FGF10信号通路与肺发育及相关疾病机制的研究进展

吴媛媛，蔡格甫，崇蕾，张金三,2(★通信作者)

（1.温州大学生命科学研究院,浙江 温州 325000；2.浙江省协同创新中心，浙江 温州 325000;3.温州医科大学附属第二医院、育英儿童医院 儿童呼吸科,浙江 温州 325000）

0 引言

肺脏主要功能是将心血管系统中的二氧化碳与外界氧气进行交换，提供足够的氧气以供有机体进行一系列氧化反应。肺发育过程主要包括肺芽的形成（budding）、肺分枝形成（branching morphogenesis）和肺泡形成（alveologenesis）。这一过程涉及到细胞间信号分子、下游信号转导途径、细胞增殖、分化、细胞-细胞和细胞-基质之间动态相互作用。在肺发育进程中，有多条关键信号通路参与，包括Wnt、Bmp4和Fgf信号通路等。FGF家族成员在维持祖细胞及介导祖细胞的生长、分化、存活和稳态方面具有重要作用，也可在成熟的组织中通过重新激活发育相关信号通路介导代谢功能、组织修复和再生。

FGF家族由22名成员组成，通过内分泌或旁分泌机制发挥作用。同源FGF受体（FGFR）家族为受体络氨酸激酶家族，由4个成员（FGFR1-4）组成，由于选择性剪接胞外配体结合域，又可分为IIIb型和IIIc型受体[1]。当 FGF 配体与受体结合时，使其自身磷酸化，随后激活MAPK信号通路进行下游的信号传导。FGFs是进化保守的多肽，参与包括肺在内的多个器官的发育。FGF10表达起始于肺发育早期，主要通过调控上皮以及间质干细胞增殖，分化以及迁移，介导上皮间质细胞间互作，促进肺支气管分枝形成及肺泡发育。有研究显示,BPD患儿和高氧暴露的新生鼠肺组织中FGF10的表达显著降低。另外，FGF10参与成年小鼠肺损伤的修复再生过程。诸多研究表明，无论在肺发育或疾病过程中，FGF10作为重要角色介导或受到其他信号通路调控。因此，详细的总结FGF10在肺脏发育以及疾病阶段的作用机制对其药用价值探究具有深远的意义[2]。

1 FGF10参与肺发育进程

1.1 FGF10在胚胎肺发育阶段的时空性表达

FGF10在胚胎肺中的表达具有时间和空间特异性。小鼠胚胎肺的形成始于假腺期早期 (E9.5) 阶段，通过腹侧前肠中胚层周围间质细胞的增殖分化外翻形成肺芽。此时，与末端肺芽相邻的间充质细胞已开始表达FGF10，以旁分泌的方式作用并促进上皮细胞的增殖分化，从而促使肺芽的融合。因此长期以来，发育生物学家通过定位FGF10的表达位点来确定早期肺芽萌发的位置。在E10.5期间，仅在肺叶分枝末梢以及支气管间质细胞中发现FGF10的表达，其表达量受到来源于肺原基中胚层的 Tbx4调控。Tbx4低表达会降低FGF10的转录水平进而使肺芽形成受阻[3]。而在E11.5至E12.5时期,FGF10的转录水平在胚胎肺附属叶、右中叶、右下叶以及肺左叶的末梢间质细胞中达到峰值。FGF10持续表达直至胚胎发育假腺期末期(E16.5),在此之后至出生阶段，FGF10的表达水平逐渐回落并维持一定水平的表达以支持出生后肺泡发育、肺内环境稳态以及肺损伤修复。此时，FGF10主要由位于气道软骨环之间的基底细胞以及与AT2细胞相邻的脂原型成纤维细胞(Lipofibroblasts,LIFs)分泌[4-5]。FGF10时空特异性的表达格局表明了FGF10在胚胎肺发育早期对肺上皮芽的定向生长和诱导以及组织结构功能完善尤为重要。

