基于Wnt/β-catenin信号通路的髓鞘发育及再生研究进展

孙 莹 梁晓春 宋 玮

髓鞘作为有髓神经的基本结构，使神经外部的复杂环境与神经内部的轴突隔离、绝缘开来，从而保证神经冲动的快速、跳跃式传导，同时也对神经元轴突起到营养、支持等作用，对于维持有髓神经纤维的正常功能、促进神经再生具有重要意义。髓鞘发育不全或髓鞘脱失会直接导致神经结构损伤和功能失常，髓鞘的完整性保证了神经在损伤后的修复和再生[1]。Wnt/β-catenin信号通路又称经典Wnt信号通路，细胞的增殖、分化、凋亡和迁移等都受到Wnt/β-catenin信号通路的影响，涉及到胚胎发育、组织稳态、肿瘤形成等多种生物学过程[2,3]。越来越多的研究表明，Wnt/β-catenin信号通路也是神经髓鞘发育及再生过程中的关键调控环节。因此，本文综述了近年来关于该信号通路在髓鞘发育和再生中的作用的研究进展。

一、Wnt/β-catenin信号通路概况

Wnt信号通路家族作为一个极为复杂的信号网络，是控制细胞命运的基础通路，对于维持组织发育的内稳态具有重要作用。Nusslein-Volhard等[2]早在1980年便发现int-1基因片段出现在果蝇的突变基因中，Nusse等[3]又在1991年把wingless和int合并称为Wnt，也就是目前Wnt细胞外配体的统称。至今，共有4条Wnt通路被发现，其中研究最为广泛的Wnt/β-catenin 信号通路也被成为经典Wnt通路。Wnt/β-catenin信号通路存在抑制(off)和激活(on)两种状态。在缺少Wnt配体时，Wnt/β-catenin通路处于抑制状态。此时，β-连环蛋白(β-catenin)和细胞表面的E-钙黏蛋白发生反应，形成稳定复合物并黏着细胞。APC、axin2、GSK-3β等蛋白则与进入细胞内部的β-catenin形成复合物，β-catenin继而通过泛素化和磷酸化后被降解。在细胞核内，转录因子TCF的抑制蛋白与TCF呈结合状态，从而抑制目标基因的转录和表达。而当源于旁分泌的Wnt配体与细胞表面的Frizzled受体特异性地结合后，相邻的LRP5/6家族蛋白亦会被激活，Wnt/β-catenin信号通路进入激活状态。一旦Wnt/β-catenin通路被激活，细胞内游离的β-catenin含量上升并在细胞核内积累，与TCF/LEF家族转录因子形成复合物以激活Wnt靶基因的转录[3]。虽然Wnt信号通路是一个进化相对保守的信号途径，但2019年一项研究发现，在经典Wnt信号途径中一部分β-catenin能够不依赖TCF/LEF转录因子而发挥转录活性，调控靶基因表达[4]。

二、Wnt/β-catenin信号通路在中枢神经髓鞘发育及再生中的作用

少突胶质细胞(oligodendrocyte)是形成中枢神经系统髓鞘的主要来源，经少突胶质细胞祖细胞、少突胶质细胞前体细胞等阶段发育成熟，排列于有髓神经纤维之间[5]。研究发现，Wnt信号通路(尤其是Wnt/β-catenin信号通路)是中枢神经髓鞘中细胞增殖、分化、成熟等关键环节的重要通路[6,7]。但是，对于Wnt/β-catenin通路的激活究竟是抑制还是促进了中枢神经髓鞘的发育和再生，不同研究得到的主要结论不尽相同，以下分别进行阐述。

1.抑制作用：2009年，Fancy等[8]在少突胶质细胞系和多发硬化小鼠中均发现，β-catenin的核膜受体TCF4/TCF7L2的表达量升高时，少突胶质前体细胞的分化减少，从而推测Wnt/β-catenin通路的激活会抑制髓鞘的发育。进而该研究团队分别在新生小鼠和成年脱髓鞘小鼠的中枢神经系统中，通过促进β-catenin的磷酸化降解从而抑制Wnt/β-catenin通路，结果发现少突胶质前体细胞的分化能力显著增强。对于β-catenin高表达的转基因小鼠，其中枢神经的轴索直径显著小于正常组小鼠，上述结果均表明该通路的激活抑制了中枢神经髓鞘的发育和再生[9]。随后，Feigenson等[10]和Lee等[11]先后通过体外实验发现，当加入Wnt/β-catenin信号通路配体Wnt3a的激动剂后，少突胶质前体细胞分化的GalC+及碱性髓鞘蛋白的含量均明显减少；而抑制Wnt/β-catenin信号通路，则可促进少突胶质前体细胞的分化，从而促进中枢神经髓鞘的再生。Preisner等[12]也通过体外研究中发现，当少突胶质细胞及其前体细胞中的GSK-3β表达受到抑制后，24h内该细胞的增殖和分化明显增多，但是实验进行48h后，对照组和实验组的数据基本持平。Yuen等[13]的研究也得出了一致的结论，即Wnt/β-catenin 信号通路的激活对少突胶质前体细胞的分化和成熟具有抑制作用。

