基于Wnt/β-catenin信號通路的髓鞘發(fā)育及再生研究進(jìn)展

孫 瑩 梁曉春 宋 瑋

髓鞘作為有髓神經(jīng)的基本結(jié)構(gòu)，使神經(jīng)外部的復(fù)雜環(huán)境與神經(jīng)內(nèi)部的軸突隔離、絕緣開來，從而保證神經(jīng)沖動(dòng)的快速、跳躍式傳導(dǎo)，同時(shí)也對神經(jīng)元軸突起到營養(yǎng)、支持等作用，對于維持有髓神經(jīng)纖維的正常功能、促進(jìn)神經(jīng)再生具有重要意義。髓鞘發(fā)育不全或髓鞘脫失會(huì)直接導(dǎo)致神經(jīng)結(jié)構(gòu)損傷和功能失常，髓鞘的完整性保證了神經(jīng)在損傷后的修復(fù)和再生[1]。Wnt/β-catenin信號通路又稱經(jīng)典Wnt信號通路，細(xì)胞的增殖、分化、凋亡和遷移等都受到Wnt/β-catenin信號通路的影響，涉及到胚胎發(fā)育、組織穩(wěn)態(tài)、腫瘤形成等多種生物學(xué)過程[2,3]。越來越多的研究表明，Wnt/β-catenin信號通路也是神經(jīng)髓鞘發(fā)育及再生過程中的關(guān)鍵調(diào)控環(huán)節(jié)。因此，本文綜述了近年來關(guān)于該信號通路在髓鞘發(fā)育和再生中的作用的研究進(jìn)展。

一、Wnt/β-catenin信號通路概況

Wnt信號通路家族作為一個(gè)極為復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)，是控制細(xì)胞命運(yùn)的基礎(chǔ)通路，對于維持組織發(fā)育的內(nèi)穩(wěn)態(tài)具有重要作用。Nusslein-Volhard等[2]早在1980年便發(fā)現(xiàn)int-1基因片段出現(xiàn)在果蠅的突變基因中，Nusse等[3]又在1991年把wingless和int合并稱為Wnt，也就是目前Wnt細(xì)胞外配體的統(tǒng)稱。至今，共有4條Wnt通路被發(fā)現(xiàn)，其中研究最為廣泛的Wnt/β-catenin 信號通路也被成為經(jīng)典Wnt通路。Wnt/β-catenin信號通路存在抑制(off)和激活(on)兩種狀態(tài)。在缺少Wnt配體時(shí)，Wnt/β-catenin通路處于抑制狀態(tài)。此時(shí)，β-連環(huán)蛋白(β-catenin)和細(xì)胞表面的E-鈣黏蛋白發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定復(fù)合物并黏著細(xì)胞。APC、axin2、GSK-3β等蛋白則與進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部的β-catenin形成復(fù)合物，β-catenin繼而通過泛素化和磷酸化后被降解。在細(xì)胞核內(nèi)，轉(zhuǎn)錄因子TCF的抑制蛋白與TCF呈結(jié)合狀態(tài)，從而抑制目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。而當(dāng)源于旁分泌的Wnt配體與細(xì)胞表面的Frizzled受體特異性地結(jié)合后，相鄰的LRP5/6家族蛋白亦會(huì)被激活，Wnt/β-catenin信號通路進(jìn)入激活狀態(tài)。一旦Wnt/β-catenin通路被激活，細(xì)胞內(nèi)游離的β-catenin含量上升并在細(xì)胞核內(nèi)積累，與TCF/LEF家族轉(zhuǎn)錄因子形成復(fù)合物以激活Wnt靶基因的轉(zhuǎn)錄[3]。雖然Wnt信號通路是一個(gè)進(jìn)化相對保守的信號途徑，但2019年一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)典Wnt信號途徑中一部分β-catenin能夠不依賴TCF/LEF轉(zhuǎn)錄因子而發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活性，調(diào)控靶基因表達(dá)[4]。

二、Wnt/β-catenin信號通路在中樞神經(jīng)髓鞘發(fā)育及再生中的作用

少突膠質(zhì)細(xì)胞(oligodendrocyte)是形成中樞神經(jīng)系統(tǒng)髓鞘的主要來源，經(jīng)少突膠質(zhì)細(xì)胞祖細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞前體細(xì)胞等階段發(fā)育成熟，排列于有髓神經(jīng)纖維之間[5]。研究發(fā)現(xiàn)，Wnt信號通路(尤其是Wnt/β-catenin信號通路)是中樞神經(jīng)髓鞘中細(xì)胞增殖、分化、成熟等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的重要通路[6,7]。但是，對于Wnt/β-catenin通路的激活究竟是抑制還是促進(jìn)了中樞神經(jīng)髓鞘的發(fā)育和再生，不同研究得到的主要結(jié)論不盡相同，以下分別進(jìn)行闡述。