1.2 FGF10控制肺芽形成以及肺形态分枝

早在20世纪90年代，诸多研究成果已证实FGF10基因缺失导致胚鼠肺发育异常并在围产期死亡。在FGF10-/-小鼠胎儿中，主气道发育正常，然而却不能形成细支气管和肺泡，使小鼠在出生不久后因呼吸衰竭而死亡；利用条件型转基因敲除小鼠模型在孕鼠胚胎期E12.5时阻断FGFR2b信号通路，导致胚胎鼠肺支气管出芽以及分支形成进程被阻断，表明FGF10对于主气道发育无影响，但是对支气管分枝以及肺泡组织功能完善尤为重要。并且，在FGF10的高亲和受体FGFR2b基因敲除小鼠中表型同样如此，而FGFR2b在肺泡上皮细胞中是高度表达的，这间接表明FGF10通过作用于肺泡上皮细胞，影响其增殖与分化进而影响肺泡的形成[6]。

肺发育和肺的内环境稳态由不同的生长因子如Fgf、Shh、Bmp、Tgf-b，Wnt等相关蛋白家族和各种转录因子信号通路调控。FGF10在胚胎肺的时空性分布及其信号通路的激活与抑制受到多条信号通路相互调节，在胚胎肺发育早期（E11.5），Bmp4在内胚层间质细胞动态表达，并且在末端芽抑制FGF10诱导的上皮趋化性增殖。另外，FGF10能够上调Bmp4转录水平，控制上皮-间质细胞间“信息交流”从而促进气道平滑肌细胞（Airway smooth muscle cells，ASMCs）形成。Tbx4表达受抑可促使FGF10表达水平降低，导致Nkx2.1表达水平下降，最终不能形成正常的肺芽[7]。视磺酸（Retinoic acid，RA）通过Wnt和Tgfβ信号通路间接介导FGF10信号通路。RA通过抑制Wnt信号通路拮抗因子Dkk1的表达，同时上调Wnt2a/b配体表达水平并且抑制间质细胞Tgfβ信号通路，从而促进了FGF10的表达，介导早期肺芽形成过程。FGF10与Sprouty2（Spry2）也形成负反馈调节，在小鼠肺发育早期（E12.5），Spry2产生于FGF10表达阳性(FGF10pos)间质细胞周围的外周内胚层细胞；E14.5时，Spry2在临近气管芽末端表达量增加，抑制Spry2表达会刺激支气管分支并诱导上皮增殖[8]。外源重组人FGF10可刺激离体培养的胚胎肺形成更多的分枝，Spry2 mRNA水平升高，Spry2高水平表达反过来抑制FGF10信号通路过度激活，表明FGF10/FGFR2/spry2通路参与肺发育的精细化调控。

成纤维细胞包括FGF10表达阳性和表达阴性两个亚群，在小鼠肺发育过程中，FGF10阳性的成纤维细胞是LIFs的祖细胞来源，FGF10的表达降低或FGFR2b的活性降低均可导致脂质生成蛋白(Adipose differentiation-related protein,ADRP)的表达显著降低，这也是LIFs的重要标志蛋白[9]。将FGF10+/-新生鼠暴露于高氧环境（支气管肺发育不良模型建立方法）后，FGF10+/-小鼠在8天内全部死亡，而野生型新生鼠虽表现为肺发育不良、肺泡简单化，却均可存活，表明FGF10信号通路对于肺功能完善至关重要。近年来的研究表明，FGF10信号通路与Erk1/2信号通路的相互作用影响上皮细胞有丝分裂纺锤丝极性运动，进而影响上皮细胞的增殖分裂以及凋亡，控制肺分枝形态的形成，因此，对于FGF10信号通路作用的深层机制还有待更进一步的探索[10-11]。

1.3 FGF10信号通路维持肺脏干（祖）细胞稳态

FGF10在维持肺脏干（祖）细胞稳态中也具有重要作用。上皮干细胞/祖细胞存在于特定的干细胞壁龛中，其通常与细胞外基质、间质细胞以及其存在的微环境相互作用而进行具有指导性的增殖、分化和迁移。在过去的20年的研究中，FGF10不仅被认为是肺发育早期远端肺间质细胞的标志物，而且对维持上皮干细胞壁龛微环境稳态至关重要。FGF10以旁分泌方式作用于临近上皮细胞，刺激Bmp4的表达，而上皮细胞产生的Bmp4对FGF10pos间质细胞分化为ASMCs 以及血管平滑肌细胞(Vessel smooth muscle cells,VSMCs)具有促进作用[12]。

