Wnt/β-catenin信号通路在中枢神经系统发育、再生及变性性疾病中作用的研究进展

申亚辉，刘新禹，康晓燕，冯禹楠，陈思炜，单俊嘉，郇宇，闫晓东

(1第四军医大学基础医学院，西安710032；2郑州大学；3第四军医大学唐都医院)

中枢神经系统(CNS)是人体的“最高司令部”，它的活动保持了人体对外界环境的反应，也参与维持机体内环境的稳定。然而CNS的再生能力低下，多种CNS疾病如帕金森病(PD)、阿尔茨海默病(AD)、脑卒中的治疗与恢复仍然相当困难。Wnt信号是发育中一个经典的保守的模式发生分子途径。Wnt信号通路不仅可调控神经发生过程中神经元的增殖、分化、迁移，突触发生以及轴突生长等过程，而且在脑血管再生、血脑屏障的形成等生理过程中也发挥重要作用。此外，Wnt信号通路也在PD、AD、脑卒中等CNS疾病中发挥重要的调控作用。Wnt信号通路主要分为Wnt/β-catenin信号通路(即经典的Wnt信号通路)、Wnt/polarity通路、Wnt/Ca2+通路3种。目前研究较为清楚以及与CNS关系密切的是Wnt/β-catenin信号通路。本文将重点对其进行综述。

1 Wnt/β-catenin信号通路在CNS发育中的作用

作为哺乳动物神经发育的基础，神经干细胞(NSCs)是一种具有分化为神经元、星形胶质细胞及少突胶质细胞，并能进行自我更新，足以提供大量脑组织神经细胞的细胞群。近年研究发现，Wnt/β-catenin信号通路是哺乳动物CNS发育的关键信号通路之一。McMahon等[1]研究发现，当剔除胚胎小鼠的Wnt1基因，则新生小鼠的中后脑的发育有严重的缺陷。而当胚胎时期该信号通路在NSCs中过表达，则发现小鼠的大脑皮层出现了更多的脑回和脑沟。以下将对在CNS发育过程中，该信号通路对NSCs在增殖、分化和迁移上的作用进行具体分析。

1.1 Wnt/β-catenin信号通路对NSCs增殖调节作用 Wnt/β-catenin信号通路能够调控NSCs的增殖。研究表明，当Wnt/β-catenin信号通路持续处于未激活的状态时,脑组织内的NSCs不仅数量不会增加甚至会持续减少,并且实验动物的CNS发育异常迟缓。Wnt/β-catenin信号通路中的不同分子对于脑组织发育的影响也存在空间差异性。Hirabayashi等[2]敲除小鼠的Wnt1基因，结果导致小鼠的中脑和小脑严重受损；而Lie等[3]研究发现，缺少Wnt3a基因的小鼠，其海马的发育受损。

当Wnt/β-catenin信号通路处于持续激活状态，脑组织中NSCs一直处在有丝分裂周期之内，NSCs的数目也持续增加。Zhang等[4]对体外培养的小鼠NSCs(NE-4C)进行体外冲击波治疗(rESWT)，后者激活了Wnt/β-catenin信号通路，随后检测发现，经过电刺激的小鼠NSCs不断增殖，并且一直处于未分化状态。Qi等[5]从SD大鼠中分离NSCs，并在含0.3%氧气的微氧培养系统中进行培养，结果显示，在缺氧条件下，NSCs内β-catenin水平升高与NSCs持续增殖呈正相关。Chenn等[6]对ΔN90β-catenin-GFP转基因小鼠进行研究，发现该型Wnt/β-catenin信号通路持续高强度处于激活状态的转基因小鼠脑组织中，本应分化为神经元或神经胶质细胞的NSCs发育方向被改变，转而重新进入细胞分裂周期，NSCs数量不断增加；在外观上，小鼠的大脑皮层出现了更多的脑回和脑沟，脑皮层表面积明显增加。

