Wnt/β—catenin信號(hào)通路在發(fā)育和疾病研究進(jìn)展

張嘉蓉

摘 要：在過去的幾十年中，關(guān)于Wnt/β-catenin信號(hào)通路的在發(fā)育過程中的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)。研究者們利用不同的模式動(dòng)物對(duì)該通路進(jìn)行了詳盡的研究。結(jié)果表明Wnt/β-catenin信號(hào)通路在胚胎的早期發(fā)育、各種組織和器官的形成、生長(zhǎng)發(fā)育過程以及維持動(dòng)物成體的體內(nèi)平衡過程中都扮演著關(guān)鍵的角色。發(fā)生在Wnt信號(hào)通路的基因突變通常和人的出生缺陷、腫瘤以及其他很多疾病的發(fā)生息息相關(guān)。本文綜述了近些年對(duì)Wnt/β-catenin信號(hào)通路研究的一些新的進(jìn)展，例如在調(diào)控牙齒、眼睛、造血干細(xì)胞的發(fā)育以及在腫瘤、哮喘等各種疾病發(fā)生中的作用。

關(guān)鍵詞：Wnt/β-catenin；信號(hào)通路；組織和器官發(fā)育；疾病

中圖分類號(hào)：R730.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）01-0187-03

1 Wnt/β-catenin信號(hào)通路概述

在高等生物的發(fā)育過程中，轉(zhuǎn)錄因子、細(xì)胞內(nèi)外的各種信號(hào)分子和信號(hào)通路起著重要的調(diào)控作用。其中，Wnt/β-catenin信號(hào)通路在細(xì)胞的增殖和命運(yùn)的決定以及組織器官發(fā)生的各個(gè)重要環(huán)節(jié)都起著重要調(diào)控作用。1982年Nusse等首先在小鼠乳腺癌中發(fā)現(xiàn)了Wnt基因[1]。由于該基因的激活依賴小鼠乳腺癌相關(guān)病毒基因的插入，因此，當(dāng)時(shí)被命名為Int1基因。Int1基因在小鼠胚胎發(fā)育中起重要作用，類似于果蠅的Wingless基因，可控制胚胎的軸向發(fā)育，因此將二者的名稱合并后，稱為Wnt基因[2]。之后的研究表明，Wnt信號(hào)通路非常保守，從低等的線蟲到高等的哺乳動(dòng)物都有廣泛的表達(dá)和作用。其中，人的Wnt基因定位于染色體12q13，目前已有約19個(gè)家族成員。Wnt/β-catenin信號(hào)通路主要由下面一些蛋白組成：Wnt家族蛋白（Wnt）、卷曲蛋白（Frizzled）、低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6（LRP5/7）、散亂蛋白（Dsh）、結(jié)直腸腺瘤性息肉蛋白（APC）、糖原合成酶激酶3β（GSK-3β）、軸蛋白（Axin）、β連環(huán)蛋白（β-Catenin）等[3]。

在過去的幾十年的研究中，研究者對(duì)wnt/β-catenin信號(hào)通路的作用機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的研究。在缺乏Wnt的情況下，細(xì)胞質(zhì)β-catenin蛋白在Axin蛋白復(fù)合體的作用下不斷降解，因而β-catenin就不能有效的入核，因而也就不能調(diào)控Wnt靶基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，反而會(huì)被DNA結(jié)合蛋白T細(xì)胞因子/淋巴增強(qiáng)因子（TCF/LEF）家族蛋白所抑制。當(dāng)Wnt配體與七次跨膜蛋白Frizzled受體以及共受體低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6結(jié)合時(shí)，形成Wnt-Fz-LRP6蛋白復(fù)合體，并招募支架蛋白Dishevelled，使LRP6發(fā)生磷酸化和活化，并招募Axin蛋白復(fù)合體到膜受體上。這樣就抑制了Axin復(fù)合物介導(dǎo)的β-catenin磷酸化，從而穩(wěn)定了β-catenin的蛋白水平，進(jìn)而入核與TCF/LEF結(jié)合形成復(fù)合物，解除其對(duì)Wnt靶基因的抑制作用。以上是經(jīng)典的Wnt通路，非經(jīng)典的Wnt通路不依賴于β-catenin蛋白，并進(jìn)一步分為PCP通路和Wnt/鈣離子通路[4]。