1.抑制作用：2009年，F(xiàn)ancy等[8]在少突膠質(zhì)細(xì)胞系和多發(fā)硬化小鼠中均發(fā)現(xiàn)，β-catenin的核膜受體TCF4/TCF7L2的表達(dá)量升高時(shí)，少突膠質(zhì)前體細(xì)胞的分化減少，從而推測Wnt/β-catenin通路的激活會(huì)抑制髓鞘的發(fā)育。進(jìn)而該研究團(tuán)隊(duì)分別在新生小鼠和成年脫髓鞘小鼠的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，通過促進(jìn)β-catenin的磷酸化降解從而抑制Wnt/β-catenin通路，結(jié)果發(fā)現(xiàn)少突膠質(zhì)前體細(xì)胞的分化能力顯著增強(qiáng)。對于β-catenin高表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠，其中樞神經(jīng)的軸索直徑顯著小于正常組小鼠，上述結(jié)果均表明該通路的激活抑制了中樞神經(jīng)髓鞘的發(fā)育和再生[9]。隨后，F(xiàn)eigenson等[10]和Lee等[11]先后通過體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入Wnt/β-catenin信號通路配體Wnt3a的激動(dòng)劑后，少突膠質(zhì)前體細(xì)胞分化的GalC+及堿性髓鞘蛋白的含量均明顯減少；而抑制Wnt/β-catenin信號通路，則可促進(jìn)少突膠質(zhì)前體細(xì)胞的分化，從而促進(jìn)中樞神經(jīng)髓鞘的再生。Preisner等[12]也通過體外研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)少突膠質(zhì)細(xì)胞及其前體細(xì)胞中的GSK-3β表達(dá)受到抑制后，24h內(nèi)該細(xì)胞的增殖和分化明顯增多，但是實(shí)驗(yàn)進(jìn)行48h后，對照組和實(shí)驗(yàn)組的數(shù)據(jù)基本持平。Yuen等[13]的研究也得出了一致的結(jié)論，即Wnt/β-catenin 信號通路的激活對少突膠質(zhì)前體細(xì)胞的分化和成熟具有抑制作用。

2.促進(jìn)作用：后續(xù)更多研究與以上幾項(xiàng)研究得到的結(jié)論相反，認(rèn)為Wnt/β-catenin信號通路被激活反而能夠促進(jìn)少突膠質(zhì)細(xì)胞的增殖、分化。例如，Lie等[14]發(fā)表在《Nature》上的一項(xiàng)研究認(rèn)為，Wnt/β-catenin信號通路在成年哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中海馬神經(jīng)元(adult hippocampal stem/progenitor cells, AHPs)的生成過程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。該團(tuán)隊(duì)通過體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Wnt3蛋白的過表達(dá)會(huì)激活Wnt/β-catenin信號通路，繼而促進(jìn)AHPs的神經(jīng)再生；破壞Wnt/β-catenin通路的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)則幾乎徹底阻斷了AHPs的再生。在體外模型中，破壞該通路的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)亦會(huì)顯著降低AHPs的生成。此外，Ortega等[15]通過連續(xù)實(shí)時(shí)成像和單細(xì)胞追蹤等技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在成年大鼠的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，少突膠質(zhì)前體細(xì)胞及處于早期的少突膠質(zhì)細(xì)胞的增殖會(huì)隨著Wnt/β-catenin信號通路的激活而增強(qiáng)。隨后的體外實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了這一結(jié)果，向少突膠質(zhì)細(xì)胞系中添加Wnt1和Wnt3a配體以激活該通路后，少突膠質(zhì)前體細(xì)胞和早期少突膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)目顯著增加，細(xì)胞增殖能力增強(qiáng)；反之，抑制β-catenin的表達(dá)以抑制Wnt/β-catenin通路后，細(xì)胞增殖速率降低。