以上研究均证实，Wnt/β-catenin信号通路可促进NSCs增殖，并有助于维持其未分化的特性。

1.2 Wnt/β-catenin信号通路对NSCs分化的调节作用 发育中NSCs的正确分化十分重要，Wnt/β-catenin信号通路在其分化过程中扮演重要角色。Azim等[7]通过抑制Wnt/β-catenin信号通路活性，发现背侧脑室下区的NSCs向谷氨酸能神经元祖细胞分化明显受到抑制。Zhang等[4]发现，激活Wnt/β-catenin信号通路可刺激NSCs向神经元分化；而使用Wnt/β-catenin信号通路抑制剂Dickkopf-1后，该效应可以完全被阻断。Qu等[8]报道，Wnt7a基因对NSCs的增殖和分化都十分重要，敲除小鼠的Wnt7a基因可导致小鼠海马内NSCs数量显著减少，并且NSCs持续处于幼稚未分化状态。

在激活Wnt/β-catenin信号通路的研究中，Wnt-3a蛋白和β-catenin一直是研究的热点。Wang等[9]在原代培养的缺血性NSCs中转染入miRNA-148b抑制剂，将小鼠进行培养后进行NSCs检测，发现伴随着NSCs内的Wnt-1蛋白和β-catenin水平升高，NSCs更多地向神经元发生和星形胶质细胞分化。Lee等[10]利用转基因小鼠进行研究，发现伴随着小鼠体内β-catenin分子水平的升高，NSCs开始改变其干细胞不分化的状态，大量分化成为感觉神经元；且当β-catenin基因突变后，伴随着β-catenin分子水平的降低，感觉神经元的分化也明显异常。研究发现，成纤维细胞生长因子2(FGF2)参与了这一过程。当细胞内的β-catenin分子处于高浓度状态，游离的β-catenin能够和FGF2共同作用，使得NSCs处于不断增殖、不分化的状态。Wnt信号激活后，游离的β-catenin分子就会聚集在细胞质中，随后被转运进入细胞核，直接与多种前神经元基因如neurogenenin基因的启动子结合激活并该基因，促进NSCs向神经元的分化。

1.3 Wnt/β-catenin信号通路对神经元轴突生长及突触发育的调节作用 CNS复杂网络的形成除了依靠NSCs的正常增殖和分化，还依赖于神经元轴突的精确生长和神经元与靶细胞之间正确的突触建立。近年研究发现，Wnt/β-catenin信号也参与了对神经元轴突生长及突触发育的调节。有学者发现，Wnt蛋白及其相应受体在神经肌连接区域有表达，当敲除Wnt基因之后，特定靶区的突触密度显著下降，与此同时新生长的突触活性也明显异常。Hornsby等[11]研究发现，小脑颗粒细胞分泌Wnt7a蛋白对于小脑小球突触群的形成具有重要的调控作用，当Wnt7a基因发生突变则显示突触生长障碍及小脑小球发生缺陷。

与此相对，Cerpa等[12]将Wnt7a基因转入小鼠的小脑颗粒细胞中，持续激活Wnt信号，结果显示可以促进靶细胞上的突触素Ⅰ的聚集，继而刺激轴突微管重构，导致轴突的扩展和分支。Munnamalai等[13]研究发现，Wnt9a基因的表达可以激发小鼠神经轴突正常的横跨发展，促进小鼠听觉的发育，该基因异常表达时，小鼠听力的正常发育会受到抑制。Chen等[14]研究发现，在谷氨酸突触上，Wnt3a以一种活动依赖性的方式释放，阻断Wnt信号通路能够减弱长时程增强效应。糖原合成激酶-3β(GSK-3β)是Wnt/β-catenin信号通路在胞质内的信号传递分子，过表达GSK-3β能够阻断长时程增强效应的发生，并造成小鼠空间学习能力的下降。