2 Wnt/β-catenin信號(hào)通路在眼睛發(fā)育中的調(diào)控作用

哺乳動(dòng)物的眼睛是一個(gè)高度特化的感覺器官，是由前神經(jīng)板、頭表皮外胚層和神經(jīng)冠間質(zhì)發(fā)育而成的。在眼睛的發(fā)育過程中，如在晶狀體、視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞、睫狀體等的發(fā)育和形成過程中，Wnt/β-catenin信號(hào)通路起著重要的調(diào)控作用，其功能的異常將會(huì)導(dǎo)致眼睛的發(fā)育障礙[5]。例如，在晶狀體的發(fā)育過程中，Wnt/β-catenin維持正常的眼表外胚層和晶狀體上皮細(xì)胞的發(fā)育，在晶狀體發(fā)育相關(guān)細(xì)胞中條件性刪除β-catenin，將會(huì)導(dǎo)致晶狀體形態(tài)和功能的異常。同樣β-catenin的缺失也會(huì)導(dǎo)致視網(wǎng)膜發(fā)育的退化[6]。

2015年，Zhang等發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號(hào)通過抑制Bmp4調(diào)節(jié)角膜上皮層化。角膜上皮分層是一種基于間葉上皮相互作用的協(xié)調(diào)發(fā)展過程。在角膜基質(zhì)細(xì)胞中對(duì)β-catenin或共受體Lrp5/6的條件性基因敲除導(dǎo)致角膜上皮細(xì)胞的過早分化，過度表達(dá)β-catenin則會(huì)阻礙角膜上皮的分層。 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，Bmp4的表達(dá)在β-catenin的缺失在角化細(xì)胞中被上調(diào)，這進(jìn)一步導(dǎo)致了ERK1/2（Mapk3/1）和Smad1/5的磷酸化，并提高了轉(zhuǎn)錄因子p63（Trp63）的表達(dá)。小鼠新生兒的眼結(jié)膜下注射BMP4蛋白表現(xiàn)出與β-catenin 條件性敲除相似的表型。并且，Bmp4和β-catenin 雙敲除小鼠（Bmp4cKO Ctnnb1cKO）表現(xiàn)出正常的角膜上皮層化過程。此外，ChIP和熒光素酶實(shí)驗(yàn)也表明β-catenin直接結(jié)合并抑制Bmp4啟動(dòng)子的活性。這些數(shù)據(jù)表明Wnt/β-catenin信號(hào)通路通過對(duì)Bmp4分子的調(diào)控，在角膜形成過程和上皮分層中起著關(guān)鍵的作用[7]。

3 Wnt/β-catenin信號(hào)通路在牙齒早期發(fā)育中的作用

在小鼠當(dāng)中，牙齒的發(fā)育開始于胚胎期E11.5天牙上皮的增厚形成牙基板結(jié)構(gòu)，然后繼續(xù)增殖，在E12.5到E13.5天嵌入相鄰的間質(zhì)形成上皮芽結(jié)構(gòu)。在第E14.5天，牙齒的發(fā)育進(jìn)入帽狀期，伴隨著牙上皮中釉結(jié)形成，牙尖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。E16.5天開始進(jìn)入鐘狀期，造釉細(xì)胞和成牙質(zhì)細(xì)胞開始分化。這些過程是在多個(gè)信號(hào)通路家族的精確調(diào)控下進(jìn)行的，這些信號(hào)分子包括成骨蛋白家族（BMPs）、成纖維生長(zhǎng)因子家族（FGFs）、Shh蛋白和Wnt蛋白信號(hào)通路[8]。關(guān)于Wnt通路在牙齒發(fā)生過程中的重要作用已經(jīng)有很詳盡的研究。研究表明，牙上皮細(xì)胞表達(dá)很多Wnt配體蛋白分子。當(dāng)在牙上皮細(xì)胞或者間質(zhì)細(xì)胞中失活β-catenin基因，牙齒的發(fā)育則停滯于芽狀期[9]。

