Wnt/β—catenin信号通路在发育和疾病研究进展

张嘉蓉

摘 要：在过去的几十年中，关于Wnt/β-catenin信号通路的在发育过程中的研究一直是一个热点。研究者们利用不同的模式动物对该通路进行了詳尽的研究。结果表明Wnt/β-catenin信号通路在胚胎的早期发育、各种组织和器官的形成、生长发育过程以及维持动物成体的体内平衡过程中都扮演着关键的角色。发生在Wnt信号通路的基因突变通常和人的出生缺陷、肿瘤以及其他很多疾病的发生息息相关。本文综述了近些年对Wnt/β-catenin信号通路研究的一些新的进展，例如在调控牙齿、眼睛、造血干细胞的发育以及在肿瘤、哮喘等各种疾病发生中的作用。

关键词：Wnt/β-catenin；信号通路；组织和器官发育；疾病

中图分类号：R730.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）01-0187-03

1 Wnt/β-catenin信号通路概述

在高等生物的发育过程中，转录因子、细胞内外的各种信号分子和信号通路起着重要的调控作用。其中，Wnt/β-catenin信号通路在细胞的增殖和命运的决定以及组织器官发生的各个重要环节都起着重要调控作用。1982年Nusse等首先在小鼠乳腺癌中发现了Wnt基因[1]。由于该基因的激活依赖小鼠乳腺癌相关病毒基因的插入，因此，当时被命名为Int1基因。Int1基因在小鼠胚胎发育中起重要作用，类似于果蝇的Wingless基因，可控制胚胎的轴向发育，因此将二者的名称合并后，称为Wnt基因[2]。之后的研究表明，Wnt信号通路非常保守，从低等的线虫到高等的哺乳动物都有广泛的表达和作用。其中，人的Wnt基因定位于染色体12q13，目前已有约19个家族成员。Wnt/β-catenin信号通路主要由下面一些蛋白组成：Wnt家族蛋白（Wnt）、卷曲蛋白（Frizzled）、低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6（LRP5/7）、散乱蛋白（Dsh）、结直肠腺瘤性息肉蛋白（APC）、糖原合成酶激酶3β（GSK-3β）、轴蛋白（Axin）、β连环蛋白（β-Catenin）等[3]。

在过去的几十年的研究中，研究者对wnt/β-catenin信号通路的作用机制进行了详细的研究。在缺乏Wnt的情况下，细胞质β-catenin蛋白在Axin蛋白复合体的作用下不断降解，因而β-catenin就不能有效的入核，因而也就不能调控Wnt靶基因的转录和表达，反而会被DNA结合蛋白T细胞因子/淋巴增强因子（TCF/LEF）家族蛋白所抑制。当Wnt配体与七次跨膜蛋白Frizzled受体以及共受体低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6结合时，形成Wnt-Fz-LRP6蛋白复合体，并招募支架蛋白Dishevelled，使LRP6发生磷酸化和活化，并招募Axin蛋白复合体到膜受体上。这样就抑制了Axin复合物介导的β-catenin磷酸化，从而稳定了β-catenin的蛋白水平，进而入核与TCF/LEF结合形成复合物，解除其对Wnt靶基因的抑制作用。以上是经典的Wnt通路，非经典的Wnt通路不依赖于β-catenin蛋白，并进一步分为PCP通路和Wnt/钙离子通路[4]。

2 Wnt/β-catenin信号通路在眼睛发育中的调控作用

哺乳动物的眼睛是一个高度特化的感觉器官，是由前神经板、头表皮外胚层和神经冠间质发育而成的。在眼睛的发育过程中，如在晶状体、视网膜色素上皮细胞、睫状体等的发育和形成过程中，Wnt/β-catenin信号通路起着重要的调控作用，其功能的异常将会导致眼睛的发育障碍[5]。例如，在晶状体的发育过程中，Wnt/β-catenin维持正常的眼表外胚层和晶状体上皮细胞的发育，在晶状体发育相关细胞中条件性删除β-catenin，将会导致晶状体形态和功能的异常。同样β-catenin的缺失也会导致视网膜发育的退化[6]。