2 Wnt/β-catenin信号通路与CNS损伤后的修复

由于CNS再生能力低下，损伤后难以修复，CNS损伤患者除了需要忍受长期甚至是终身的感觉运动功能障碍，还会由于长期病痛压力引起精神障碍，给家庭和社会带来沉重的负担。近年研究发现，Wnt/β-catenin信号通路在CNS损伤后的修复中也发挥一定的作用。

2.1 脑卒中 脑卒中是一种由于脑血管突然破裂或者血管阻塞导致血液不能流入大脑而引起脑组织损伤的急性脑血管疾病。黄景阳等对小鼠脑卒中模型进行研究，发现脑卒中可以刺激小鼠脑组织中SGZ区的Wnt-7分子大量表达。作为Wnt/β-catenin信号通路中的重要分子，Wnt-7分子对于脑卒中后海马齿状回颗粒下区(SGZ)的NSCs的增殖分化，继而进行神经修复有着促进作用；Wang等[15]的研究进一步证实，Wnt/β-catenin信号通路对于神经修复的作用。他们将血管收缩因子内皮素-1注射入小鼠脑组织，引起脑血管痉挛，制成脑卒中模型。通过对缺血损伤区域的检测发现，NSCs中的Dickkopf-1浓度升高、β-catenin浓度降低，而当用GSK-3β抑制剂TWS119对该区域进行处理，后者在抑制GSK-3β表达的同时增加了β-catenin，最后发现脑卒中区域的NSCs数量和活性不断升高，促进了神经修复。这些研究都表明，Wnt/β-catenin信号通路与脑卒中之间的联系异常紧密，干预Wnt/β-catenin信号通路可能有助于脑卒中的治疗。

2.2 脊髓损伤 脊髓损伤是一种严重的创伤性疾病，临床上以患者感觉和运动的障碍，以及后继引发患者心理问题为特征。与脑卒中类似，Wnt/β-catenin信号通路在脊髓损伤的修复中也发挥着重要作用[16]。Zhang等[17]通过大鼠脊髓损伤模型实验发现，作为Wnt/β-catenin信号通路的配体，Wnt-1分子在脊髓损伤之后，呈现出初始大量表达，之后降低至正常水平的趋势。该趋势与脊髓内源的NSCs先少量增殖、随后大量增殖、最后增殖降低的趋势一致。除了Wnt-1之外，Miyashita等[18]认为，在脊髓损伤之后，Wnt-3a的大量表达也可以促进脊髓内源性NSCs的增殖与分化以及向损伤部位的迁移，继而参与损伤神经组织的修复。轴突再生是脊髓损伤修复的关键，然而作为一种与酪氨酸激酶相关的Wnt受体，受体酪氨酸激酶(Ryk)在脊髓损伤后可以大量表达，对轴突的生长具有抑制作用[19]。Liu等[20]研究发现，将Ryk的抑制性抗体注入损伤部位，除了可以抑制突触凋亡，减轻神经疼痛，还能促进新的突触生长。这些研究表明，Wnt/β-catenin信号通路为脊髓损伤后的神经修复提供了新的治疗思路。

3 Wnt/β-catenin信号通路与CNS变性性疾病

CNS变性性疾病是威胁人类健康的重要病因之一。目前已知多种信号通路参与其中，其中Wnt/β-catenin信号通路对于AD、PD等CNS疾病的作用也逐渐引起人们的关注。

3.1 AD AD是一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病，临床上以记忆障碍、失语、视空间技能损害、执行功能障碍以及人格和行为改变等全面性痴呆表现为特征。AD的特征性的病理改变是神经细胞中出现β淀粉样蛋白积累，随后引起神经细胞正常的生理功能被打乱，最后导致神经细胞死亡从而出现上述临床症状。He等[21]将AD患者脑组织中病变的NSCs进行体外培养，通过检测病变细胞内分子活性来寻找病因。结果显示，病变的NSCs中GSK-3β活性明显升高，因此导致降解复合体与β-catenin的结合能力上升，大量β-catenin被GSK-3β所磷酸化后降解，最终β-catenin浓度降低。将正常的NSCs暴露于β淀粉蛋白，这些正常的NSCs会发生AD样改变。Jin等[22]通过硒酸钠激活Wnt/β-catenin信号通路，发现NSCs的凋亡率显著降低，并能改善其增殖分化的能力。因此，AD的发生与发展可能与Wnt/β-catenin信号通路异常存在联系，改善Wnt/β-catenin信号通路可为治疗AD提供新的思路。

