平面細(xì)胞極性在晶狀體發(fā)育中的作用

陳奕嘉，李金燕，歐陽(yáng)帥，羅莉霞

0引言

細(xì)胞極性(cell polarity)是指細(xì)胞中的亞細(xì)胞(subcellular)結(jié)構(gòu)或者分子沿著某個(gè)或某幾個(gè)軸向呈不對(duì)稱分布，包括頂端-基底極性(apico-basal polarity，ABP)和平面細(xì)胞極性(planar cell polarity，PCP)[1-2]。晶狀體發(fā)育早期，胚胎細(xì)胞不同的分化命運(yùn)賦予了晶狀體特殊的“細(xì)胞極性”，這種細(xì)胞極性在晶狀體的發(fā)育過程中起到了重要的作用。在晶狀體發(fā)育過程中，PCP的形成是決定晶狀體正常形態(tài)和透明度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其對(duì)晶狀體上皮細(xì)胞的延長(zhǎng)和纖維細(xì)胞的規(guī)律排列起重要作用[3]。本文結(jié)合目前該領(lǐng)域研究進(jìn)展就PCP在維持晶狀體的正常發(fā)育中的作用進(jìn)行詳細(xì)綜述。

1 PCP的建立

PCP指極性細(xì)胞在同一組織平面上統(tǒng)一的規(guī)則排列，其方向與ABP方向垂直[2]。PCP主要由兩個(gè)分子系統(tǒng)調(diào)控，包括“核心(core)”和“Fat-Dachsous(Ft-Ds)”PCP通路[4]。近幾年來，普遍認(rèn)為PCP的建立由三個(gè)部分組成：(1)整體的極性信號(hào)；(2)特異性極性蛋白的不對(duì)稱分布；(3)極性信息的輸出[4-5]。最新的一項(xiàng)假設(shè)提出，與ABP僅涉及單個(gè)細(xì)胞內(nèi)分子的分布調(diào)控不同，PCP通路導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的分子不對(duì)稱分布，結(jié)果進(jìn)一步影響相鄰細(xì)胞的極性方向，從而使多個(gè)細(xì)胞間極性方向一致[6]。

1.1 PCP成分的不對(duì)稱性PCP成分的不對(duì)稱分布是建立PCP的基礎(chǔ)。PCP成分的不對(duì)稱性一旦消失或隨機(jī)排列，可使細(xì)胞極性紊亂、細(xì)胞結(jié)構(gòu)沿組織軸錯(cuò)位[7]。這種不對(duì)稱分布在脊椎動(dòng)物的器官發(fā)生過程中表現(xiàn)并不總是那么明顯，但在個(gè)別器官如腎臟中仍然可以觀察到[8-9]。

“核心”PCP通路由多通道跨膜蛋白Frizzled(Fz)、Van Gogh(Vang；脊椎動(dòng)物中為Vang-like/Vangl)和Starry night(Flamingo/Fmi；脊椎動(dòng)物中為Celsr)以及胞質(zhì)成分Dishevelled(Dsh；哺乳動(dòng)物中為Dvl)、Diego(Dgo；脊椎動(dòng)物中為Inversin/Diversin)和Prickle(Pk)組成，它們的分布呈高度保守，即細(xì)胞的一側(cè)分布Fz、Dsh和Dgo，另一側(cè)分布Vang和Pk[10-12]，F(xiàn)mi位于細(xì)胞兩側(cè)，并在相鄰細(xì)胞之間形成二聚體連接Fz和Vang[13]。眾所周知，極性蛋白的不對(duì)稱分布是細(xì)胞極性形成的必要條件。在細(xì)胞中，上述蛋白質(zhì)分別組合為Fz-Dsh-Fmi和Vang-Pk-Fmi兩種復(fù)合體，呈不對(duì)稱分布。這種不對(duì)稱分布依賴于它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)的相互排斥以及在細(xì)胞間的相互作用[14]。

Ft-Ds通路的成分包括鈣粘蛋白Fat(Ft)和Dachsous(Ds)以及高爾基體固有跨膜激酶Four-jointed(Fj)[15]。Ft和Ds分別聚集在細(xì)胞的對(duì)立兩側(cè)，也呈不對(duì)稱分布。與Wnt/PCP系統(tǒng)不同的是，Ds和Fj在果蠅翅膀上的分布呈相反的濃度梯度，F(xiàn)j在翅原基(wing disc)濃度最高，并隨徑向距離線性減少，而Ds的分布濃度隨成形素(morphogen)濃度變化而變化，但始終在翅膀最狹窄的部位保持最高濃度[16]。

