Sonic Hedgehog信号通路及其在脊髓损伤后表达的研究进展*

★ 颜浪辉 鄢来军 唐焕章（.福建中医药大学 福州 35022；2.联勤保障部队第九〇〇医院 福州 350025）

脊髓损伤（spine cord injury，SCI）作为一种高致残率的损伤性疾病，是临床上比较常见的创伤性疾病，致伤原因多见于跌倒、高处坠落和交通事故等［1］。研究显示：美国的 SCI发病率为（27～83）/100万，澳大利亚的SCI发病率为（21～32.3）/100万。在我国，通过统计天津市2004年1月—2008年12月869例SCI患者，得出年发病率为23.7/100万［2-4］。SCI患者不仅身体和心理都受到严重伤害，而且对于其家庭也会造成巨大的经济负担。郝定均等［5］报道西安SCI的平均住院费用为37 850元。Krueger等［6］调查到加拿大花费在与脊髓损伤相关的财政支出巨大，每年高达26.7亿加元。因此，如何有效的治疗SCI是一个亟需解决的问题。近些年来有研究表明，Sonic Hedgehog（Shh）信号通路在神经系统损伤后扮演重要的角色，可起到促进神经再生、抗氧化、抗炎等作用［7-8］。现将Shh信号通路及其在脊髓损伤后表达的研究进展综述如下。

1 Shh信号通路介绍

1980年，Nusslein-Volhard和Wieschaus等在果蝇上发现了一种影响发育的基因，当这种基因缺失或突变时，将会使果蝇胚胎发育成毛团状，形似刺猬（hedgehog），便命名为 Hedgehog基因［9］。果蝇等无脊椎低等动物目前都只发现有单个Hedgehog基因，而在高等动物中发现有多个Hedgehog基因，就比如哺乳动物中发现至少有三个Hedgehog同源基因，分别为Sonic HH（SHH），Desert HH（DHH）和Indian HH（IHH），分别编码三种相对应的蛋白：SHH，DHH和IHH，称为配体。在这三种配体中，研究的最多的是Shh配体，这也是研究的最为广泛的，其在哺乳动物多器官的发育中扮演着重要的调节作用，就比如神经干形成、干细胞分化增殖等［10］。

Shh信号通路主要是由Shh配体、Patched（Ptch）、Smoothened（Smo）、Gli及下游的一些靶基因等组成。Shh配体可由多器官的分泌细胞产生，是一种胞外配体。Shh在许多动物中都存在且高度保守，其中，人与鼠的同源性高达92%。Shh配体蛋白是由Shh基因编码的一种高度保守的分泌性糖蛋白，其相对分子量约为45kDa，具有自身催化加工的能力，使自身催化分裂成为相对分子质量19kDa的Shh-N和26kDa的Shh-C两条分泌多肽［11］。现在的研究检测发现具有完整结构的Shh蛋白无活性，但是当Shh蛋白完整结构被破环，分解为Shh-N链时，研究发现其具有生物活性［12］。其中Shh-N负责通路信号传递，Shh-C通过自我剪切将胆固醇基团加入Shh-N 的C端，使得Shh-N的N端借助酰基转移酶半胱氨酸棕榈酰化，进而成为有活性的可在该信号通路中发挥作用的Shh蛋白，发挥其信号传导的能力。由抑癌基因编码的膜蛋白Ptch，是一种12次跨膜蛋白。研究发现其具有：一个是结合Shh配体，另一个是抑制Smo活性，对Shh信号通路起到负调控的作用。人类的Ptch基因具有Ptch1和Ptch2两种同源基因，其中Ptch1基因编码的Ptch1蛋白是Hh蛋白的主要受体。当Shh配体存在时，Ptch1将会与Shh配体结合，其将不会再发挥抑制Smo活性的作用。膜蛋白Smo是一种7次跨膜蛋白，横跨于细胞膜的两侧，由原癌基因编码，其分子量约为115kDa，是G蛋白偶联受体家族中的一员，也是Shh信号通路中的关键因素。当膜蛋白Ptch与Shh配体结合后，Smo激活，进而激活细胞内的转录因子Gli。有研究表明：当具有完整结构的Shh配体蛋白未被破环分解形成具有活性的Shh-N链时，膜蛋白Ptch将会发挥其抑制Smo活性的作用，与Smo结合并抑制Smo活性；而当被分解成为具有活性的Shh-N链后，膜蛋白Ptch将会发挥其结合Shh配体的作用，与具有活性的Shh-N链结合，使Smo脱离Ptch，不再被Ptch抑制活性，游离的被激活的Smo又可通过调节细胞内的环磷酸腺苷水平来激活其下游的锌指转录因子Gli，被激活的Gli进入核内，将会发挥激活或者抑制作用，进而作用于不同的靶基因［13］。人类的下游转录因子Gli基因具有三种同源基因，分别为Gliomaass- ociated oncogene homolog（Gli1）、GLI－ Kruppel family member 2（Gli2）、GLIKruppel family member 3（Gli3），Gli1、Gli2主要起转录激活作用，Gli3起转录抑制作用［14］，以上三种转录因子的DNA结合区均发现高度保守。其中Gli1扮演了关键角色，它是一种转录活性很高的激活因子，当其活化后，就可激活Hh信号通路，所以其常常作为该信号通路激活的标志［15］。总之，当机体处在平常情况未受刺激时，Ptch发挥其功能，抑制Smo活性，Shh信号通路处于未激活状态。但是当机体遭受相应刺激或某些突变时，Shh配体就会与膜蛋白Ptch结合，解除对另一种膜蛋白Smo活性的抑制，激活其下游信号通路中的Gli蛋白，进而激活细胞核中的靶基因的转录使细胞在刺激或突变后发生增殖、分化、迁移等现象［16-18］。

