Wnt信号通路调控衰老相关疾病的研究进展*

樊廷俊，郑明月，徐 彬

(中国海洋大学海洋生命学院，山东 青岛 266100)

人口老龄化已成为世界各国日益突出的社会问题。据文献报道，截止到20世纪末，全球65岁以上人口从约7%上升到20%以上，80岁及以上人口有1.25亿[1]。老龄化带来的相关疾病也呈指数增长，如2型糖尿病、神经退行性疾病、心血管疾病和癌症等[2-5]。

老龄化导致的疾病为个人和社会带来了巨大的经济负担。统计数据显示，一个人年满45岁后所花费的医疗费用占其一生总医疗费用80%以上[6]。因此，研究老龄化的干预措施变得越来越重要。在过去的几十年里，衰老领域的研究取得了重大进展，包括建立了各种衰老研究模型，以及衰老机制及寿命延长研究等方面。继mTOR信号通路后[7]，研究发现Wnt信号通路在衰老过程中发挥关键的调控作用[8]。因此，本文就常见的衰老模型以及Wnt信号通路在衰老相关疾病中的作用方面的研究进展进行综述。

1 衰老

衰老表现为机体生理完整性的逐渐丧失，导致机体功能受损并更易死亡。衰老细胞的形态扁平且扩大，并出现多种分子标志物，包括端粒功能异常诱导的聚集(Telomere-dysfunction-induced foci，TIF)、衰老相关的异染色质聚集(Senescence-associated heterochromatin foci，SAHF)、脂褐素颗粒、DNA疤痕和基因表达改变等[9]。衰老细胞的另一个重要特征是释放衰老相关分泌表型(Senescence-associated secretory phenotype，SASP)因子[10]。此外，衰老细胞还表现出特殊的生化特性，例如，增殖性Ki-67蛋白表达缺失、较高的衰老相关β-半乳糖苷酶活性(SA-β-gal)以及肿瘤抑制因子和细胞周期抑制剂表达升高[11]。细胞核及线粒体DNA损伤会加速细胞衰老，虽然细胞内存在修复机制，但是修复机制一旦失效，受损的DNA则会积累，阻碍细胞功能并导致其衰老。衰老有很多诱因，如端粒缩短、有毒物质或癌基因等，会导致SAHF的形成，其标志性蛋白包括异染色质形成蛋白(例如，异染色质蛋白1)、组蛋白H3K9Me2/3和组蛋白H2A变异体中的macroH2A[12]。

2 常见衰老模型

衰老是许多人类疾病的最大危险因素，了解衰老过程可能会促进衰老相关疾病新疗法的开发和发展[13]。虽然体外培养细胞能够提供有价值的信息，但是无法完全模拟体内的生物学过程。因此，建立衰老模型研究相关疾病能更加深入和全面地研究衰老。常见的衰老模型主要包括以下几类：

2.1 酵母模型

酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)是一种生物医学研究领域中常用的衰老模型[14]。酵母细胞参与神经退行性过程的基本代谢途径是比较保守的，因此常用于此类疾病的研究，包括肌萎缩、帕金森综合症和亨廷顿病[14]。

2.2 无脊椎动物模型

秀丽隐杆线虫(Caenorhabditiselegans)是一种适用于研究衰老的临床前实验模型，主要是因为其体型小，寿命较短(约20天)，全基因组已知，且与人类基因的相似度超过65%，适用于探索衰老及神经退行性疾病，例如阿尔兹海默症、帕金森综合症等的可能机制[15]。有研究者发现脂质在亚细胞和组织解剖位置的分布会影响衰老的速率。此外，线虫衰老过程中的脂肪再分配和异位积聚可能会造成脂肪毒性进而导致衰老相关组织功能下降[16]。这表明肥胖能够加速衰老进程。

无论是理论研究还是应用研究，果蝇(Drosophilamelanogaster)都是一种比较理想的抗衰老药物评价模型[17]。鉴于蛋白功能的高度保守性和果蝇的生命周期长度，果蝇也被广泛应用于衰老分子机理的研究，尤其是代谢与衰老之间的关系，例如，有研究发现胰岛素/IGF-1样信号通路在衰老中起到重要作用[18]。此外，果蝇还被应用于许多神经系统疾病的病理机制研究，尤其是阿尔兹海默症[19]。

