初級(jí)纖毛通過(guò)信號(hào)通路調(diào)控胚胎神經(jīng)發(fā)育的研究進(jìn)展

梁穎超 王建華

初級(jí)纖毛(primary cilium，PC)是一種以微管為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的細(xì)胞器，幾乎存在于所有哺乳動(dòng)物的細(xì)胞中。作為個(gè)體發(fā)育過(guò)程中的重要信號(hào)中樞，初級(jí)纖毛在多條信號(hào)通路的信息傳遞中發(fā)揮著重要作用，其結(jié)構(gòu)及功能異常會(huì)導(dǎo)致多種發(fā)育缺陷。近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注初級(jí)纖毛與胚胎神經(jīng)發(fā)育之間的關(guān)系。本文就初級(jí)纖毛通過(guò)信號(hào)通路調(diào)控胚胎神經(jīng)發(fā)育的研究進(jìn)展予以綜述并展開討論。

一、神經(jīng)管畸形(neural tube defects，NTDs)

神經(jīng)管發(fā)育是指胚胎腹背軸中線特定外胚層細(xì)胞卷曲、融合形成神經(jīng)管的過(guò)程，分為初級(jí)神經(jīng)管形成和次級(jí)神經(jīng)管形成兩個(gè)階段。首先，在脊索誘導(dǎo)下與其毗鄰的外胚層轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)板，然后兩側(cè)邊緣向上隆起增厚，形成神經(jīng)嵴，中央凹陷形成神經(jīng)溝，神經(jīng)嵴逐漸向背部中線收縮融合形成中空的管道，此過(guò)程稱為會(huì)聚延伸運(yùn)動(dòng)(convergent extention，CE)。神經(jīng)管發(fā)育過(guò)程依賴多種信號(hào)通路，包括音猬因子(sonic hedgehog，Shh)信號(hào)通路、Wnt/β-catenin信號(hào)通路、平面細(xì)胞極性(planar cell polarity，PCP)信號(hào)通路、肌醇代謝信號(hào)通路等。這些信號(hào)通路的異常會(huì)引起神經(jīng)管的閉合不全，進(jìn)而導(dǎo)致NTDs的發(fā)生。NTDs是由于胚胎發(fā)育第3～4周時(shí)神經(jīng)管閉合過(guò)程發(fā)生障礙而引發(fā)的先天畸形，主要包括無(wú)腦畸形、腦膨出、脊柱裂等表型，全球發(fā)病率約為1.86‰，給患者家庭和社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重負(fù)擔(dān)[1]。目前普遍認(rèn)為NTDs的發(fā)生是遺傳與包括營(yíng)養(yǎng)因素在內(nèi)的環(huán)境因素交互作用的結(jié)果，其發(fā)病機(jī)制目前尚未明確，研究發(fā)現(xiàn)初級(jí)纖毛在NTDs發(fā)生過(guò)程中發(fā)揮著很重要的作用。