2014年，Yuan等發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號(hào)通路在牙齒早期發(fā)育過程中起著調(diào)控牙上皮細(xì)胞命運(yùn)決定和增殖的作用。作者利用Noggin（Nog）基因過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠模型，發(fā)現(xiàn)Nog基因可以抑制Wnt/β-catenin通路的信號(hào)傳導(dǎo)，導(dǎo)致Pitx2的表達(dá)缺失。免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)和TOPflash assay顯示Nog與Wnts直接結(jié)合，以阻止Wnt/β-catenin信號(hào)通路的功能傳遞。遺傳拯救實(shí)驗(yàn)也證明BMP和Wnt信號(hào)通路對(duì)牙齒上皮細(xì)胞增殖有促進(jìn)作用，而Wnt信號(hào)也控制著牙齒的命運(yùn)決定[10]。2017年，Ahn等在小鼠的牙齒發(fā)育過程中進(jìn)行了一系列的遺傳學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了Lrp4分子在牙齒發(fā)育過程中新的調(diào)控機(jī)制。Lrp4和Wnt分子的共受體Lrp5和Lrp6結(jié)構(gòu)上非常類似，并可以通過直接結(jié)合Wnt的拮抗分子Wise和Sost來(lái)調(diào)控Wnt信號(hào)通路的活性。其遺傳學(xué)證據(jù)表明，Lrp4也可以通過一種Wise和Sost非依賴的方式調(diào)控Wnt/β-catenin通路的信號(hào)傳遞。另外一種攜帶了喪失了Sost結(jié)合能力的Lrp4基因點(diǎn)突變小鼠模型也進(jìn)一步證明Lrp4在調(diào)控牙齒發(fā)育時(shí)候功能的多樣性。同時(shí)，嵌合受體分析實(shí)驗(yàn)也表明Lrp4細(xì)胞外域與Wnt配體的直接相互作用[11]。endprint

4 Wnt/β-catenin信號(hào)通路在造血干細(xì)胞的發(fā)生中的作用

造血干細(xì)胞（HSCs）是在胚胎期從一種存在于主動(dòng)脈血管內(nèi)皮樣細(xì)胞的細(xì)胞群中產(chǎn)生[12]。β-catenin的條件性敲除會(huì)損害造血干細(xì)胞的自我更新能力[13]，但是在骨髓當(dāng)中誘導(dǎo)性敲除β-catenin卻沒有表現(xiàn)出來(lái)相同的作用[14]。后續(xù)研究表明，在體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，外源性激活Wnt/β-catenin通路促進(jìn)造血干細(xì)胞的增殖能力；但是體內(nèi)β-catenin獲得性功能突變實(shí)驗(yàn)卻導(dǎo)致造血干細(xì)胞的活性耗竭[15]。以上結(jié)果提示W(wǎng)nt/β-catenin信號(hào)通路的活性在維持造血干細(xì)胞的功能和狀態(tài)的時(shí)候需要精確的調(diào)控以維持功能的平衡。

2012年，Cristina等發(fā)現(xiàn)在小鼠體內(nèi)的主動(dòng)脈-性腺-中腎區(qū)（aorta-gonad-mesonephros region，AGM），Wnt/β-catenin的一過性表達(dá)對(duì)產(chǎn)生持久性造血干細(xì)胞是必要的，并且在體外從AGM內(nèi)皮前體細(xì)胞誘導(dǎo)生成造血細(xì)胞中也是必需的。在胚胎的內(nèi)皮細(xì)胞階段將β-catenin的基因敲除，會(huì)阻礙造血細(xì)胞譜系的發(fā)育；但是在胚胎期造血細(xì)胞中敲除β-catenin，則沒有這種作用。說明Wnt/β-catenin信號(hào)分子對(duì)胚胎發(fā)育中造血干細(xì)胞的生成起著重要作用，但是對(duì)造血干細(xì)胞的維持沒有作用[16]。

5 Wnt/β-catenin信號(hào)通路在疾病中的作用的研究進(jìn)展

Wnt/β-catenin信號(hào)調(diào)控細(xì)胞的增殖和命運(yùn)決定，在各種組織、器官的生長(zhǎng)發(fā)育和成體的體內(nèi)平衡過程中扮演著關(guān)鍵的角色，因此異常的Wnt信號(hào)與很多遺傳性疾病、退行性疾病和癌癥緊密相關(guān)[17，18]。