近年来，也有研究者将不同种类的海胆作为衰老模型用于研究延长寿命和可忽略衰老(Negligible senescence)，发现可忽略衰老过程常伴有细胞氧化损伤的积累，维持正常抗氧化能力及蛋白酶活性能够延缓衰老[20]。

2.3 脊椎动物模型

水生脊椎动物是研究人类疾病的理想模型。2017年，第八届人类疾病的水生动物模型大会重点介绍了包括斑马鱼、假鳃鳉、青鳉等多种研究模型。主要涉及13种人类相关疾病，包括癌症、心血管疾病、代谢紊乱、神经疾病、衰老等[21]。其中，斑马鱼(Daniorerio)自1870年代以来作为经典模型用于发育生物学相关领域的研究,是研究机体衰老的理想动物模型，其衰老过程与人类相似，衰老的生理变化包括肌肉萎缩导致脊椎弯曲，眼睛出现白内障及视觉障碍[22]。此外，斑马鱼具有非常强的再生能力，多用于组织修复和延缓衰老的机理研究[23]。鳉鱼(Nothobranchiusfurzeri)是寿命最短的脊椎动物[24]，其衰老过程表现出多种哺乳动物衰老特征，是一种比较廉价且理想的衰老干预模型[24-25]，可用于高通量筛选抗衰老药物[26]。鳉鱼不仅可以作为快速探索衰老及相关疾病的平台，而且能够用作发育机理研究，例如胚胎停止发育、早期性染色体进化等[25]。

鸟类作为一种独特的衰老模型，多用于代谢和衰老相互作用的跨物种比较研究。例如，日本鹌鹑(Coturnixjaponica)是一种常见的实验室饲养鸟类，寿命最长为6 a，它对卡路里限制反应类似于哺乳动物，因此多用于哺乳动物衰老代谢相关研究[27]。

啮齿类动物中，实验用小鼠(Musmusculus)和大鼠(Rattusnorvegicus)是研究衰老和年龄相关疾病的常见模型。小鼠模型多用于诱发型和自发型衰老模型[28]，是应用最广泛且最成熟的衰老模型。大鼠模型则被广泛应用于衰老诱发的多种疾病的研究，包括心血管疾病、神经紊乱、行为神经、癌症易感性和肾脏疾病以及行为认知等[29]。裸鼹鼠(Heterocephalusglaber)是迄今为止发现的寿命最长的啮齿类动物，最长寿命达30 a，通常被用于衰老相关行为、神经和生理方面的研究[30]。

驯化物种例如犬和猫也是一种独特的衰老模型。其中，犬的寿命多为10～12 a，会自发地发展出许多衰老有关的表型，如肌肉和神经功能的衰退，以及心血管疾病[31]，因此，犬多被用于认知恶化和年龄相关神经退行性疾病的研究[32]。家猫寿命为12～14 a，正常生长过程中易发展衰老相关疾病，包括肾脏疾病、关节炎、肌少症和神经功能衰退等，因此也常被用做衰老模型[33-34]。

从理论上讲，非人类灵长类动物是研究衰老和年龄相关疾病最合适的模型，其中恒河猴(Macacamulatta)一直是研究衰老的主要模型，因为其与人类在遗传学、内分泌学、生理学、神经解剖学和认知功能等方面极为相近[35]。另外一种应用广泛的非人类灵长类衰老模型是狨猴(Callithrixjacchus)，它寿命短且体型较小，并且表现出一些与人类相似的衰老相关疾病，例如神经系统疾病、癌症和糖尿病等[36]。此外，灰鼠狐猴(Microcebusmurinus)常用做饮食限制衰老模型，常用于长期的饮食限制及抗衰老药物的筛选研究[37]。