FGF10的表达水平对上皮祖细胞的增殖分化至关重要，其表达缺失导致Nkx2.1/Sftpb表达阳性的上皮祖细胞减少[13]。在小鼠肺发育后期（E15.5-E18.5），随着肺芽的生长，远体端上皮祖细胞迁移至近体端分化为支气管上皮细胞，此过程中，远体端间质祖细胞分泌的FGF10激活上皮β-catenin信号通路而抑制Sox2的表达，维持Sox9表达阳性(Sox9pos)特性，从而阻止上皮祖细胞分化为 Sox2表达阳性(Sox2pos)气道上皮细胞，表明FGF10在肺发育中参与调节上皮祖细胞由近体端向远体端分化迁移过程。有趣的是，一旦上皮细胞祖细胞分化为Sox2pos上皮细胞，FGF10进一步引起近体端气道Sox2pos的上皮细胞向p63/krt5pos基质细胞分化，同时限制了Foxj1pos纤毛细胞的形成[10]。FGF10-Hippo信号通路介导的上皮-间质相互作用招募肺基质干细胞并维持其干细胞特性[14]。这些证据表明肺上皮祖细胞的维持与分化与FGF10/FGFR2b信号通路介导的上皮-间质细胞相互作用是密不可分的。

间质祖细胞通常表达特定的蛋白如Wnt2/Gli1/Isl1、Pdgfrα、Vegfr2、Prox1等；这些祖细胞通过定向分化产生各种细胞类型，如ASMCs、VSMCs、间质干细胞（Mesenchymal stem cells,MSCs）、LIFs、肌成纤维细胞（Myofibroblasts，MYFs）等[4,15-16]。FGF10pos间质细胞为多潜能定向祖细胞,为肺间质干细胞的一个亚群。一方面，FGF10pos祖细胞受到Wnt/β-catenin信号通路调节而保持自我增殖并产生Axin2pos祖细胞，进一步分化为ASMCs以及VSMCs，分别构成气管以及血管平滑肌组织；另一方面，Bmp4信号通路参与调节FGF10pos间质祖细胞分化为支气管旁以及血管平滑肌细胞。FGF10的表达缺失导致Pecampos和αSmapos间质干细胞数量明显下降[13]。在肺损伤修复过程中，Pparγ信号通路介导FGF10pos祖细胞分化形成LIFs，LIFs通常分布在Ⅱ型肺泡上皮细胞（alveolar epithelial type Ⅱcell,AT2）附近，以上皮-间质互作的方式来维持AT2的干性。这在成年鼠肺脏疾病以及损伤修复过程中具有重要意义[17]。

2 FGF10与肺疾病

2.1 FGF10与慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾病（Chronic obstructive pulmonary disease,COPD）是一种与衰老相关的慢性呼吸系统疾病，主要表现为进行性不可逆的气流受限，最终导致肺气肿，位居慢性呼吸系统疾病死亡原因之首[18]。FGF10或FGFR2b基因表达缺失患者表现出不可逆转的气道阻塞，表明影响FGF10信号通路的基因变异是影响COPD发生发展的重要决定因素[19]。Yap-Wnt7b-FGF10信号级联调控肺损伤再生途径，以维持气道上皮细胞稳态，阻断气道重塑过程；在COPD患者气道鳞状化分生区上皮细胞中Yap表达量增高并入核调控，促使FGFR2b以及Wnt7b表达增加，表明COPD中Hippo信号通路受到抑制而Yap介导的FGF10表达增加促进了基质干细胞增殖，促进气道上皮细胞再生修复，因此Yap蛋白也可以作为治疗COPD的一个有效药物靶点[14]。

2.2 FGF10与支气管肺发育不良

支气管肺发育不良(Bronchopulmonary dysplasia，BPD)多见于早产儿（尤其是小于28周的早产儿），也是早产儿致死的主要原因，其主要症状为囊状气道分支减少，肺泡较少而大导致气体交换面积减少，细支气管及血管发育不良等[20]。FGF10的表达水平在BPD患儿肺组织中显著降低，提示FGF10对肺泡发育至关重要，可能与Toll-like receptor 2（TLR2）以及Toll-like receptor 4（TLR4）的异常激活有关。而降低的FGF10表达破坏了肺泡MYF在囊状气道周围的正常定位，次级肺泡间隔（secondary separation）形成障碍，导致肺泡发育不全[21]。在FGF10杂合缺失小鼠BPD模型中，由于高浓度氧气的暴露而导致新生鼠的AT2形成受阻而死亡。另外，阻断FGFR2b信号通路且暴露于高浓度氧气环境中亦导致AT2标志物Sftpc表达降低，并最终导致显著的致命性，表明FGF10-FGFR2b信号通路对新生小鼠肺高氧暴露后的修复具有重要意义[22]。FGF10还受到microRNA（miR）-421的转录调控，miR-421与FGF10基因的3’端UTR结合，进而抑制FGF10转录。在BPD小鼠模型中miR-421表达明显升高，而FGF10表达量显著降低，抑制miR-421转录能促进FGF10的表达进而抑制BPD小鼠肺泡细胞凋亡，降低炎症因子水平，从而改善BPD小鼠病理状态[23]。