研究發(fā)現(xiàn)FZD4和LRP5的突變和家族性滲出性玻璃體視網(wǎng)膜病變（familial exudative vitreoretinopathy）息息相關(guān)[19]。Wnt/β-catenin信號(hào)也在骨的生成中起著重要調(diào)控作用。Gong等發(fā)現(xiàn)病人中LRP5的突變會(huì)導(dǎo)致假神經(jīng)膠質(zhì)瘤性骨質(zhì)疏松癥（OPPG）的高發(fā)[20]。相反，Boyden等發(fā)現(xiàn)在骨高密度癥病人當(dāng)中攜帶有LRP5高活性的突變位點(diǎn)，這些突變位點(diǎn)集中在LRP5胞外區(qū)域，使LRP5不被SOST和DKK1所結(jié)合和抑制[21]。巧合的是，在硬化性骨化病，一種類似骨高密度癥的病人中也發(fā)現(xiàn)攜帶SOST的功能失活突變。因此，現(xiàn)在以LRP5/6，SOST和DKK1為靶點(diǎn)的藥物在骨異常相關(guān)的疾病中正在被測(cè)試，其中有些已經(jīng)取得了積極的結(jié)果[22]。

Wnt/β-catenin信號(hào)通路在腫瘤發(fā)生中的作用也得到了詳細(xì)的研究。研究發(fā)現(xiàn)，由于APC功能缺失突變或者β-catenin自身突變而導(dǎo)致降解受阻，從而引起β-catenin的過度激活，最終導(dǎo)致干細(xì)胞的異常增殖和癌癥的發(fā)生[23]。2009年，F(xiàn)uchs等發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞中APC缺失或者β-catenin過度激活確實(shí)會(huì)導(dǎo)致腸道腫瘤的發(fā)生。APC的突變也是家族性腺瘤性息肉病（Familial Adenomatous Polyposis）的致病機(jī)理，患者在幼兒時(shí)期即高發(fā)大量的結(jié)腸腺瘤和息肉[24]。在急性骨髓性白血病（AML）中，Wang等發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號(hào)是來(lái)源于粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞前體細(xì)胞（GMP）的白血病干細(xì)胞（LSCs）自我更新必需的。在正常的GMP細(xì)胞當(dāng)中沒有β-catenin的表達(dá)，β-catenin的重新表達(dá)有助于GMP前體細(xì)胞轉(zhuǎn)化成白血病干細(xì)胞[25]。

2015年，Kwak等發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號(hào)通路在哮喘病人呼吸道重塑過程中發(fā)揮著重要作用。作者發(fā)現(xiàn)哮喘病人的痰液中Wnt7a的mRNA的量大大高于健康受試者。同樣，在誘導(dǎo)慢性哮喘小鼠模型當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)肺部Wnt家族的蛋白的大量分泌和β-catenin的高活性。利用siRNA降低β-catenin的表達(dá)量可以減緩氣管炎的發(fā)生和氣道重塑的進(jìn)程[26]。

6 展望

自從35年前發(fā)現(xiàn)Wnt1基因以來(lái)，Wnt/β-catenin信號(hào)通路已經(jīng)被證明在調(diào)控細(xì)胞增殖、細(xì)胞的命運(yùn)決定、組織和器官的發(fā)生發(fā)育過程中都起著重要的調(diào)控作用。隨著對(duì)Wnt/β-catenin信號(hào)通路的深入研究，對(duì)其認(rèn)識(shí)也在不斷的加深，各種復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)制揭示了其在發(fā)育過程中作用受到精確的調(diào)控；其功能的異常也和各種疾病，如遺傳性疾病、退行性疾病和癌癥的發(fā)生緊密相關(guān)。總之，對(duì)Wnt/β-catenin信號(hào)傳導(dǎo)和調(diào)控的機(jī)制更加深入的理解將對(duì)生物學(xué)研究和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)應(yīng)用產(chǎn)生廣泛的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]Nusse， R. and H.E. Varmus， Many tumors induced by the mouse mammary tumor virus contain a provirus integrated in the same region of the host genome. Cell，1982.31（1）：p.99-109.

[2]Rijsewijk， F.， et al.， The Drosophila Homolog of the Mouse Mammary Oncogene Int-1 Is Identical to the Segment Polarity Gene Wingless. Cell，1987.50（4）：p.649-657.