3 Wnt信号通路

Wnt蛋白家族包括以下成员Wnt1、Wnt2、Wnt2B、Wnt3、Wnt3A、Wnt4、Wnt5A、Wnt5B、Wnt6、Wnt7A、Wnt7B、Wnt8A、Wnt8B、Wnt9A、Wnt9B、Wnt10A、Wnt10B、Wnt11和Wnt16[38]。Wnt信号分子借助7次跨膜受体蛋白Frizzled家族蛋白和单次跨膜的辅助受体LRP5/6或ROR1/2共同作用，进而激活下游的经典或非经典Wnt信号通路[39]。

经典Wnt信号通路是Wnt通过与Frizzled和LRP5/6受体作用，进而导致胞质破坏复合体[复合体包括糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK3β)、Axin和APC]解聚，抑制GSK3β对β-catenin的磷酸化降解，使β-catenin处于稳定状态，并由胞质进入细胞核，促进β-catenin依赖的受体T细胞因子/淋巴细胞增强-结合因子(TCF/LEF)下游靶基因的转录(Wnt/β-catenin信号通路)[40]；同时抑制β-catenin非依赖的FOXM1、NRF2、YAP和其他蛋白质的表达(Wnt/稳定蛋白信号通路)[41]。相反地，非经典Wnt信号通路是通过Frizzled或ROR受体激活Dishevelled依赖的Rho-ROCK和Rac-JNK级联反应(Wnt/PCP信号通路)[42]；G蛋白依赖的钙通道蛋白-NFAT、CAMK2-NLK和PKC级联反应(Wnt/G蛋白偶联受体信号通路)[43]。

Wnt信号调控细胞自我更新、代谢、存活、增殖及上皮间充质转化[44-46]，此外还与FGF、Hedgehog、Notch及TGF-β信号通路之间有交互作用(Crosstalk)[47-49]。最新研究发现Wnt信号通路在细胞衰老及衰老相关疾病中发挥着至关重要的作用。

4 Wnt信号通路在衰老相关疾病中的调控作用

衰老是人类主要疾病包括糖尿病、神经退行性疾病、心血管疾病和癌症的主要诱因。利用衰老模型研究发现，Wnt信号通路在衰老过程中发挥着关键的调控作用(见图1)。

图1 Wnt信号通路及与其相关的衰老疾病

4.1 2型糖尿病

全世界确诊的糖尿病患者共有4亿多人，预计到2035年将超过5亿人，这种快速增长主要归因于衰老、不健康的饮食、缺乏运动、超重和肥胖[50]。在衰老的过程中，糖耐量受到损害，并表现出一些明显的糖尿病特征，如餐后高血糖[51]。研究表明，Wnt信号通路参与胰腺β细胞增殖、脂质代谢和葡萄糖诱导的胰岛素分泌过程[52-53]。研究还发现，Wnt5B基因单核苷酸发生变异与2型糖尿病有关[54]。此外，Wnt通路在糖尿病神经病变中也起到重要作用，例如，GSK3β与糖尿病神经病变受试者中胰岛素受体磷酸化水平升高之间具有相关性[55]。经典Wnt信号通路与糖尿病肾病的发生也存在联系[56]。这些研究共同指出了Wnt信号在糖尿病病理生理学中的重要性。因此，Wnt信号通路有望成为治疗该类疾病的有效作用靶点。

4.2 神经退行性疾病

神经退行性疾病的特征是动态和进行性神经元细胞损伤和神经元丢失，典型的疾病主要是阿尔兹海默症(Alzheimer disease, AD)和帕金森综合征(Parkinson’s disease，PD)。

4.2.1 阿尔兹海默症 AD是一种常见的年龄相关神经退行性疾病，其主要特征是：淀粉样β肽在细胞外积累形成老年斑；神经元缠结(主要是由高度磷酸化的tau蛋白组成)[57]。Wnt信号通路是中枢神经系统发育的基础，与AD发病机制密切相关[58]。该信号通路在成人大脑中起着重要作用，此外还参与调节突触可塑性和记忆过程[59]。已有大量的AD动物模型和临床研究显示AD疾病中的Wnt信号通路是被破坏的，例如，LRP6单核苷酸多态性与迟发性AD有关，因此LRP6被视为AD的易感基因[60]。最新研究发现，与年龄匹配的对照相比，Wnt活性缺失的AD患者中，β-catenin水平下降，他们的脑皮质中GSK3β磷酸化水平上升[61]。另外，研究还发现Wnt抑制剂因子Dickkopf-1(DKK1)也与AD有关。当AD脑中的DDK-1活性增加，致使Wnt信号被抑制，进而会导致认知能力的下降[62]。此外，Wnt信号通路与tau蛋白磷酸化有关，研究发现GSK3β通过抑制Wnt介导tau的磷酸化[63]。

