Wnt/β-catenin信号通路在腹膜透析相关性腹膜纤维化中的作用研究进展

侯 广,邹循亮

[遵义医科大学第五附属(珠海)医院肾内科,广东 珠海 519000]

腹膜透析(Peritoneal dialysis,PD)是指利用人体腹膜作为半透膜,以腹腔作为交换空间清除体内过多水分、代谢产物,从而达到血液净化、替代肾功能的治疗技术。腹膜透析是慢性肾衰竭患者重要的替代治疗方法之一。据相关报道,腹膜透析的患者约占全球透析患者总数的11%[1],且腹膜透析的患者每年增长率为8%[2]。虽然腹膜透析的治疗技术现已不断完善,但其导致的腹膜纤维化(Peritoneal fibrosis,PF)仍然是腹膜透析失败的主要原因。腹膜纤维化可导致腹膜正常结构性改变,进而导致腹膜透析过程中溶质和水分交换失败,最终使超滤失败和腹膜透析中断。目前,临床上关于腹膜透析相关性腹膜纤维化发生机制尚不完全清楚[3]。近些年来,许多研究表明Wnt/β-catenin信号通路参与调控多种组织和器官纤维化的发生发展[4-7]。在腹膜透析过程中,Wnt/β-catenin信号通路诱导的间皮细胞间充质转分化(Mesothelial-to-mesenchymal transition,MMT)、血管新生以及慢性炎性反应可能是引起腹膜透析相关性腹膜纤维化的重要因素。本文通过对Wnt/β-catenin信号通路在腹膜透析相关性腹膜纤维化中的相关研究作一综述。

1 Wnt/β-catenin信号通路

1.1 Wnt/β-catenin信号通路结构与功能 20世纪80年代,Nusse和Varmus在研究小鼠乳腺肿瘤病毒的致癌机制时发现了int1基因,随后在果蝇遗传突变体筛选中发现wingless与int1属于同源基因并且功能相似,因此由两者基因得到Wnt基因的命名[8]。Wnt基因可以编码一种富含L-半胱氨酸的分泌型糖蛋白。Wnt蛋白可以通过自分泌或旁分泌方式与特异性受体结合,进一步激活细胞内的信号转导通路,调节包括多种组织和器官纤维化等靶基因的表达[9]。Wnt信号途径能引起细胞内β-连环蛋白(β-catenin)蓄积。β-catenin是一种多功能的蛋白质,可以在细胞连接处与钙黏素相互结合参与形成黏合带。细胞质中游离的β-catenin可进入细胞核,调节靶基因表达[10]。Wnt/β-catenin信号转导通路是一条在进化过程中高度保守的通路,在胚胎发育和中枢系统形成中起关键作用。Wnt信号通路包括经典通路(也称Wnt/β-catenin信号通路)和非经典通路[11]。非经典通路主要包括Wnt/PCP信号通路和Wnt/Ca2+信号通路等[12]。经典通路主要是由Wnt蛋白家族、卷曲跨膜受体蛋白(Frizzled,Fz)、低密度脂蛋白受体相关蛋白(Low density lipoprotein receptor-related protein,LRP)、蓬乱蛋白(Dishevelled,Dsh)、β-catenin、腺瘤性结肠息肉蛋白(Adenomatous polyposis coli,APC)、糖原合成酶激酶-3β(Glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)、轴蛋白(Axin)、T细胞因子(T cell factor,TCF)/淋巴样增强因子(Lymphoid enhancing factor,LEF)转录因子家族等组成,其中β-catenin在该通路中处于中心位置。

1.2 经典的Wnt/β-catenin信号通路 经典的Wnt/β-catenin信号通路在非活化状态下缺乏Wnt信号,Fz受体未被Wnt配体结合,胞质内β-catenin被GSK-3β和酪蛋白激酶-1α(CK-1α)磷酸化,磷酸化的β-catenin会被由Axin、GSK-3β、APC、CK-1α形成的“破坏复合物(Destruction complex)”识别和降解。当Wnt配体蛋白与Fz特异性受体结合后磷酸化LRP-5/6,并与Fz形成Wnt-Fz-LRP5/6异源三聚体复合物。然后招募并激活胞质内Dsh,促进Axin、GSK-3β、CK-1α复合体形成并激活LRP-5/6,引起Axin与LRP-5/6结合。与LRP5/6结合的Axin不能与GSK-3β、APC、CK-1α形成β-catenin蛋白降解复合物即“破坏复合物”[13]。没有被降解的β-catenin 在细胞质内积聚并进入细胞核与转录因子TCF/LEF结合,激活 TCF 的转录活性,调节组织和器官纤维化基因等靶基因(如纤维连接蛋白、基质金属蛋白酶-7)的表达[14]。因此,β-catenin是否磷酸化是该信号转导通路活化的关键因素。