2 Shh信号通路与脊髓损伤

Shh信号通路目前在胚胎发育、肿瘤以及脑损伤中的研究相对来说比较多，但是在脊髓及其损伤性疾病中研究较少。研究表明［19-21］：当脑组织发生损伤后，通过上调或者促进Shh信号通路的表达，可对脑组织具有修复和保护作用。而脊髓作为中枢神经系统中的一部分，Shh信号通路是否具有同样的作用？是否通过促进Shh信号通路的表达可使脊髓功能得到修复和保护？

2.1 Shh信号通路与脊髓发育 研究表明［22-23］：Shh作为一种形成素，在脊髓形态发育过程中发挥着极其重要的作用，在早期脊椎动物胚胎发育过程中检测到Shh在中线组织中表达，比如脊髓结节、脊索和底板等，控制着胚胎发育过程中脊髓左右以及背腹轴的建立。在神经管发育过程中，脊索处的Shh诱导了腹侧底板处Shh的表达，并缓慢的向脊髓背侧扩散，使腹侧的Shh浓度高于背侧浓度，不同的Shh浓度将会发挥不同的作用，这种不同浓度的Shh将会使神经元前体细胞和神经胶质前体细胞诱导分化为神经元或神经胶质细胞［24-25］。脊髓作为一种传递信息的途径，可传递大脑与周围组织之间的信息，其发挥功能主要是依靠中上行纤维束传递外周组织收集到的信息至大脑，依靠下行纤维束传递大脑发出的运动信息至外周。而这些纤维束要想能发挥其正常功能，必然要具有极其精确的空间位置，这肯定需要众多分子调控才能确保这些纤维束形成以及前行的方向在其正常位置，以确保其传递的信息准确无误［26］。在这之中，Shh扮演了极其重要的作用。研究显示Shh是一种重要的轴突导向分子的化学引诱物，可以使位于脊髓翼板背部发育中的联合神经元轴突受底板高浓度Shh诱导投射到达底板［27］。当轴突到达底板后，轴突表面将会产生一种受体Hip，其会与Shh信号分子产生排斥作用，进而使联合神经元轴突离开底板，然后通过Shh的排斥作用和Wnt的吸引作用使联合神经元轴突形成正确的轴突投射，最终被分选到脊髓内不同的纤维束，精确投射到后脑、小脑和中脑等部位［28］。且当利用特异性抗体使Shh不能发挥正常功能时，将会使神经元轴突导向紊乱，进而出现一系列异常情况，就比如底板滞留、随机向前-后方向投射以及过度投射等［29］。总之，Shh是脊髓发育过程中的一种非常重要的诱导分子，其不仅可以调控神经前体细胞的分化，控制脊髓背腹轴的形成，而且作为一种具有双重功能的轴突导向分子，可以使脊髓中正在发育中的联合神经元轴突向正确的方向投射，使不同部位的神经元间建立正确的连接。此外，在神经系统的发育中，Shh信号通路可以诱导整个中枢神经系统形成正确的背腹两侧分区，当这一信号通路受到异常破坏时，将导致整个中枢神经系统背腹侧表型神经元功能与方位的完全丧失［30］。