4.2.2 帕金森综合征 PD是一种进展性的、不可治愈的和年龄相关的疾病，临床特征主要表现为静止性震颤、僵硬、姿势不稳定、运动障碍并伴有认知障碍[64]。Wnt信号通路与PD发病机制相关，研究发现PD患者脑组织中的Wnt信号通路成分表达显著下调[65]。体内研究结果证实，激活星形胶质细胞中的经典Wnt信号通路可以恢复受损中脑腹侧的多巴胺神经元[66]。

4.3 心血管疾病

Wnt信号通路在心脏发育中发挥着至关重要的作用，Wnt的失调会导致一系列心脏和血管疾病，特别是心血管疾病[67]。研究发现，LRP6基因突变是高血压患者颈动脉狭窄的危险因素[68]。LRP5/6抑制因子DKK1在冠状动脉患者和颈动脉斑块患者的血浆和病变组织中显著增加[69]。另外，DKK1在血小板中高表达以抑制内皮细胞中Wnt/β-catenin信号通路活性，进而导致内皮功能障碍[69]。还有研究发现Wnt5A与晚期动脉病变相关[70]。

4.4 癌症

Wnt信号通路在癌症的发展中起着复杂的作用，通常该通路中的关键分子的突变与肿瘤的相关过程有关，包括不可控的细胞增殖、上皮间充质转化和转移。结直肠癌中APC多出现突变，是一个有效的治疗靶点，而APC蛋白则是经典Wnt信号通路中的破坏复合物的重要组分，表明Wnt信号通路在结直肠癌的发生发展中起着重要作用[71]。此外，研究发现靶向LRP5/6在治疗肿瘤中取得显著成果，例如，在前列腺癌中，Mesd能够结合细胞膜上的LRP5/6，从而抑制LRP5/6与配体的结合及下游Wnt/β-catenin信号通路的激活，从而抑制癌细胞的增殖[72]。Niclosamide是另外一种靶向细胞膜上LRP6的抑制剂，能够促进癌细胞的细胞凋亡[72]。有研究发现，Wnt5A在肿瘤细胞的代谢和炎症中发挥重要作用[73]。当Wnt与受体结合后，β-catenin从胞质破坏复合体中释放出来，进入细胞核，随后与TCFs结合调控下游靶基因的转录[74]。其中，TCF4是TCL/LEF家族中研究最多的成员，既有肿瘤促进作用[75]，也有肿瘤抑制作用[76]，后来证实TCF4的矛盾作用是由其可变剪接造成的[77]。另外一个与癌症相关的Wnt信号通路分子是PTK7，它是一种孤儿受体(Orphan receptor)，研究证实它与多种癌症相关，并且可以作为癌症中显著上调的分子标记物[78]。

5 结语

Wnt信号通路在衰老及相关疾病中发挥着重要作用。衰老的过程非常复杂，Wnt信号通路并非是左右细胞衰老和衰老相关疾病的唯一信号通路。但对于某些衰老相关疾病来说，干预Wnt信号通路可能是比较新颖且有效的策略。研究已证实，激活经典的Wnt通路对2型糖尿病、阿尔茨海默病和帕金森综合征的病理生理过程均有积极影响，这为针对Wnt信号通路开发抗衰老及治疗衰老相关疾病的药物或提供新的治疗方案具有重要意义。此外，利用衰老模型能够更好地模拟人类衰老的生理过程以及衰老相关病变，并为开发和筛选靶向药物治疗衰老及相关疾病提供理论支撑。水生动物作为最大且最多样化的脊椎动物群，已经成为人类发育、行为、遗传学等领域理想的研究模型。因此，水生动物作为衰老模型所表现出的巨大潜力，势必将会成为该领域研究的热点。