2 Wnt/β-catenin信号通路与腹膜透析相关性腹膜纤维化

Guo等[15]学者通过对比初始使用腹膜透析和使用腹膜透析1年以上的患者,发现在使用腹膜透析治疗1年以上的患者中腹膜组织Wnt/β-catenin信号通路中Wnt1和Wnt5a配体、β-catenin和LEF-1的表达明显增高。提示该信号通路可能参与调节腹膜透析相关性腹膜纤维化的发生。近些年来,越来越多相关研究发现Wnt/β-catenin信号通路通过参与诱导间皮细胞间充质转分化、血管新生以及慢性炎性反应等诱导腹膜透析相关性腹膜纤维化的发生。

2.1 Wnt/β-catenin信号通路在间皮细胞间充质转分化中的作用 由连续单层间皮细胞组成的腹膜在腹膜透析中充当半透膜,起渗透屏障的作用。在长期腹膜透析的过程中,暴露于含有高浓度葡萄糖及其降解产物的腹膜透析溶液可能会损害腹膜,导致间皮细胞层剥蚀、皮下纤维化和血管新生,最终导致超滤失败、透析中断[16]。腹膜间皮细胞是一种与上皮细胞具有相似特征的特定细胞类型,可在特定条件下转化为肌成纤维细胞,即所谓的间皮细胞间充质转分化(Mesothelial-to-mesenchymal transition,MMT)[17]。研究发现,间皮细胞间充质转分化是促使腹膜透析相关性腹膜功能障碍的重要机制。在人和大鼠的腹膜纤维化体外实验模型中,研究显示高糖可诱导腹膜间皮细胞Wnt/β-catenin信号活化,通过下调“破坏复合物”的活性抑制β-catenin降解、促进胞质中β-catenin蓄积并发生核易位,进而促进诱导相关基因的表达,最终引起腹膜纤维化[18-20]。Dickkopf相关蛋白1(DKK-1)、ICG-001是Wnt/β-catenin信号通路的内源性抑制剂。Guo等[15]研究显示人腹膜间皮细胞高表达DKK-1基因可以延缓高糖诱导的腹膜间皮细胞间充质转分化的进程,主要是通过其表达的DKK-1蛋白在细胞外与Wnt配体竞争结合LRP5/6共受体使胞质中β-catenin的表达维持在较低水平,进而阻抑Wnt/β-catenin信号通路来延缓了间皮细胞间充质转分化的进程。亦有研究显示,在小鼠腹膜纤维化模型中,ICG-001可以阻碍β-catenin与环磷酸腺苷反应元件结合蛋白特异性结合,抑制其相关的TCF/LEF的信号转导,进而减轻间皮细胞间充质转分化和腹膜纤维化[21]。因此,Wnt/β-catenin信号通路可能成为阻止或延缓腹膜透析相关性腹膜纤维化进程的重要治疗靶点。

2.2 Wnt/β-catenin信号通路在血管生成中的作用 研究发现,长期腹膜透析的患者中血管新生程度与腹膜纤维化的面积密切相关。血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)是一种具有促进血管生成活性的生长因子,可通过促进内皮细胞有丝分裂参与调节血管生成[22]。研究显示,VEGF诱导的血管新生与Wnt/β-catenin信号通路密切相关[23-24]。其中,Wnt1和Wnt5配体在腹膜纤维化血管新生中具有重要作用。Shi等[25]在葡萄糖酸氯已定诱导的小鼠腹膜纤维化模型中发现,zeste同源物2增强子可以通过调节Wnt1/β-catenin信号通路减少人腹膜间皮细胞中VEGF的产生和分泌,从而抑制腹膜血管新生;目前部分学者认为Wnt5a具有促进组织及器官纤维化的作用,而另一部分学者认为其对组织及器官具有抗纤维化作用。针对这一问题Padwal等[26]在TGF-β1诱导的小鼠腹膜纤维化模型中发现,Wnt5a通过与受体酪氨酸激酶样孤儿受体2相互作用,促进GSK-3β磷酸化β-catenin抑制经典Wnt/β-catenin信号传导通路,进而抑制VEGF的表达水平减少血管新生;而对受体酪氨酸激酶样孤儿受体2沉默出现相反作用,因此Wnt/β-catenin信号传导通路受体酪氨酸激酶样孤儿受体2配体在组织及器官纤维化的进程中具有正向调节作用,而Wnt5a发挥促纤维化及抗纤维化作用取决于其信号通路配体。总之,Wnt/β-catenin信号通路可能通过调节VEGF诱导的血管新生参与腹膜透析相关性腹膜纤维化,但目前具体的作用机制仍不清楚。