2.2 Shh信号通路与脊髓损伤 近些年来，有大量研究表明Shh信号通路与脊髓损伤密切相关，Shh信号通路也得到了越来越多的重视。Reimer等［31］在成年斑马鱼的脊髓实验中发现损伤后的成年斑马鱼脊髓中Shh表达相对于未损伤的成年斑马鱼高，且在使用Shh信号通路的特异性抑制剂环巴胺（cyclopamine，Cyc）后，可显著降低脊髓增生以及神经元再生，这表明成年斑马鱼具有在病变后重新发生运动神经元产生的能力，而这种能力与脊柱损伤后shh信号表达有关，可促使运动神经元再生。崔兆辉［32］在进行大鼠急性损伤实验中发现正常组的大鼠脊髓组织中检测到SHH信号通路成分表达较低，而在大鼠脊髓损伤组中，检测到该信号通路中的Shh和Gli-1蛋白表达量明显增多，提示Shh信号通路可能参与到脊髓损伤后神经的修复。樊洪等［33］在采用Shh/Gli1信号报告基因及Gli1基因敲除小鼠进行脊髓夹伤实验时发现其之后运动功能显著差于野生型小鼠，表明Shh/Gli1信号在进行小鼠脊髓夹伤实验后被激活表达，可能使脊髓损伤后血-脊髓屏障渗透性发生了改变，并最终影响了小鼠脊髓损伤后肢体运动功能的恢复。Zhang等［34］在急性脊髓损伤实验中通过沉默PTC1和PTC2基因后发现可以激活Hh信号传导途径，且Hh信号通路中Shh、Smo、Gli1等蛋白表达越高，炎症越少，脊髓空腔也不明显，甚至在某些区域可见明显的神经再生。崔学文等［35］在进行脊髓完全横断型大鼠实验时发现，使用了载有SHH的纤维蛋白胶的大鼠相对于未使用的横断端有一些神经元存活且排列规则，许多神经纤维未完全溃变，表明SHH作为一种信号分子在大鼠脊髓完全横断损伤修复中起着极其重要的作用，可加速使脊髓损伤得到修复。有研究发现在脊髓损伤后，Shh还可与Notch-1一起发挥作用，共同调控突触蛋白-Ⅰ（synapsin-Ⅰ），使得脊髓损伤后的突触重塑和神经再生速度加快，进而改善受损脊髓的功能［36］。由此可见，在脊髓损伤后，促进Shh信号通路的高表达将会使脊髓功能的到修复，也是今后治疗脊髓损伤的一个新靶标。

3 中医药与Shh信号通路

目前尚未检索到相关文献阐释祖国医学与Shh信号通路在脊髓损伤的作用，但已有大量研究表明中医药可通过Shh信号通路改善脑组织损伤性疾病。李亚翔［37］在使用龟羚帕安丸联合神经干细胞移植治疗帕金森病（PD）模型大鼠时，可使Shh表达增高，有效减轻PD大鼠模型的症状。范娅丹［38］在实验中发现灯盏乙素与芍药苷配伍可激活Shh信号通路，使大鼠局灶性脑缺血损伤得到治疗，保护脑缺血损伤。此外，研究表明：中医药在脊髓损伤中起着重要的作用，能够有效改善脊髓损伤后的微循环，加快受损区域的神经元及神经纤维修复，保护损伤后的受损细胞等，进而加快了SCI的恢复，且相应的并发症也比较少［39］。由此可见，中医药与Shh信号通路关系密切，但其具体在脊髓损伤中所起到的作用有待进一步研究。

4 问题与展望

目前，已有研究表明Shh作为一种信息素在脊髓发育过程中扮演着重要的角色，但是关于Shh信号通路与脊髓损伤的相关性的研究相对来说比较少，是一个比较新颖的实验课题，也存在着不少的问题。例如，现在对于脊髓损伤的机制阐述的也比较多，目前比较认可的参与机制有血管机制、自由基学说、电解质失衡、炎症以及细胞凋亡等。但是现有的关于Shh信号通路与脊髓损伤的研究大多是停留在促进Shh信号通路表达会使脊髓损伤的到修复或保护的层面，很少深入到其具体是通过何种机制使脊髓损伤后的脊髓得到修复或保护，这需要今后的大量实验来阐明，这也是本课题组将要研究的方向。不过，值得庆幸的是，现在对于这方面的研究在逐渐增多。未来，我相信随着对Shh信号通路与脊髓损伤的具体机制的阐明，将会为临床上治疗脊髓损伤提供一条新的思路，一条开发新药的可行途径，这对于脊髓损伤的患者和社会来说都将是是不小的福音。