2.3 FGF10与特发性肺纤维化

特发性肺纤维化（Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）由诸多因素引起，如肺损伤、吸烟、空气污染、有毒药物等。这些因素导致肺泡上皮细胞受损而发生氧化应激、炎症、凋亡等反应，使MYF呈激活状态快速增殖，随后大量合成细胞外基质（extra cellular matrix,ECM)，包括胶原蛋白并沉积，在损伤部位形成肌肉化纤维灶，使肺泡结构遭到破坏，最终导致呼吸衰竭。IPF发生机制由多条信号通路控制，如Tgf-β,Wnt,Notch以及FGF10信号通路等,虽然这些通路都是通过它们各自的同源受体和信号中间体发挥作用的，但重要的是它们不是孤立地起作用，而是通过不同信号通路之间的相互作用共同调节，促进或逆转纤维化进程[24]。Tgfβ1能够促进上皮-间质细胞的转化（Epithelial-mesenchymal transition，EMT），是主要的促纤维化因子。IPF中Tgfβ1表达水平迅速增高，这加速了EMT进程，同时，也促使LIFs转分化为MYFs，MYFs向胞外分泌大量的ECM并沉积[25-26]。Tgfβ1已被证明与Wnt/β-catenin信号通路协同作用，诱导EMT[27]。在IPF中，Wnt1、Wnt7b和Wnt10b、及其受体Frizzled 2、Frizzled 3在IPF的表达显著增加，促进β-catenin进入细胞核调控转录进程，抑制Wnt/β-catenin信号通路可促进肺纤维化的消退[28-29]。ICG-001，一种抑制Tcf/β-catenin结合转录的小分子抑制剂也能抑制Tgfβ1诱导的小鼠EMT和逆转肺纤维化，这表明Wnt信号通路靶向抑制可能是一种有效的IPF治疗策略[30]。Notch信号通路在IPF中也同样被激活，Notch/CSL激活刺激血管平滑肌细胞中的α-SMA表达，发生EMT[31]。Lgr6pos间质细胞在气道损伤修复中受到FGF10信号通路激活而增殖，并分化为ASMCs,调节气道损伤修复[32]。最近的研究表明，与正常肺相比，IPF肺中，随着Tgfβ1以及Shh表达激活，FGF10表达量特别是在Acta2pos纤维密集组织中显著降低。FGF10pos的LIFs能够在Tgfβ1信号通路诱导下形成激活态的MYFs,而在Pparγ个信号通路诱导下，MYFs去分化重新形成LIFs,纤维化组织得到分解，表明FGF10pos的LIFs在IPF修复过程中扮演了重要角色[33]。表达FGF10的LIFs能够维持AT2干细胞特性，而AT2在损伤后能够激活Axin2表达并在短时间内快速增殖以弥补因损伤而丢失的肺泡细胞，FGF10信号通路在此过程是否发挥作用还需要进一步的研究[34]。

3 结语

从肺发育的最初阶段起，FGF10呈时空性表达模式，并以旁分泌的方式介导间质-上皮细胞间的信息交流而控制肺芽的形成、分枝的发生以及肺泡的发育，并且维持肺干（祖）细胞的稳态与自我更新以及分化、迁移。FGF10阳性的间质干细胞能够分化为LIFs，作为肺泡的重要结构维持祖细胞壁龛内环境稳态。在成年小鼠以及成人肺疾病中，FGF10对维持成年肺脏内环境稳态以及损伤后修复也具有重要意义。FGF10以及Wnt,Hippo,Tgfβ信号通路之间的反馈调节是肺损伤后修复机制的重要步骤，重组FGF10（rFGF10）有望作为药物治疗肺损伤和肺纤维化，尚需更多的基础试验以及临床试验进一步探索FGF10功能和机制。