2.3 Wnt/β-catenin信号通路在巨噬细胞极化中的作用 炎症是促进腹膜纤维化发生发展的重要因素,主要包括细菌、真菌等感染所导致的腹膜炎、非生理性透析液和尿毒症本身的毒性作用引起的长期微炎症状态。Temi等[27]研究发现,局部单核细胞/巨噬细胞的积聚与腹膜透析相关性腹膜纤维化的进展密切相关。巨噬细胞根据表型和功能主要分为M1及M2型。有学者发现Wnt/β-catenin信号传导通路的活化后可刺激M2型巨噬细胞极化,产生过多的细胞外基质、分泌促纤维化生长因子,从而促进多种组织和器官的纤维化[28]。Feng等[29]在小鼠肾间质纤维化的体内外实验中发现,Wnt5a可以通过刺激转录调节因子Yes相关蛋白(Yap)/含PDZ结合序列的转录共激活子(Taz)介导的M2型巨噬细胞极化促进肾脏纤维化。同样,在小鼠肾间质纤维化的体内外实验中,Cosin-Roger等[30]也发现Wnt3a可以在Wnt/β-catenin信号通路激活后,通过促进IL-4或TGF-β1诱导的M2型巨噬细胞极化促进巨噬细胞的增殖和积聚,最终导致肾脏纤维化。Hou等[31]在小鼠肺纤维化模型中发现Wnt7a可与肺间充质干细胞的干扰卷曲蛋白1结合导致胞质中的β-catenin核易位,进而诱导M2型巨噬细胞增殖和积聚。他们进一步研究发现Wnt7a可能通过自分泌或旁分泌作用模式作用于周围的肺间充质干细胞使之向肌成纤维细胞的分化,进而诱导的肺纤维化形成。虽然目前关于Wnt/β-catenin信号通路介导巨噬细胞参与腹膜的纤维化形成尚未有相关报道,但已有研究证实巨噬细胞介导的慢性炎症与腹膜纤维化程度相关[32]。总之,Wnt/β-catenin信号传导通路介导的M2型巨噬细胞极化参与多种组织和器官的纤维化。

3 Wnt/β-catenin与TGF-β/Smads通路共同参与腹膜透析相关性腹膜纤维化

TGF-β是腹膜透析相关性腹膜纤维化的关键纤维化因子,TGF-β与细胞表面TGF-β Ⅱ型受体结合,进一步激活TGF-β Ⅰ型受体并与之形成受体复合物,进而导致间皮蛋白激酶C磷酸化Smad2/3,磷酸化的Smad2/3和Smad4形成复合物,并易位到细胞核并调节促纤维化基因转录。而Smad7是TGF-β/Smads信号通路的细胞内抑制剂,通过竞争性结合TGF-β Ⅰ型受体,阻止Smad2/3磷酸化,调控纤维化基因的负性调节。近期,在TGF-β诱导的腹膜间皮细胞纤维化过程的研究中,发现Wnt/β-catenin信号通路与TGF-β/Smads信号通路能相互作用,协同调节间皮细胞间充质转分化进程,进而调控腹膜透析相关性腹膜纤维化。Yu等[19]在大鼠腹膜纤维化模型体内外实验中发现,黄芪可以通过增强腹膜间皮细胞中Smad7表达来下调TGF-β诱导的β-catenin表达,从而保护腹膜免受间皮细胞间充质转分化和腹膜纤维化的影响。Liu等[33]在大鼠腹膜纤维化模型中发现,MiR-122-5p可以通过腹膜间皮细胞高表达Smad5抑制胞质中β-catenin表达,进而阻抑Wnt/β-catenin信号通路,从而抑制腹膜纤维化和间皮细胞间充质转分化进展。这些均提示Wnt/β-catenin与TGF-β/Smads通路共同相互作用参与腹膜透析相关性腹膜纤维化。

正常细胞在静息状态下缺乏Wnt信号,Smad7可以与β-catenin和Smad特异性E3泛素蛋白连接酶2(Smurf2)结合,降解β-catenin以保持其在胞质内低水平。Smad7还与磷酸化的YAP和Smurf结合,进而与TGF-β I型受体形成高亲和力复合物,可以阻抑TGF-β/Smads通路起对纤维化基因的负性调节作用。与此同时,磷酸化的YAP和TAZ与β-catenin破坏复合物有关。进一步,磷酸化的YAP也可以与β-catenin相关,进而抑制其核转位并促进其在胞质降解。细胞在活化状态下,Wnt配体蛋白与Fz特异性受体结合后磷酸化LRP-5/6,并与Fz形成Wnt-Fz-LRP5/6异源三聚体复合物。然后招募并激活胞质内Dsh,使破坏复合物不能形成,而β-catenin 在细胞质内积聚并进入细胞核与转录因子TCF/LEF结合,激活 TCF 的转录活性,调节Wnt为主的纤维化基因等靶基因。在TGF-β诱导下,Axin促进Smad2/3的尾部磷酸化。同时,Axin还与Arkadia和Smad7形成一个复合物,以增强TGF-β/Smads通路信号传导。而被激活的Smad复合物与TAZ和YAP结合,然后转移到细胞核以激活以Smad为主的纤维化基因。

4 结 语

新近,研究发现Wnt/β-catenin信号通路在肿瘤发生、多种组织和器官的纤维化等疾病中发挥着重要的调控作用。越来越多的学者认为,在腹膜透析相关性腹膜纤维化的发生发展中Wnt/β-catenin信号通路诱导的间皮细胞间充质转分化、血管新生以及慢性炎性反应可能是引起腹膜透析相关性腹膜纤维化的重要因素。目前临床上基于Wnt/β-catenin信号通路抗腹膜透析相关性腹膜纤维化研究较少,主要集中于动物模型,深入了解Wnt/β-catenin信号通路调节腹膜纤维化的具体作用机制有助于阻止或者延缓腹膜透析中腹膜纤维化的发生发展。`