二、初級(jí)纖毛的結(jié)構(gòu)和功能研究

纖毛是一種突出于細(xì)胞表面的特殊細(xì)胞器，其形態(tài)類似“天線”，具有運(yùn)動(dòng)、感知外界刺激、物質(zhì)運(yùn)輸以及調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)等多種生物學(xué)功能。脊椎動(dòng)物細(xì)胞表面存在運(yùn)動(dòng)纖毛和初級(jí)纖毛兩種纖毛。初級(jí)纖毛基本結(jié)構(gòu)包括初級(jí)纖毛膜、基體部、纖毛過(guò)渡區(qū)和軸絲?；w部由一種特殊類型的中心粒構(gòu)成，位于纖毛底部。軸絲是初級(jí)纖毛的主體部分，由9組微管雙聯(lián)體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其外由纖毛膜包繞，即“9+0”結(jié)構(gòu)。纖毛內(nèi)存在物質(zhì)運(yùn)輸(intraflagellar transport，IFT)系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)蛋白2(Kinesin-2)、動(dòng)力蛋白2(Dynein-2)以及兩種蛋白復(fù)合體IFT-A和IFT-B構(gòu)成，這些纖毛內(nèi)運(yùn)輸?shù)鞍籽刂S絲微管進(jìn)行雙向物質(zhì)運(yùn)輸驅(qū)動(dòng)蛋白2和IFT-B形成的復(fù)合體實(shí)現(xiàn)將構(gòu)建纖毛所需的微管蛋白、放射性輪輻蛋白以及膜蛋白等由纖毛基部運(yùn)送到纖毛頂部的順向運(yùn)輸，胞質(zhì)動(dòng)力蛋白2與IFT-A形成的復(fù)合體則是實(shí)現(xiàn)由纖毛頂部向基部的逆向運(yùn)輸(圖1)[2-3]。初級(jí)纖毛的形成是一個(gè)高度有序的過(guò)程，當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入G0/G1期時(shí)，基體調(diào)控初級(jí)纖毛的形成，而當(dāng)細(xì)胞重新進(jìn)入細(xì)胞周期時(shí)，初級(jí)纖毛會(huì)發(fā)生解聚。最近的研究表明纖毛形成和解聚在疾病發(fā)生發(fā)展中有重要作用，Zhang等[4]用腦器官樣細(xì)胞和小鼠模擬小頭畸形揭示了WDR62-CEP170-KIF2A促進(jìn)初級(jí)纖毛解聚的途徑，該解聚途徑的異常會(huì)引起小頭畸形。

初級(jí)纖毛是個(gè)體發(fā)育過(guò)程中重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中心，可以檢測(cè)并傳遞細(xì)胞外的信號(hào)，參與Shh，PCP，Notch，Wnt/β-catenin和受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase，RTK)等多種通路的信息傳遞。由于初級(jí)纖毛協(xié)調(diào)這些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)而影響機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育及各種器官的正常生理功能，其結(jié)構(gòu)及功能異常會(huì)導(dǎo)致多種發(fā)育和細(xì)胞信號(hào)缺陷，從而產(chǎn)生纖毛病(ciliopathy)：包括麥克爾綜合征(Meckel syndrome，MKS)、茹貝爾綜合征 (Joubert syndrome，JBTS)、巴德一畢氏綜合征 (Bardet—Biedl syndrome，BBS)、青少年型消耗性腎病(nephronophthisis，NPHP)及1型口-面-指綜合征等[5]。

一些初級(jí)纖毛相關(guān)疾病常常伴發(fā)NTDs表征，如MKS、JBTS和BBS的臨床表現(xiàn)中有神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷；腦膨出是MKS和JBTS的共同特征。MKS是一種圍產(chǎn)期致死性疾病，其典型臨床特征是枕葉腦膨出、多指畸形和多囊腎，還可以合并腦積水、脊柱裂等[2]；JBTS是一種隱性神經(jīng)發(fā)育障礙，其特征是先天性小腦和腦干缺陷，典型影像學(xué)特征為頭顱“臼齒征”[5]；BBS患者有頭顱或骨骼畸形的表型特征[6]。

三、初級(jí)纖毛影響神經(jīng)管發(fā)育的機(jī)制

初級(jí)纖毛作為多個(gè)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的重要結(jié)構(gòu)，參與信號(hào)通路依賴的中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程。研究表明，初級(jí)纖毛通過(guò)Shh、Wnt/β-catenin、PCP及肌醇代謝信號(hào)通路從而影響神經(jīng)管發(fā)育最終導(dǎo)致NTDs發(fā)生。

1.Shh信號(hào)通路:Shh信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)高度依賴初級(jí)纖毛的結(jié)構(gòu)和功能的完整性，Shh受體蛋白Ptch1(Patched1)、Smo(smoothened)和Gli(glioma-associated oncogene)轉(zhuǎn)錄因子均定位于初級(jí)纖毛[7]。已有研究表明，內(nèi)吞調(diào)節(jié)因子EHD1(Eps15 Homology Domain 1)通過(guò)調(diào)節(jié)Shh通路信號(hào)蛋白Smo進(jìn)入纖毛，調(diào)節(jié)Shh通路的活性[8]。