3.時(shí)間及空間特異性：也有一些研究對上述不同的結(jié)論進(jìn)行了進(jìn)一步闡釋，認(rèn)為Wnt/β-catenin通路的激活對于中樞神經(jīng)髓鞘發(fā)育再生的促進(jìn)作用，或與細(xì)胞所在的特定生命周期相關(guān)。例如，Hammond等[16]研究發(fā)現(xiàn)，少突膠質(zhì)細(xì)胞中β-catenin的核膜受體基因TCF2L7在細(xì)胞的有絲分裂后期會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)上調(diào)表達(dá)。該團(tuán)隊(duì)也進(jìn)一步采用TCF2L7基因敲除小鼠驗(yàn)證了TCF2L7正向作用于Wnt/β-catnin信號通路，促進(jìn)少突膠質(zhì)細(xì)胞增殖和分化，從而促進(jìn)新生小鼠的髓鞘生成。但該研究認(rèn)為，TCF2L7基因的作用主要是通過促進(jìn)少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化而促進(jìn)髓鞘生成；而在少突膠質(zhì)前體細(xì)胞中，TCF2L7并沒有起到正向調(diào)節(jié)作用，即該基因的作用與細(xì)胞所處生命周期密切相關(guān)。不過，Hammond等[16]同時(shí)發(fā)現(xiàn)，敲除APC基因繼而使TCF2L7基因的表達(dá)量下降后，Axin2、β-catenin等來自該信號通路家族的其他蛋白表達(dá)出現(xiàn)上調(diào)。因此，該研究提出TCF2L7的表達(dá)水平并不能作為髓鞘再生和發(fā)育的判斷依據(jù)，從而解釋了Fancy團(tuán)隊(duì)所得的相反結(jié)論[8,9]。此外，F(xiàn)u等[17]在病毒誘導(dǎo)的人腦神經(jīng)脫髓鞘組織中發(fā)現(xiàn)了TCF2L7表達(dá)上調(diào)的現(xiàn)象，表明Wnt/β-catenin通路被激活。但該研究認(rèn)為這一現(xiàn)象并不能證明該通路激活與腦組織脫髓鞘的因果關(guān)系。因?yàn)檫M(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，只有在髓鞘脫失部位，TCF2L7才呈現(xiàn)出高表達(dá)，而這些脫失部位的髓鞘再生活躍，這也可能是TCF2L7上調(diào)、Wnt/β-catenin通路激活所帶來的結(jié)果[18]。

三、Wnt/β-catenin信號通路在外周神經(jīng)系統(tǒng)髓鞘發(fā)育及再生中的作用

施萬細(xì)胞(Schwann′s cell)是外周神經(jīng)系統(tǒng)中有髓神經(jīng)髓鞘的主要來源，可表達(dá)分泌具有調(diào)節(jié)生長能力的髓磷脂蛋白，其中最為常見的包括外周髓鞘蛋白0(myelin protein zero，MPZ)和外周髓鞘蛋白22(peripheral myelin protein 22，PMP22)。Garbay等[19]的研究表明，嚙噬動(dòng)物出生后的21天內(nèi)，MPZ和PMP22呈高表達(dá)；21天后，隨著髓鞘的發(fā)育基本結(jié)束，這兩種蛋白隨之轉(zhuǎn)為低表達(dá)。而一旦外周神經(jīng)發(fā)生損傷、髓鞘發(fā)生脫失時(shí)，施萬細(xì)胞開始進(jìn)行增殖，隨后進(jìn)行分化，不斷對軸突進(jìn)行包圍，最終可以得到新髓鞘[6]。此時(shí)MPZ及PMP22的蛋白表達(dá)量又呈上升趨勢。因此這兩種蛋白常作為評價(jià)周圍神經(jīng)生長及修復(fù)情況的標(biāo)志性蛋白。

目前多數(shù)研究認(rèn)為，Wnt/β-catenin信號通路的激活是促進(jìn)周圍神經(jīng)生長發(fā)育的重要因素之一。Tawk等[20]研究認(rèn)為Wnt/β-catenin通路的激活在外周有髓神經(jīng)的髓鞘發(fā)育過程中也起到了重要的促進(jìn)作用。首先，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Wnt通路相關(guān)基因在小鼠原代施萬細(xì)胞中和在施萬細(xì)胞系中的表達(dá)量與MPZ和PMP22表達(dá)量呈正相關(guān)。其次，在新生小鼠的坐骨神經(jīng)組織中也觀察到了類似現(xiàn)象：神經(jīng)發(fā)育的初期，與β-catenin結(jié)合的T細(xì)胞因子(T-cell factor，TCF)的不同亞型TCF1、TCF3、TCF4等都在小鼠出生第6天時(shí)表達(dá)量升高，出生后20天達(dá)到峰值，而此過程中MPZ及PMP22的表達(dá)也相應(yīng)升高。最后，在小鼠施萬細(xì)胞系中，β-catenin基因的激活可使PMP22的表達(dá)量增加5倍之多；而該基因被敲除后，PMP22的表達(dá)量僅為此前的20%。另外，Shackleford等[21]研究發(fā)現(xiàn)，羥化膽固醇可以通過抑制Wnt/β-catenin信號通路而影響施萬細(xì)胞的增殖和分化，從而抑制周圍神經(jīng)髓鞘的再生。上述研究均表明，Wnt/β-catenin信號通路的激活可以促進(jìn)外周神經(jīng)系統(tǒng)有髓神經(jīng)的髓鞘發(fā)育。