3.2 PD PD是人类最常见的神经退行性疾病，临床上以静止性震颤、运动迟缓、肌紧张和姿势步态障碍为特征。L′Episcopo等[23]将1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶(MPTP)注入小鼠纹状体中制成PD动物模型，随后对病变细胞内的信号分子进行检测，发现病变神经细胞内的Wnt-1分子浓度与活性明显降低；而当在病变的神经细胞内过表达Wnt-1分子或者激活Wnt/β-catenin信号通路，MPTP诱导的多巴胺能神经递质的神经毒性会被抑制，其PD症状也得到改善。除此之外，在Liu等[24]和Patit Paitel等[25]的研究中，前者通过敲除α7-nAChR基因消除尼古丁介导对Wnt/β-catenin信号通路传导的激活作用，后者通过抑制Wnt/β-catenin信号通路中的GSK-3β活性，从而提高细胞内游离的β-catenin分子浓度，也可改善MPTP诱导的PD模型小鼠的症状。以上研究表明，Wnt/β-catenin信号通路可能参与了PD发生的病理生理过程，GSK-3β和β-catenin等信号分子也可能成为治疗PD的关键靶向分子。

3.3 肌萎缩侧索硬化症(ALS) ALS是一种由于运动神经元的死亡及其周围的胶质细胞异常而引发的一种CNS变性性疾病，临床上以肌肉萎缩无力、痉挛强直、语言障碍、吞咽无力和致命性的呼吸衰竭为特点。通常认为，发生了SOD1基因突变的星形胶质细胞所分泌的前列腺素E2(PGE2)等炎性介质对于运动神经元具有毒性作用，而利用PGE2受体抑制剂可以使其得到改善[26]。Lecarpentier等[27]发现，ALS的病理变化与Wnt/β-catenin信号通路有密切联系。Chen等[28]通过对ALS转基因鼠脊髓的研究发现，在神经退行性病变的刺激下，Wnt/β-catenin信号通路中的Wnt2、Wnt3a、Fzd6以及β-catenin、cyclin D1的浓度都显著升高，同时星形胶质细胞的数量也增多。通过免疫组化方法发现，β-catenin在发病后期聚集到细胞核中，刺激cyclinD1表达，后者可以促进增殖的细胞大部分向胶质细胞方向分化，提示Wnt/β-catenin信号异常与病变小鼠脊髓的胶质细胞增殖有关。然而该信号通路的异常与胶质细胞的异常增生和疾病发生发展之间的直接关系仍有待深入研究。

4 展望

神经系统损伤和变性性疾病仍然是威胁人类健康的重要因素。虽然NSCs的发现为CNS损伤的治疗带来了新的曙光，但是仍有很多因素制约着NSCs的临床应用。作为机体内重要的信号通路，Wnt/β-catenin信号通路对NSCs增殖分化等过程发挥重要的调控作用，可能成为基于NSCs治疗CNS疾病的关键突破点。然而目前我们仍有以下问题急需进一步解决：神经损伤后及神经变性性疾病中Wnt信号活化的分子机制；Wnt信号对NSCs向神经元方向分化调节的亚群特异性；不同Wnt配体和FZ受体在NSCs及神经系统疾病中作用的特异性；Wnt蛋白的功能性纯化等。虽然困难重重，但我们相信，在不久的将来，这些难关会被逐一攻克。