1.2整體極性信號(hào)整體的極性信號(hào)是形成PCP的前提，但它們的性質(zhì)以及在組織中如何協(xié)調(diào)極性等關(guān)鍵問題一直尚未解決[5，17]。有證據(jù)表明，組織中的機(jī)械力以及細(xì)胞重排可引起細(xì)胞沿組織軸規(guī)則排列[18-19]。此外，極性信號(hào)分子濃度梯度的形成在提供極性信號(hào)方面也起著關(guān)鍵作用[5，20]。

目前認(rèn)為，Wnt蛋白家族為其中一種整體極性信號(hào)分子，但仍有很多尚未解決的問題。Wnt蛋白家族與Fz家族受體(以及其他受體)結(jié)合，使膜受體Fz形成活性梯度，為PCP提供方向信息[21]?，F(xiàn)已證實(shí)，Wnt5a、Wnt7a和Wnt11可以調(diào)控脊椎動(dòng)物的PCP[22-23]，但這一過程是否具有必要性尚不清楚。最新研究表明，在同一水平面上，Wnt5a沿前-后極形成從低到高的濃度梯度，可使細(xì)胞極化，從而引導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)PCP蛋白的極性分布[24]。

Ft-Ds-Fj和核心PCP信號(hào)是平行關(guān)系還是上下游關(guān)系一直存在爭(zhēng)議[25-26]。研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物中Dchs1和Fat4的同源基因都可以影響PCP通路[27]，人類Fat4甚至可以挽救因果蠅Ft突變產(chǎn)生的PCP異常表型[28]。以上觀點(diǎn)表明，F(xiàn)t-Ds-Fj也為PCP提供了整體的極性信號(hào)。但最新研究表明，在果蠅腹部雖然發(fā)現(xiàn)Ft-Ds-Fj和核心PCP通路之間存在共同調(diào)控基因，但這兩個(gè)通路是互相獨(dú)立的，不存在上下游關(guān)系[29]。

1.3極性信息的輸出通常細(xì)胞的信號(hào)輸出需要依靠核糖核酸(ribonucleic acid，RNA)的轉(zhuǎn)錄，但目前尚未發(fā)現(xiàn)PCP信號(hào)的效應(yīng)依賴于轉(zhuǎn)錄過程。目前研究認(rèn)為，極性信息可通過對(duì)細(xì)胞骨架動(dòng)力和頂端肌動(dòng)球蛋白收縮力的調(diào)控、驅(qū)動(dòng)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生效應(yīng)。

Wnt蛋白家族至少可以通過兩條途徑來激活下游效應(yīng)分子(包括小G蛋白、Rac、Rho、JNK等)，從而調(diào)動(dòng)骨架蛋白。Wnt配體與細(xì)胞表面的Fzd受體結(jié)合后，Dvl被招募到細(xì)胞膜[30]。隨后，Dvl繼續(xù)招募細(xì)胞質(zhì)蛋白(如Daam)，這些蛋白促進(jìn)GTPases的激活，并通過Rho激酶(ROCK)使得肌球蛋白輕鏈(pMLC)激活肌球蛋白，使肌球蛋白相關(guān)的粘著連接沿著一定方向開始收縮，引起細(xì)胞的定向運(yùn)動(dòng)[31]。此外，在Wnt5a誘導(dǎo)下，F(xiàn)zd與Ror2形成復(fù)合物，Dvl2磷酸化并聚合，隨后激活JNK磷酸化關(guān)鍵肌動(dòng)蛋白調(diào)節(jié)因子，從而引起細(xì)胞的定向運(yùn)動(dòng)[32-33]。

然而，F(xiàn)t-Ds-Fj究竟是如何建立極性，目前尚不清楚。有研究認(rèn)為，F(xiàn)t可通過調(diào)控非經(jīng)典肌球蛋白Dachs的膜定位而建立極性[34]。此外，F(xiàn)t還可以和Atrophin結(jié)合，共同調(diào)節(jié)微管組織中心的平面排列，使極化細(xì)胞定向遷移[35-36]。

2 PCP在晶狀體發(fā)育中的作用

現(xiàn)已證實(shí)，PCP在晶狀體發(fā)育中起重要作用[37]。研究表明，在無脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物中，中心粒/纖毛的不對(duì)稱分布是PCP通路在晶狀體生長(zhǎng)發(fā)育中起作用的有力證據(jù)[38]。晶狀體的發(fā)育分為晶狀體泡的產(chǎn)生和晶狀體纖維的分化兩個(gè)階段。其中，晶狀體細(xì)胞形態(tài)的分化依賴肌動(dòng)蛋白、微管等多種細(xì)胞骨架成分的參與[39]。在脊椎動(dòng)物中，盡管Ft-Ds-Fj在某些器官(如腎臟)形態(tài)形成方面起作用，但其在PCP過程中是否真正發(fā)揮作用的證據(jù)相當(dāng)有限[40-41]，尚需進(jìn)一步探索。