四、展 望

在髓鞘發(fā)育和再生領(lǐng)域，Wnt/β-catenin信號通路的重要作用備受關(guān)注。然而，對于該通路的激活究竟如何影響髓鞘的發(fā)育和再生過程，特別是對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，現(xiàn)有研究結(jié)果并不完全統(tǒng)一。但實(shí)際上，髓鞘組織不僅需要在胚胎發(fā)育階段發(fā)展成形，在成體階段還需要有效地維持組織穩(wěn)態(tài)平衡，處于動(dòng)態(tài)循環(huán)之中。綜合研究現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為，未來的相關(guān)研究可重點(diǎn)從以下兩方面進(jìn)行考量。

首先，現(xiàn)有研究表明，β-catenin及其受體的表達(dá)量在不同周期的施萬細(xì)胞中以及在不同狀態(tài)下(正常/髓鞘脫失)的神經(jīng)組織中具有顯著差異。這些結(jié)果說明，Wnt/β-catenin信號通路在髓鞘發(fā)育或再生中的具體調(diào)控作用，可能會(huì)根據(jù)細(xì)胞或生命體的不同周期或不同狀態(tài)而有所不同。如前所述，外周神經(jīng)系統(tǒng)的髓鞘生成過程及髓鞘受到損傷后的修復(fù)過程中，Wnt/β-catenin信號通路被激活，其他情況下則處于抑制狀態(tài)。而在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，Wnt/β-catenin通路中關(guān)鍵蛋白在髓鞘發(fā)育的不同階段中的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，目前尚未見全面報(bào)道。盡管以往一些報(bào)道認(rèn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中髓鞘的生成會(huì)被Wnt/β-catenin信號通路的激活而抑制，但這一結(jié)論主要是基于新生髓鞘和新生動(dòng)物模型得出的。而另外一部分研究者認(rèn)為該通路的激活促進(jìn)了髓鞘再生，這一結(jié)論則大多是基于成年動(dòng)物模型得出的。因此Wnt/β-catenin通路的作用及髓鞘生長機(jī)制在動(dòng)物的不同生長階段也可能存在差異，有待于深入研究。

其次，盡管多種模式生物的研究均證實(shí)了Wnt通路對組織器官發(fā)育和再生的重要調(diào)控作用，但Wnt信號通路及其復(fù)雜，Wnt/β-catenin只是Wnt信號通路的一部分，非經(jīng)典Wnt通路的調(diào)控涉及多個(gè)復(fù)雜的細(xì)胞系統(tǒng)遷移。除Wnt/β-catenin通路外，Wnt家族的其他通路也可能對軸突、樹突、突觸的生長發(fā)育過程進(jìn)行調(diào)控。例如，目前已鑒定的Wnt配體有近20種，與β-catenin結(jié)合的TCFT受體也有不同表型，Wnt通路家族中不同成員對髓鞘發(fā)育的作用可能不同，且相互之間具有一定影響。TCF2L7只是β-catenin與TCF結(jié)合的一個(gè)亞型，β-catenin除與TCF2L7結(jié)合抑制少突膠質(zhì)細(xì)胞分化外，還可能與TCF的其他亞型結(jié)合，進(jìn)而影響少突膠質(zhì)細(xì)胞的生長分化。目前無論是中樞神經(jīng)系統(tǒng)還是周圍神經(jīng)系統(tǒng)中髓鞘發(fā)育和再生的研究，大多僅涉及了部分Wnt配體和TCF中的個(gè)別亞型。未來研究可借助轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等高通量技術(shù)手段，從縱向(髓鞘的不同發(fā)育階段)和橫向(不同狀態(tài)下的髓鞘組織)兩個(gè)維度開展研究，更為全面地評估Wnt/β-catenin通路及Wnt家族的其他通路對中樞神經(jīng)及外周神經(jīng)中髓鞘發(fā)育和再生過程的調(diào)控機(jī)制。