2.促进作用：后续更多研究与以上几项研究得到的结论相反，认为Wnt/β-catenin信号通路被激活反而能够促进少突胶质细胞的增殖、分化。例如，Lie等[14]发表在《Nature》上的一项研究认为，Wnt/β-catenin信号通路在成年哺乳动物中枢神经系统中海马神经元(adult hippocampal stem/progenitor cells, AHPs)的生成过程中发挥重要的调控作用。该团队通过体内实验验证了Wnt3蛋白的过表达会激活Wnt/β-catenin信号通路，继而促进AHPs的神经再生；破坏Wnt/β-catenin通路的信号转导则几乎彻底阻断了AHPs的再生。在体外模型中，破坏该通路的信号转导亦会显著降低AHPs的生成。此外，Ortega等[15]通过连续实时成像和单细胞追踪等技术发现，在成年大鼠的中枢神经系统中，少突胶质前体细胞及处于早期的少突胶质细胞的增殖会随着Wnt/β-catenin信号通路的激活而增强。随后的体外实验也进一步验证了这一结果，向少突胶质细胞系中添加Wnt1和Wnt3a配体以激活该通路后，少突胶质前体细胞和早期少突胶质细胞的数目显著增加，细胞增殖能力增强；反之，抑制β-catenin的表达以抑制Wnt/β-catenin通路后，细胞增殖速率降低。

3.时间及空间特异性：也有一些研究对上述不同的结论进行了进一步阐释，认为Wnt/β-catenin通路的激活对于中枢神经髓鞘发育再生的促进作用，或与细胞所在的特定生命周期相关。例如，Hammond等[16]研究发现，少突胶质细胞中β-catenin的核膜受体基因TCF2L7在细胞的有丝分裂后期会出现瞬时上调表达。该团队也进一步采用TCF2L7基因敲除小鼠验证了TCF2L7正向作用于Wnt/β-catnin信号通路，促进少突胶质细胞增殖和分化，从而促进新生小鼠的髓鞘生成。但该研究认为，TCF2L7基因的作用主要是通过促进少突胶质细胞的分化而促进髓鞘生成；而在少突胶质前体细胞中，TCF2L7并没有起到正向调节作用，即该基因的作用与细胞所处生命周期密切相关。不过，Hammond等[16]同时发现，敲除APC基因继而使TCF2L7基因的表达量下降后，Axin2、β-catenin等来自该信号通路家族的其他蛋白表达出现上调。因此，该研究提出TCF2L7的表达水平并不能作为髓鞘再生和发育的判断依据，从而解释了Fancy团队所得的相反结论[8,9]。此外，Fu等[17]在病毒诱导的人脑神经脱髓鞘组织中发现了TCF2L7表达上调的现象，表明Wnt/β-catenin通路被激活。但该研究认为这一现象并不能证明该通路激活与脑组织脱髓鞘的因果关系。因为进一步研究发现，只有在髓鞘脱失部位，TCF2L7才呈现出高表达，而这些脱失部位的髓鞘再生活跃，这也可能是TCF2L7上调、Wnt/β-catenin通路激活所带来的结果[18]。

三、Wnt/β-catenin信号通路在外周神经系统髓鞘发育及再生中的作用

施万细胞(Schwann′s cell)是外周神经系统中有髓神经髓鞘的主要来源，可表达分泌具有调节生长能力的髓磷脂蛋白，其中最为常见的包括外周髓鞘蛋白0(myelin protein zero，MPZ)和外周髓鞘蛋白22(peripheral myelin protein 22，PMP22)。Garbay等[19]的研究表明，啮噬动物出生后的21天内，MPZ和PMP22呈高表达；21天后，随着髓鞘的发育基本结束，这两种蛋白随之转为低表达。而一旦外周神经发生损伤、髓鞘发生脱失时，施万细胞开始进行增殖，随后进行分化，不断对轴突进行包围，最终可以得到新髓鞘[6]。此时MPZ及PMP22的蛋白表达量又呈上升趋势。因此这两种蛋白常作为评价周围神经生长及修复情况的标志性蛋白。