2.1晶狀體泡的形成從胚胎第22d開始，小鼠間腦前部?jī)蓚?cè)的神經(jīng)褶不斷內(nèi)陷形成視泡(optic vesicle)；胚胎第31d左右，視泡與表皮外胚層接觸，接觸部位的表皮外胚層增厚形成晶狀體板(lens placode)；隨后晶狀體板內(nèi)陷，形成晶狀體杯(lens pit)，并逐漸脫離表皮外胚層；胚胎第33d，晶狀體杯完全脫離表皮外胚層，形成晶狀體泡(lens vesicle)[37，42]。晶狀體板內(nèi)陷的分子機(jī)制已經(jīng)有了不少相關(guān)研究。在晶狀體杯中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞粘著連接復(fù)合物(adherence junction complexes，AJC)，其由參與肌動(dòng)球蛋白收縮的分子RhoA、Rock、Shroom3和p120-catenin組成，上述分子與肌動(dòng)球蛋白和鈣粘蛋白連接，通過磷酸化并激活非肌球蛋白，導(dǎo)致頂端細(xì)胞間的連接長(zhǎng)度減少，最終引起晶狀體杯頂端收縮(apical constriction)。另外，AJC在晶狀體杯中呈平面極性分布[43]，與晶狀體基板的形態(tài)發(fā)生有關(guān)。Muccioli等[44]發(fā)現(xiàn)在晶狀體板開始內(nèi)陷時(shí)，基板細(xì)胞極性方向一致，統(tǒng)一朝向晶狀體板的中心點(diǎn)，共同拮抗Cdc42介導(dǎo)的連接收縮(junctional contraction)。

2.2晶狀體纖維細(xì)胞的分化晶狀體泡形成后，前部細(xì)胞逐漸分化為晶狀體上皮細(xì)胞。后部上皮細(xì)胞向前部伸長(zhǎng)，分化成初級(jí)晶狀體纖維，從而逐漸將晶狀體泡填滿[45]。在出生后的晶狀體中，只有在赤道部生發(fā)區(qū)的上皮細(xì)胞才有增殖和分化能力，這些細(xì)胞可以不斷增殖并分化成次級(jí)晶狀體纖維[42]。成熟晶狀體的前部覆蓋著一層單層上皮細(xì)胞，其余部位均分布不同分化階段的纖維細(xì)胞。次級(jí)晶狀體纖維在伸長(zhǎng)和分化過程中，逐漸失去所有細(xì)胞器，形成高度對(duì)稱的細(xì)胞結(jié)構(gòu)[46]。

晶狀體上皮細(xì)胞的正常形態(tài)是其分化為晶狀體纖維細(xì)胞的基本前提條件。同時(shí)，上皮細(xì)胞在維持晶狀體形態(tài)和透明度中也起關(guān)鍵作用。有研究發(fā)現(xiàn)，在Sfrp2過表達(dá)小鼠的晶狀體中，呈六邊形的正常中央上皮細(xì)胞減少，方形或三角形排列的上皮細(xì)胞增多。Smurf可以調(diào)節(jié)核心PCP通路，其中Smurf2在調(diào)節(jié)PCP方面的作用更為顯著[47]。Narimatsu等[48]發(fā)現(xiàn)Smurf2敲除后，小鼠出現(xiàn)一系列PCP缺陷的現(xiàn)象，包括上皮細(xì)胞六邊形形態(tài)的破壞。最新研究表明，F(xiàn)mi對(duì)于上皮細(xì)胞正常形態(tài)的形成也是必不可少的[49]。此外，Chauhan等[50]發(fā)現(xiàn)，PCP通路效應(yīng)分子Rac1和RhoA的相互拮抗作用決定了小鼠晶狀體發(fā)育模型中上皮細(xì)胞的形狀和晶狀體曲率，RhoA和Rac1分別平衡調(diào)節(jié)細(xì)胞的寬度和長(zhǎng)度，共同決定了晶狀體上皮細(xì)胞的形態(tài)。

