):385-387.

[22]Elizalde C,Campa VM,Caro M,et al.Distinct roles for Wnt-4 and Wnt-11 during retinoic acid-induced neuronal differentiation[J].Stem Cells,2011,29(1):141-153.

[23]Gao Y,Bai C,Zheng D,et al.Combination of melatonin and Wnt-4 promotes neural cell differentiation in bovine amniotic epithelial cells and recovery from spinal cord injury[J].J Pineal Res,2016,60(3):303-312.

[24]González P,Fernández-Martos CM,Arenas E,et al.The ryk receptor is expressed in glial and fibronectin-expressing cells after spinal cord injury[J].J Neurotrauma,2013,30(10): 806-817.

[25]Li L,Hutchins BI,Kalil K.Wnt5a induces simultaneous cortical axon outgrowth and repulsive axon guidance through distinct signalling mechanisms[J].J Neurosci,2009,29(18): 5873-5883.

[26]Hutchins BI,Li L,Kalil K.Wnt/calcium signalling mediates axon growth and guidance in the developing corpus callosum[J].Dev Neurobiol,2011,71(4):269-283.

[27]Hollis ER II,Zou YM.Reinduced Wnt signaling limits regenerative potential of sensory axons in the spinal cord following conditioning lesion[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2012,109 (36):14663-14668.

[28]Charlotte CE,Liu Y,Cooper HM.The Yin and Yang of Wnt/ Ryk axon guidance in development and regeneration[J].Sci China Life Sci,2014,57(4):366-371.

[29]Cadigan KM,Liu YI.Wnt signaling:complexityatthesurface[J].J Cell Sci,2006,119(Pt 3):395-402.

[30]Seto ES,Bellen HJ.The ins and outs of wingless signaling[J].Trends Cell Biol,2004,14(1):45-53.

[31]Xu D,Zhao W,Pan G,et al.Expression of Nemo-like kinase after spinal cord injury in rats[J].J Mol Neurosci,2014,52(3): 410-418.

[32]Fernández-Martos CM,González-Fernández C,González P, et al.Differential expression of Wnts after spinal cord contusion injury in adult rats[J].PLoS One,2011,6(11):e27000.

[33]Rodriguez JP,Coulter M,Miotke J,et al.Abrogation of β-catenin signaling in oligodendrocyte precursor cells reduces glial scarring and promotes axon regeneration after CNS injury[J].J Neurosci,2014,34(31):10285-10297.

[34]Yang Z,Wu Y,Zheng L,et al.Conditioned medium of Wnt/ β-catenin signaling-activated olfactory ensheathing cells promotes synaptogenesis and neurite growth in vitro[J].Cell Mol-Neurobiol,2013,33(7):983-990.

[35]Hirabayashi Y,Itoh Y,Tabata H,et al.The Wnt/β-catenin pathway directs neuronal differentiation of cortical neural precursor cells[J].Development,2004,131(12):2791-2801.

[36]Davidson KC,Adams AM,Goodson JM,et al.Wnt/β-catenin signaling promotes differentiation,not self-renewal,of human embryonic stem cells and is repressed by Oct4[J].Proc Natl Acad Sci USA,2012,109(12):4485-4490.

[37]Yun S,Rim Y,Jho EH.Induced expression of the transcription of tropomodulin 1 by Wnt5a and characterization of the tropomodulin 1 promoter[J].Biochem Biophys Res Commun, 2007,363(3):727-732.

[38]Zechner D,Fujita Y,Hülsken J,et al.Beta-Catenin signals regulate cell growth and the balance between progenitor cell expansion an differentiation in the nervous system[J].Dev Biol, 2003,258(2):406-418.

[39]Libro R,Giacoppo S,Bramanti P,et al.Is the Wnt/β-catenin pathway involved in the anti-inflammatory activity of glucocorticoids in spinal cord injury?[J].Neuroreport,2016,27(14): 1086-1094.

[40]Brionaa LK,Poulainb FE,Mosimannc C,et al.Wnt/β-catenin signaling is required for radial glial neurogenesis following spinal cord injury[J].Dev Biol,2015,403(1):15-21.

[41]Rodriguez-Gil DJ,Hu W,Greer CA.Dishevelled proteins are associated with olfactory sensory neuron presynaptic terminals[J].PLoS One,2013,8(2):e56561.

[42]Lambert C,Cisternas P,Inestrosa NC.Role of Wnt signaling in central nervous system injury[J].Mol Neurobiol,2016,53 (4):2297-2311.

[43]Xia X,Qu B,Ma Y,et al.Analyzing time-series microarray data reveals key genes in spinal cord injury[J].Mol Biol Rep, 2014,41(10):6827-6835.

[44]魏仁平,孙芳玲,刘婷婷,等.大脑神经发生相关信号通路的研究进展[J].中国康复理论与实践,2015,21(9):1037-1041.

[45]邹礼梁,王奎,满夏楠,等.Notch信号通路在中枢神经系统神经发生过程中作用的研究进展[J].中国康复理论与实践, 2016,22(11):1281-1284.

Experimental Research Progress of Wnt Signaling Pathway in Spinal Cord Injury Repair(review)

MAN Xia-nan,CHEN Jian-er
Zhejiang Chinese Medical University,Hangzhou,Zhejiang 310053,China

CHEN Jian-er.E-mail:cje28@foxmail.com

Wnt signaling pathway is one of the important signal transduction systems that involved in regulating nervous system development,which plays an important role in axonal regeneration,neural stem cell proliferation and differentiation into neurons and inhibition of differentiation into glial cells.After spinal cord injury,multiple Wnt protein expresses around the injury site,and some proteins of the Wnt family play an important role in spinal cord injury repair,in which the activation of Wnt/β-catenin signaling pathway is necessary for spinal cord regeneration after spinal cord injury.

Wnt signaling pathway;spinal cord injury;neural stem cells;Wnt/β-catenin pathway;review

R651.2

A

1006-9771(2017)06-0645-04

2017-02-14

2017-03-19)

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.06.005

1.浙江省公益性技术应用研究计划项目(No.2012C33066)；2.浙江省中医药科技计划项目(No.2012ZA123)。

浙江中医药大学第三临床医学院，浙江杭州市310053。作者简介：满夏楠(1989-)，女，汉族，山东滕州市人，硕士研究生，主要研究方向：神经脊髓损伤中西医结合康复治疗研究。通讯作者：陈健尔(1954-)，男，浙江杭州市人，硕士，教授，硕士研究生导师，主要研究方向：神经康复。E-mail:cje28@foxmail.com。