目前多数研究认为，Wnt/β-catenin信号通路的激活是促进周围神经生长发育的重要因素之一。Tawk等[20]研究认为Wnt/β-catenin通路的激活在外周有髓神经的髓鞘发育过程中也起到了重要的促进作用。首先，该团队发现Wnt通路相关基因在小鼠原代施万细胞中和在施万细胞系中的表达量与MPZ和PMP22表达量呈正相关。其次，在新生小鼠的坐骨神经组织中也观察到了类似现象：神经发育的初期，与β-catenin结合的T细胞因子(T-cell factor，TCF)的不同亚型TCF1、TCF3、TCF4等都在小鼠出生第6天时表达量升高，出生后20天达到峰值，而此过程中MPZ及PMP22的表达也相应升高。最后，在小鼠施万细胞系中，β-catenin基因的激活可使PMP22的表达量增加5倍之多；而该基因被敲除后，PMP22的表达量仅为此前的20%。另外，Shackleford等[21]研究发现，羟化胆固醇可以通过抑制Wnt/β-catenin信号通路而影响施万细胞的增殖和分化，从而抑制周围神经髓鞘的再生。上述研究均表明，Wnt/β-catenin信号通路的激活可以促进外周神经系统有髓神经的髓鞘发育。

四、展 望

在髓鞘发育和再生领域，Wnt/β-catenin信号通路的重要作用备受关注。然而，对于该通路的激活究竟如何影响髓鞘的发育和再生过程，特别是对于中枢神经系统，现有研究结果并不完全统一。但实际上，髓鞘组织不仅需要在胚胎发育阶段发展成形，在成体阶段还需要有效地维持组织稳态平衡，处于动态循环之中。综合研究现状，笔者认为，未来的相关研究可重点从以下两方面进行考量。

首先，现有研究表明，β-catenin及其受体的表达量在不同周期的施万细胞中以及在不同状态下(正常/髓鞘脱失)的神经组织中具有显著差异。这些结果说明，Wnt/β-catenin信号通路在髓鞘发育或再生中的具体调控作用，可能会根据细胞或生命体的不同周期或不同状态而有所不同。如前所述，外周神经系统的髓鞘生成过程及髓鞘受到损伤后的修复过程中，Wnt/β-catenin信号通路被激活，其他情况下则处于抑制状态。而在中枢神经系统中，Wnt/β-catenin通路中关键蛋白在髓鞘发育的不同阶段中的动态变化规律，目前尚未见全面报道。尽管以往一些报道认为中枢神经系统中髓鞘的生成会被Wnt/β-catenin信号通路的激活而抑制，但这一结论主要是基于新生髓鞘和新生动物模型得出的。而另外一部分研究者认为该通路的激活促进了髓鞘再生，这一结论则大多是基于成年动物模型得出的。因此Wnt/β-catenin通路的作用及髓鞘生长机制在动物的不同生长阶段也可能存在差异，有待于深入研究。

其次，尽管多种模式生物的研究均证实了Wnt通路对组织器官发育和再生的重要调控作用，但Wnt信号通路及其复杂，Wnt/β-catenin只是Wnt信号通路的一部分，非经典Wnt通路的调控涉及多个复杂的细胞系统迁移。除Wnt/β-catenin通路外，Wnt家族的其他通路也可能对轴突、树突、突触的生长发育过程进行调控。例如，目前已鉴定的Wnt配体有近20种，与β-catenin结合的TCFT受体也有不同表型，Wnt通路家族中不同成员对髓鞘发育的作用可能不同，且相互之间具有一定影响。TCF2L7只是β-catenin与TCF结合的一个亚型，β-catenin除与TCF2L7结合抑制少突胶质细胞分化外，还可能与TCF的其他亚型结合，进而影响少突胶质细胞的生长分化。目前无论是中枢神经系统还是周围神经系统中髓鞘发育和再生的研究，大多仅涉及了部分Wnt配体和TCF中的个别亚型。未来研究可借助转录组学、蛋白质组学等高通量技术手段，从纵向(髓鞘的不同发育阶段)和横向(不同状态下的髓鞘组织)两个维度开展研究，更为全面地评估Wnt/β-catenin通路及Wnt家族的其他通路对中枢神经及外周神经中髓鞘发育和再生过程的调控机制。