[3]MacDonald， B.T.， K. Tamai， and X. He， Wnt/beta-Catenin Signaling： Components， Mechanisms， and Diseases. Developmental Cell，2009.17（1）：p.9-26.

[4]Clevers， H.， Wnt/beta-catenin signaling in development and disease. Cell，2006.127（3）：p.469-480.endprint

[5]Fujimura， N.， WNT/beta-Catenin Signaling in Vertebrate Eye Development. Front Cell Dev Biol，2016.4：p.138.

[6]Smith， A.N.， et al.， The duality of beta-catenin function： a requirement in lens morphogenesis and signaling suppression of lens fate in periocular ectoderm. Dev Biol， 2005.285（2）：p.477-89.

[7]Zhang， Y.， et al.， Wnt/beta-catenin signaling modulates corneal epithelium stratification via inhibition of Bmp4 during mouse development. Development，2015.142（19）：p. 3383-93.

[8]Tummers， M. and I. Thesleff， The Importance of Signal Pathway Modulation in all Aspects of Tooth Development. Journal of Experimental Zoology Part B-Molecular and Developmental Evolution，2009.312b（4）：p.309-319.

[9]Liu， F. and S.E. Millar， Wnt/beta-catenin signaling in oral tissue development and disease. J Dent Res，2010.89（4）：p.318-30.

[10]Yuan， G.H.， et al.， The non-canonical BMP and Wnt/beta-catenin signaling pathways orchestrate early tooth development. Development，2015.142（1）：p.128-139.

[11]Ahn， Y.， et al.， Multiple modes of Lrp4 function in modulation of Wnt/beta-catenin signaling during tooth development. Development，2017.144（15）：p.2824-2836.

[12]Dzierzak， E. and N.A. Speck， Of lineage and legacy： the development of mammalian hematopoietic stem cells. Nat Immunol，2008.9（2）：p.129-36.

[13]Reya， T.， et al.， A role for Wnt signalling in self-renewal of haematopoietic stem cells. Nature，2003.423（6938）：p.409-14.

[14]Jeannet， G.， et al.， Long-term， multilineage hematopoiesis occurs in the combined absence of beta-catenin and gamma-catenin. Blood，2008.111（1）：p.142-9.

[15]Goessling， W.， et al.， Genetic interaction of PGE2 and Wnt signaling regulates developmental specification of stem cells and regeneration. Cell，2009.136（6）：p.1136-47.

[16]Ruiz-Herguido， C.， et al.， Hematopoietic stem cell development requires transient Wnt/beta-catenin activity. J Exp Med，2012.209（8）：p.1457-68.

[17]Wan， W.， et al.， The role of Wnt signaling in the development of Alzheimer's disease： a potential therapeutic target？ Biomed Res Int，2014.2014：p.301575.

[18]Yang， Y.Z.， Wnt signaling in development and disease. Cell and Bioscience，2012.2.

[19]Toomes， C.， et al.， Mutations in LRP5 or FZD4 underlie the common familial exudative vitreoretinopathy locus on chromosome 11q. Am J Hum Genet，2004.74（4）：p.721-30.

[20]Gong， Y.， et al.， LDL receptor-related protein 5 （LRP5） affects bone accrual and eye development. Cell，2001.107（4）：p.513-23.

[21]Hofbauer， L.C.， B. Maisch， and J.R. Schaefer， High bone density due to a mutation in LDL-receptor-related protein 5. New England Journal of Medicine，2002.347（12）：p. 943-944.

[22]Bodine， P.V.， et al.， A small molecule inhibitor of the Wnt antagonist secreted frizzled-related protein-1 stimulates bone formation. Bone，2009.44（6）：p.1063-8.

[23]Polakis， P.， The many ways of Wnt in cancer. Curr Opin Genet Dev，2007.17（1）：p.45-51.

[24]Fuchs， E.， The tortoise and the hair： slow-cycling cells in the stem cell race. Cell，2009.137（5）：p.811-9.

[25]Wang， Y.Z.， et al.， The Wnt/beta-Catenin Pathway Is Required for the Development of Leukemia Stem Cells in AML. Science，2010.327（5973）：p.1650-1653.

[26]Kwak， H.J.， et al.， The Wnt/beta-catenin signaling pathway regulates the development of airway remodeling in patients with asthma. Exp Mol Med，2015.47：p.e198.endprint