經典Wnt/β-catenin信號通路在神經干細胞增殖和分化中的作用*

朱將虎 綜述，母得志 審校

(四川大學華西第二醫院兒科，成都 610000)

經典Wnt/β-catenin信號通路在神經干細胞增殖和分化中的作用*

朱將虎 綜述，母得志△審校

(四川大學華西第二醫院兒科，成都 610000)

經典Wnt/β-catenin信號通路；神經干細胞；增殖；分化

Wnt信號通路是調控細胞增殖、分化的關鍵途徑，在胚胎發育中起重要作用。這一通路最早發現在于果蠅，為無翅基因(wingless)[1]。后來，在小鼠乳腺腫瘤中發現int-1蛋白[2]，可在細胞間傳遞增殖和分化信號，并在小鼠胚胎發育中也有重要作用，為果蠅無翅基因的同源物[3]，所以兩者統一稱為Wnt基因家族。

Wnt信號通路是一條在進化上保守，且相當復雜的通路，在細胞增生、細胞分化、細胞形態、細胞黏附、細胞運動和機體發育等過程中起著重要調節作用[4-7]。特別對外周及中樞神經系統的發育、分化及可塑性等起重要影響。另外，許多疾病與Wnt信號通路的異常也密切相關，深入研究Wnt信號通路，有助于理解相關疾病情況，并有望通過調節此通路來輔助診斷或治療。

Reynolds等[8]從成年鼠腦分離出神經干細胞(neural stem cells,NSCs)，突破了成年哺乳動物神經元不能再生的觀念。NSCs是神經系統具有自我更新能力、能產生各種神經細胞(如神經元和各種神經膠質細胞)的多能干細胞，對神經系統的發生和發育起重要作用。近年研究還發現，在中樞神經系統損傷性疾病、遺傳性神經系統疾病(如亨廷頓舞蹈病)和神經系統退行性疾病(如阿爾茨海默病、帕金森病)等治療中，NSCs已展現良好的潛力[9-12]。NSCs的增殖和分化受到復雜的調控系統調控，包括自身基因和外來信號的互相作用。盡管這方面的機制尚未完全研究清楚，但是目前已證實Wnt信號通路對其調控有重要作用。

1 Wnt信號通路

1.1 基本結構 Wnt信號通路至少有4條：(1)canonical Wnt/β-catenin pathway(經典Wnt/β-連環蛋白信號通路)；(2)Wnt/polarity pathway or planar cell polarity pathway (平面細胞極性通路)；(3)Wnt/Ca2+pathway(Wnt/鈣離子信號通路)；(4)調節紡錘體定向和不對稱細胞分裂的通路。而在NSCs的分化和增殖中主要涉及經典Wnt/β-catenin信號通路。

目前認為經典Wnt/β-catenin信號通路主要由以下幾種成分構成：Wnt配體，是一類分泌型且富含半胱氨酸的糖蛋白家族，即Wnt分泌蛋白家族，如Wnt1、Wnt3a、Wnt7a等；Wnt受體，即卷曲跨膜受體蛋白(Frizzled,Fz)及低密度脂蛋白受體相關蛋白(low-density lipoprotein receptor-related protein,LRP)；松散蛋白(dishevelled,Dvl/Dsh)，在胞內起傳遞Wnt信號的作用；酪氨酸激酶Ⅰα(casein kinase Ⅰα,CKⅠα)，糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)，結腸腺瘤性息肉病基因蛋白(adenomatous polyposis coli，APC)，軸素(Axin)，可形成激酶復合物；β-catenin是Wnt信號向核內傳遞的關鍵分子，無Wnt信號時，被形成的激酶復合物通過磷酸化而降解，這樣細胞中游離的β-catenin就維持在低水平；TCF/ LEF(T細胞因子/淋巴增強因子)為轉錄因子(圖1)。

1.2 經典Wnt/β-catenin信號通路的激活 近年來研究顯示，經典Wnt/β-catenin信號通路通過激活核內靶基因的表達調控干細胞系統，包括皮膚、造血系統和神經系統等[13-14]。自分泌或旁分泌的Wnt蛋白與Fz蛋白結合，促使其與LRP5/6相結合，通過激活Dvl蛋白，將信號傳至細胞內，拮抗了由CKⅠα、GSK-3β、APC、Axin組成的激酶復合物活性；β-catenin不被降解，并在細胞質內大量蓄積，繼而進入胞核，在核內與TCF/LEF家族的轉錄因子結合，激活Wnt信號的相關靶基因轉錄(圖2)。這一經典信號通路在NSCs增殖和分化中起重要作用。