晶狀體上皮細(xì)胞分化為纖維細(xì)胞的過程由許多生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)，其中成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(FGF)是關(guān)鍵的誘導(dǎo)因子，其在整個(gè)生命過程中負(fù)責(zé)建立并維持晶狀體的細(xì)胞極性[51-52]。FGF主要通過與特定的細(xì)胞表面受體酪氨酸激酶(RTK)結(jié)合而發(fā)揮作用。Sef、Sprouty(Spry)和Spred都是關(guān)鍵的RTK拮抗劑，因此可作為FGF的抑制劑[53]。研究指出，Sef、Spry和Spred可通過影響FGF信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)而影響晶狀體纖維細(xì)胞的分化，從而影響后續(xù)PCP的建立和晶狀體的正常發(fā)育。晶狀體中過表達(dá)Sef后，初級(jí)和次級(jí)纖維細(xì)胞伸長(zhǎng)過程被破壞，使晶狀體表型變小[54]。同樣，Spry過表達(dá)影響了小鼠晶狀體纖維細(xì)胞的分化，從而導(dǎo)致晶狀體變小[55]。另外，絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細(xì)胞外調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/2)信號(hào)通路的磷酸化及激活是FGF誘導(dǎo)的晶狀體纖維分化所必需的。研究發(fā)現(xiàn)，Spred和Spry激活可以抑制ERK1/2的磷酸化，以阻斷FGF在晶狀體細(xì)胞中的信號(hào)傳導(dǎo)[56-57]。由此推測(cè)，當(dāng)纖維細(xì)胞需要激活更多ERK1/2來進(jìn)行分化時(shí)，會(huì)下調(diào)或減少纖維細(xì)胞中Spred的表達(dá)，以繼續(xù)細(xì)胞極性的形成以及晶狀體的發(fā)育[57]。

晶狀體上皮細(xì)胞和纖維細(xì)胞的分布區(qū)域受到嚴(yán)格的調(diào)控，以維持晶狀體在生長(zhǎng)和老化期間的大小。正常晶狀體上皮細(xì)胞必須局限于晶狀體的前表面[58]。Jones等[59]選擇性敲除小鼠睫狀體色素上皮中原纖蛋白Fbn1后，在異位晶狀體中發(fā)現(xiàn)，上皮細(xì)胞過度生長(zhǎng)，分布于整個(gè)晶狀體，且前后表面均覆有增殖能力的細(xì)胞，認(rèn)為異位晶狀體的組織極性受到干擾，同時(shí)所有突變小鼠中的晶狀體均小于同年齡匹配組。提示我們極性與晶狀體大小之間可能存在關(guān)系。

2.3細(xì)胞骨架的調(diào)控PCP下游信號(hào)分子Rho GTPase家族分子(如Rho、Rac、Cdc42)是調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移的核心元件[60]，在小鼠晶狀體中敲除RhoA和Rac1會(huì)引起纖維肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的紊亂，從而干擾晶狀體細(xì)胞極性信號(hào)的輸出，使得晶狀體出現(xiàn)發(fā)育缺陷。Maddala等[61]發(fā)現(xiàn)，Rac1敲除的小鼠晶狀體形態(tài)嚴(yán)重異常，其中肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架缺陷伴有Rac GTPase效應(yīng)蛋白表達(dá)下調(diào)，提示Rac GTPase通過調(diào)控肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架，在晶狀體形態(tài)的建立和維持中起重要作用。Sahu等[62]成功構(gòu)建了Rac/Rho下游效應(yīng)器RLIP76過表達(dá)小鼠，發(fā)現(xiàn)小鼠晶狀體的正常發(fā)育受損，體積較正常晶狀體小，猜想是由于肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架被破壞而引起。由此可見，PCP下游信號(hào)分子在晶狀體的發(fā)育和成熟過程中起著重要作用。

3問題與展望

晶狀體細(xì)胞的增殖和分化是一個(gè)受到各通路精細(xì)調(diào)控的復(fù)雜生物學(xué)過程，多種信號(hào)分子及其構(gòu)成的通路網(wǎng)絡(luò)參與調(diào)控。隨著對(duì)關(guān)鍵生長(zhǎng)因子信號(hào)通路及其在晶狀體發(fā)育過程中的認(rèn)識(shí)不斷加深，我們面臨著尋找新的角度來解讀這些信號(hào)通路的挑戰(zhàn)。然而，目前對(duì)晶狀體中PCP信號(hào)通路的研究較少。PCP信號(hào)通路對(duì)晶狀體細(xì)胞的規(guī)則排列起著重要作用，對(duì)晶狀體的透明度、曲率、大小的維持起到關(guān)鍵作用。晶狀體透明度和正常形態(tài)都是形成良好視覺質(zhì)量的必要前提。由于PCP信號(hào)通路對(duì)晶狀體發(fā)育的每一個(gè)過程都有著精確調(diào)控作用，所以對(duì)PCP信號(hào)通路中各種蛋白相互作用的分子機(jī)制仍需進(jìn)一步探索闡明。PCP信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路下游效應(yīng)分子之間是如何協(xié)同或獨(dú)立發(fā)揮作用？Wnt/PCP信號(hào)通路如何與其他信號(hào)通路協(xié)同作用，調(diào)控晶狀體正常發(fā)育？整體極性信號(hào)的具體調(diào)控機(jī)制有哪些？上述問題均需要深入研究，從而在更深層次闡明PCP對(duì)晶狀體發(fā)育的調(diào)控機(jī)制。這些問題對(duì)于解決晶狀體疾病有著重大意義，同時(shí)，也有望成為研究如何完善再生晶狀體的新方向。