2015年，Zhang等发现Wnt/β-catenin信号通过抑制Bmp4调节角膜上皮层化。角膜上皮分层是一种基于间叶上皮相互作用的协调发展过程。在角膜基质细胞中对β-catenin或共受体Lrp5/6的条件性基因敲除导致角膜上皮细胞的过早分化，过度表达β-catenin则会阻碍角膜上皮的分层。 进一步研究发现，Bmp4的表达在β-catenin的缺失在角化细胞中被上调，这进一步导致了ERK1/2（Mapk3/1）和Smad1/5的磷酸化，并提高了转录因子p63（Trp63）的表达。小鼠新生儿的眼结膜下注射BMP4蛋白表现出与β-catenin 条件性敲除相似的表型。并且，Bmp4和β-catenin 双敲除小鼠（Bmp4cKO Ctnnb1cKO）表现出正常的角膜上皮层化过程。此外，ChIP和荧光素酶实验也表明β-catenin直接结合并抑制Bmp4启动子的活性。这些数据表明Wnt/β-catenin信号通路通过对Bmp4分子的调控，在角膜形成过程和上皮分层中起着关键的作用[7]。

3 Wnt/β-catenin信号通路在牙齿早期发育中的作用

在小鼠当中，牙齿的发育开始于胚胎期E11.5天牙上皮的增厚形成牙基板结构，然后继续增殖，在E12.5到E13.5天嵌入相邻的间质形成上皮芽结构。在第E14.5天，牙齿的发育进入帽状期，伴随着牙上皮中釉结形成，牙尖结构出现。E16.5天开始进入钟状期，造釉细胞和成牙质细胞开始分化。这些过程是在多个信号通路家族的精确调控下进行的，这些信号分子包括成骨蛋白家族（BMPs）、成纤维生长因子家族（FGFs）、Shh蛋白和Wnt蛋白信号通路[8]。关于Wnt通路在牙齿发生过程中的重要作用已经有很详尽的研究。研究表明，牙上皮细胞表达很多Wnt配体蛋白分子。当在牙上皮细胞或者间质细胞中失活β-catenin基因，牙齿的发育则停滞于芽状期[9]。

2014年，Yuan等发现Wnt/β-catenin信号通路在牙齿早期发育过程中起着调控牙上皮细胞命运决定和增殖的作用。作者利用Noggin（Nog）基因过表达的转基因小鼠模型，发现Nog基因可以抑制Wnt/β-catenin通路的信号传导，导致Pitx2的表达缺失。免疫共沉淀实验和TOPflash assay显示Nog与Wnts直接结合，以阻止Wnt/β-catenin信号通路的功能传递。遗传拯救实验也证明BMP和Wnt信号通路对牙齿上皮细胞增殖有促进作用，而Wnt信号也控制着牙齿的命运决定[10]。2017年，Ahn等在小鼠的牙齿发育过程中进行了一系列的遗传学分析，发现了Lrp4分子在牙齿发育过程中新的调控机制。Lrp4和Wnt分子的共受体Lrp5和Lrp6结构上非常类似，并可以通过直接结合Wnt的拮抗分子Wise和Sost来调控Wnt信号通路的活性。其遗传学证据表明，Lrp4也可以通过一种Wise和Sost非依赖的方式调控Wnt/β-catenin通路的信号传递。另外一种携带了丧失了Sost结合能力的Lrp4基因点突变小鼠模型也进一步证明Lrp4在调控牙齿发育时候功能的多样性。同时，嵌合受体分析实验也表明Lrp4细胞外域与Wnt配体的直接相互作用[11]。endprint

4 Wnt/β-catenin信号通路在造血干细胞的发生中的作用

造血干细胞（HSCs）是在胚胎期從一种存在于主动脉血管内皮样细胞的细胞群中产生[12]。β-catenin的条件性敲除会损害造血干细胞的自我更新能力[13]，但是在骨髓当中诱导性敲除β-catenin却没有表现出来相同的作用[14]。后续研究表明，在体外培养实验中，外源性激活Wnt/β-catenin通路促进造血干细胞的增殖能力；但是体内β-catenin获得性功能突变实验却导致造血干细胞的活性耗竭[15]。以上结果提示Wnt/β-catenin信号通路的活性在维持造血干细胞的功能和状态的时候需要精确的调控以维持功能的平衡。