2 經典Wnt/β-catenin信號通路與NSCs增殖

經典Wnt/β-catenin信號能調控NSCs增殖。Piccin等[15]研究表明，隨著年齡的增長，NSCs細胞池中干細胞數并未變化，但其增殖能力減弱，而幼年小鼠干細胞微環境可以逆轉其在老年小鼠中的增殖能力，深入研究其原因，發現經典Wnt/β-catenin信號通路在老年小鼠干細胞微環境中的表達缺失是其NSCs增殖能力減弱的原因。Pei等[16]發現，NSCs體外培養體系中，激活經典Wnt/β-catenin信號通路可刺激其細胞增殖；同樣，體內研究也證實，上調β-catenin的表達可促使小腦內NSCs增殖，但不會因此無限擴增，從而維持了小腦正常的結構和功能。Shin等[17]抑制體外培養NSCs的β-catenin和TCF功能，發現可削弱其增殖能力；而在體內，抑制NSCs的β-catenin和TCF功能，則廣泛損害了胚胎小鼠大腦皮質的神經發生，提示經典Wnt/β-catenin信號通路在神經系統胚胎發育初期的重要作用。還有多個研究顯示，低氧可激活經典Wnt/β-catenin信號通路，從而使NSCs的增殖能力顯著提高，但并不影響其細胞活力及干細胞特性；若抑制經典Wnt/β-catenin信號通路，則拮抗了低氧誘導NSCs增殖能力的提高[18-19]。另外，NSCs在損傷性疾病中，已展示了良好的治療潛力，但是其增殖能力有限，實際應用也受到很大的限制。Yang等[20]通過上調NSCs中Wnt3a的表達，顯著提高其增殖能力，為其應用提供可能。

圖2 經典Wnt/β-catenin信號通路激活示意圖

3 經典Wnt/β-catenin信號通路與NSCs分化

大腦不同區域的發育依賴于NSCs在特定區域的定位和區域特異性的細胞增殖和分化的調節。Azim等[21]通過提高/降低經典Wnt/β-catenin信號通路活性，發現可促進/抑制背側腦室下區的NSCs向谷氨酸能神經元祖細胞分化；相反，提高/降低經典Wnt/β-catenin信號通路則抑制/促進了背側腦室下區的NSCs向氨基丁酸能神經元祖細胞分化。另外，激活經典Wnt/β-catenin信號通路可顯著刺激背側腦室下區的NSCs向少突膠質祖細胞分化，而抑制該通路活性，則不會抑制NSCs向少突膠質祖細胞分化。Liu等[22]對銀杏內酯誘導癌胚細胞向神經元分化的機制進行了研究，結果表明，銀杏內酯通過激活經典Wnt/β-catenin信號通路誘導癌胚細胞向神經元分化，并且有時間和劑量依賴性。進一步研究發現，銀杏內酯可使癌胚細胞無活性的磷酸化GSK-3β增多，胞內β-catenin降解減少，從而核內β-catenin積聚，導致經典Wnt/β-catenin信號通路激活；同時，銀杏內酯還可上調Wnt配體的表達分泌，進一步促進該信號通路的活化。其誘導癌胚細胞向神經元分化的作用可被經典Wnt/β-catenin信號通路的抑制劑XAV939完全抑制。因此認為，經典Wnt/β-catenin通路可影響神經元的分化，在神經相關疾病治療方面有潛在應用價值。另外，Wnt7a對于NSCs的自我更新至關重要，缺乏Wnt7a可導致大鼠海馬內NSCs數量顯著減少，并且還可影響其成熟分化，導致新生神經元數目也減少；進一步研究發現，Wnt7a通過調節細胞周期和神經元分化多方面的影響神經發生[23]。Yang等[20]通過上調體外培養NSCs中Wnt3a的表達，發現不僅可增強其增殖能力，還促進了NSCs向神經元分化，顯示了其在神經系統損傷性疾病的潛在治療價值。但是，Pei等[16]發現，β-catenin表達激活后，可促進小腦中NSCs的增殖，同時卻抑制了其分化功能?？傊?，經典Wnt/β-catenin信號通路決定NSCs分化方向與其所處的發育時期和周圍微環境有關。

4 前景與展望

經典Wnt/β-catenin信號通路對NSCs的增殖、分化有著重要的影響，但是在NSCs增殖和分化之間，以及分化方向，究竟哪種起主導作用，目前尚未完全明確。如果能夠明確Wnt信號通路對NSCs增殖、分化的作用機制，人為控制NSCs增殖、分化的各種因素，并對其定向誘導，可為治療中樞神經系統疾病帶來希望。

[1]Sharma RP,Chopra VL.Effect of the wingless (wg1) mutation on wing and haltere development in drosophila melanogaster[J].Dev Biol,1976,48(2):461-465.

[2]Van Ooyen A NR,nucleotide sequence of the putative mammary oncogene int-l.Proviral insertions leave the protein-encoding domain intact[J].Cell,1984,39(1):233-240.

[3]Rijsewijk F,Schuermann M,Wagenaar E,et al.The drosophila homolog of the mouse mammary oncogene int-1 is identical to the segment polarity gene wingless[J].Cell,1987,50(4):649-657.

[4]Ye B,Hou N,Xiao L,et al.APC controls asymmetric Wnt/β-catenin signaling and cardiomyocyte proliferation gradient in the heart[J].J Mol Cell Cardiol,2015,89(Pt B):287-296.

[5]Nakashima R,Morooka M,Shiraki N,et al.Neural cells play an inhibitory role in pancreatic differentiation of pluripotent stem cells[J].Genes Cells,2015,20(12):1028-1045.

[6]Yu W,Niu W,Wang S,et al.Co-culture with endometrial stromal cells enhances the differentiation of human embryonic stem cells into endometrium-like cells[J].Exp Ther Med,2015,10(1):43-50.

[7]Zhu P,Xu X,Lin X.Both ciliary and non-ciliary functions of Foxj1a confer Wnt/β-catenin signaling in zebrafish left-right patterning[J].Biol Open,2015,4(11):1376-1386.

[8]Reynolds BA,Weiss S.Generation of neurons and astrocytes from isolated cells of the adult mammalian central nervous system[J].Science,1992,255(552):1707-1710.

[9]Sundberg M,Bogetofte H,Lawson T,et al.Improved cell therapy protocols for Parkinson′s disease based on differentiation efficiency and safety of hESC-,hiPSC-,and non-human Primate iPSC-derived dopaminergic neurons[J].Stem Cells,2013,31(8):1548-1562.

[10]Zhang W,Gu GJ,Shen X,et al.Neural stem cell transplantation enhances mitochondrial biogenesis in a transgenic mouse model of Alzheimer′s disease-like pathology[J].Neurobiol Aging,2015,36(3):1282-1292.

[11]Rossignol J,Fink K,Davis K,et al.Transplants of adult mesenchymal and neural stem cells provide neuroprotection and behavioral sparing in a transgenic rat model of Huntington′s disease[J].Stem Cells,2014,32(2):500-509.

[12]Ji G,Liu M,Zhao XF,et al.NF-κB signaling is involved in the effects of intranasally engrafted human neural stem cells on neurofunctional improvements in neonatal rat Hypoxic-Ischemic encephalopathy[J].CNS Neurosci Ther,2015,21(12):926-935.

[13]Mazumdar J,O′brien WT,Johnson RS,et al.O2 regulates stem cells through Wnt/β-catenin signalling[J].Nat Cell Biol,2010,12(10):1007-1013.

[14]Abu-Remaileh M,Gerson A,Farago M,et al.Oct-3/4 regulates stem cell identity and cell fate decisions by modulating Wnt/β-catenin signalling[J].EMBO J,2010,29(19):3236-3248.

[15]Piccin D,Tufford A,Morshead CM.Neural stem and progenitor cells in the aged subependyma are activated by the young niche[J].Neurobiol Aging,2014,35(7):1669-1679.

[16]Pei Y,Brun SN,Markant SL,et al.WNT signaling increases proliferation and impairs differentiation of stem cells in the developing cerebellum[J].Development,2012,139(10):1724-1733.

[17]Shin J,Shin Y,Oh SM,et al.MiR-29b controls fetal mouse neurogenesis by regulating ICAT-mediated Wnt/β-catenin signaling[J].Cell Death Dis,2014(5):e1473.

[18]Braunschweig L,Meyer AK,Wagenführ L,et al.Oxygen regulates proliferation of neural stem cells through Wnt/β-catenin signalling[J].Mol Cell Neurosci,2015,67(1):84-92.

[19]Ingraham CA,Park GC,Makarenkova HP,et al.Matrix metalloproteinase (MMP)-9 induced by Wnt signaling increases the proliferation and migration of embryonic neural stem cells at low O2 levels[J].J Biol Chem,2011,286(20):17649-17657.

[20]Yang XT,Bi YY,Chen ET,et al.Overexpression of Wnt3a facilitates the proliferation and neural differentiation of neural stem cells in vitro and after transplantation into an injured rat retina[J].J Neurosci Res,2014,92(2):148-161.

[21]Azim K,Fischer B,Hurtado-Chong A,et al.Persistent Wnt/β-catenin signaling determines dorsalization of the postnatal subventricular zone and neural stem cell specification into oligodendrocytes and glutamatergic neurons[J].Stem Cells,2014,32(5):1301-1312.

[22]Liu M,Guo J,Wang J,et al.Bilobalide induces neuronal differentiation of P19 embryonic carcinoma cells via activating Wnt/β-catenin pathway[J].Cell Mol Neurobiol,2014,34(6):913-923.

[23]Qu Q,Sun G,Murai K,et al.Wnt7a regulates multiple steps of neurogenesis[J].Mol Cell Biol,2013,33(13):2551-2559.

10.3969/j.issn.1671-8348.2016.34.034

國家自然科學基金資助項目(81330016)；四川科技廳公益民生項目(2014SZ0149)。 作者簡介：朱將虎(1982-)，主治醫生，在讀博士，主要從事新生兒疾病的研究?！?/p>

，E-mail:mudz@scu.edu.cn。

R741.05

A

1671-8348(2016)34-4858-03

2016-06-28

2016-08-16)