2012年，Cristina等发现在小鼠体内的主动脉-性腺-中肾区（aorta-gonad-mesonephros region，AGM），Wnt/β-catenin的一过性表达对产生持久性造血干细胞是必要的，并且在体外从AGM内皮前体细胞诱导生成造血细胞中也是必需的。在胚胎的内皮细胞阶段将β-catenin的基因敲除，会阻碍造血细胞谱系的发育；但是在胚胎期造血细胞中敲除β-catenin，则没有这种作用。说明Wnt/β-catenin信号分子对胚胎发育中造血干细胞的生成起着重要作用，但是对造血干细胞的维持没有作用[16]。

5 Wnt/β-catenin信号通路在疾病中的作用的研究进展

Wnt/β-catenin信号调控细胞的增殖和命运决定，在各种组织、器官的生长发育和成体的体内平衡过程中扮演着关键的角色，因此异常的Wnt信号与很多遗传性疾病、退行性疾病和癌症紧密相关[17，18]。

研究发现FZD4和LRP5的突变和家族性渗出性玻璃体视网膜病变（familial exudative vitreoretinopathy）息息相关[19]。Wnt/β-catenin信号也在骨的生成中起着重要调控作用。Gong等发现病人中LRP5的突变会导致假神经胶质瘤性骨质疏松症（OPPG）的高发[20]。相反，Boyden等发现在骨高密度症病人当中携带有LRP5高活性的突变位点，这些突变位点集中在LRP5胞外区域，使LRP5不被SOST和DKK1所结合和抑制[21]。巧合的是，在硬化性骨化病，一种类似骨高密度症的病人中也发现携带SOST的功能失活突变。因此，现在以LRP5/6，SOST和DKK1为靶点的药物在骨异常相关的疾病中正在被测试，其中有些已经取得了积极的结果[22]。

Wnt/β-catenin信号通路在肿瘤发生中的作用也得到了详细的研究。研究发现，由于APC功能缺失突变或者β-catenin自身突变而导致降解受阻，从而引起β-catenin的过度激活，最终导致干细胞的异常增殖和癌症的发生[23]。2009年，Fuchs等发现干细胞中APC缺失或者β-catenin过度激活确实会导致肠道肿瘤的发生。APC的突变也是家族性腺瘤性息肉病（Familial Adenomatous Polyposis）的致病机理，患者在幼儿时期即高发大量的结肠腺瘤和息肉[24]。在急性骨髓性白血病（AML）中，Wang等发现Wnt/β-catenin信号是来源于粒细胞-巨噬细胞前体细胞（GMP）的白血病干细胞（LSCs）自我更新必需的。在正常的GMP细胞当中没有β-catenin的表达，β-catenin的重新表达有助于GMP前体细胞转化成白血病干细胞[25]。

2015年，Kwak等发现Wnt/β-catenin信号通路在哮喘病人呼吸道重塑过程中发挥着重要作用。作者发现哮喘病人的痰液中Wnt7a的mRNA的量大大高于健康受试者。同样，在诱导慢性哮喘小鼠模型当中，发现肺部Wnt家族的蛋白的大量分泌和β-catenin的高活性。利用siRNA降低β-catenin的表达量可以减缓气管炎的发生和气道重塑的进程[26]。

6 展望

自从35年前发现Wnt1基因以来，Wnt/β-catenin信号通路已经被证明在调控细胞增殖、细胞的命运决定、组织和器官的发生发育过程中都起着重要的调控作用。随着对Wnt/β-catenin信号通路的深入研究，对其认识也在不断的加深，各种复杂的调节机制揭示了其在发育过程中作用受到精确的调控；其功能的异常也和各种疾病，如遗传性疾病、退行性疾病和癌症的发生紧密相关。总之，对Wnt/β-catenin信号传导和调控的机制更加深入的理解将对生物学研究和转化医学应用产生广泛的影响。

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