已有研究表明，在缺乏Tmem67(transmembrane protein 67)基因的小鼠中，出現(xiàn)神經(jīng)孔閉合缺損、腦膨出、前腦發(fā)育不全等神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷，神經(jīng)上皮細(xì)胞層纖毛幾乎完全喪失，胚胎神經(jīng)底板和脊索上的Shh蛋白表達(dá)降低，Shh在神經(jīng)管腹側(cè)標(biāo)記數(shù)量減少，提示Shh信號(hào)降低[9]。推測(cè)可能是由于初級(jí)纖毛缺失，不能對(duì)Shh信號(hào)做出正確反應(yīng)，從而導(dǎo)致無(wú)腦畸形等神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常。Shh信號(hào)通路中Sufu蛋白定位于初級(jí)纖毛內(nèi)，Sufu突變可導(dǎo)致Shh信號(hào)的異常激活，從而導(dǎo)致NTDs的發(fā)生[10]。GTP酶 Arl13b定位于初級(jí)纖毛上，調(diào)節(jié)纖毛內(nèi)外的Shh信號(hào)通路，Mariani等[11]報(bào)道了小鼠Arl13b突變體以不同的方式影響Arl13b蛋白的纖毛定位、Shh的轉(zhuǎn)錄和Shh信號(hào)通路中Smo的富集，從而導(dǎo)致JBTS的發(fā)生，表現(xiàn)為神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙。以上研究表明，纖毛結(jié)構(gòu)和功能的異常將影響Shh信號(hào)通路的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷。

2. 經(jīng)典型Wnt/β聯(lián)蛋白 (β-catenin)通路：Wnt/β-catenin信號(hào)通路被認(rèn)為與神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)可塑性相關(guān)，是哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)鍵信號(hào)通路之一，該通路信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)異常會(huì)導(dǎo)致各種神經(jīng)功能障礙。Kimura-Yoshida等[12]發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)管閉合過(guò)程中，β-catenin和Grhl3基因突變，影響神經(jīng)外胚層發(fā)育，出現(xiàn)NTDs表型。初級(jí)纖毛異常能夠抑制經(jīng)典Wnt/β-catenin通路，降低β聯(lián)蛋白的表達(dá)。糖原合成激酶-3β(glycogen synthase kinase 3β，GSK-3β)是初級(jí)纖毛的組成蛋白之一，阻止β-catenin入核，已有研究表明，全氟辛烷磺酸(perfluorooctane sulfonate，PFOS)通過(guò)降低GSK3β的Ser9磷酸化，導(dǎo)致GSK-3β的激活和β-catenin的下調(diào)，從而影響神經(jīng)干細(xì)胞的增殖[13]。最近研究顯示，纖毛基底部驅(qū)動(dòng)蛋白2家族蛋白A(kinesin -like protein 3A，KIF3A)缺失后，Wnt信號(hào)通路異常激活，小鼠神經(jīng)干細(xì)胞無(wú)法分化為神經(jīng)元[14]。Tian等[15]發(fā)現(xiàn)在與纖毛構(gòu)成相關(guān)基因Ift88突變小鼠中，出現(xiàn)多種顱面畸形，小鼠細(xì)胞纖毛變短，且軸抑制因子2(Axin2)表達(dá)顯著上調(diào)，提示W(wǎng)nt通路信號(hào)增加。Wheway等[16]的研究結(jié)果顯示，在負(fù)責(zé)編碼纖毛蛋白的MKS1基因缺陷的小鼠中，細(xì)胞中核β-catenin的水平增加以及Wnt /β-catenin途徑的下游效應(yīng)蛋白細(xì)胞周期蛋白D1(cyclinD-1)的水平升高，提示W(wǎng)nt信號(hào)增加，小鼠表現(xiàn)為后窩缺損和腦積水等MKS的典型特征。初級(jí)纖毛與Wnt/β-catenin的關(guān)系為探明NTDs的發(fā)病機(jī)制提供了新的思路和方向，但其具體機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

3. PCP信號(hào)通路：PCP信號(hào)通路可以調(diào)控CE促進(jìn)細(xì)胞形成神經(jīng)板，異常的CE會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)管閉合缺陷。Chen等[17]對(duì)184例中國(guó)NTDs病人的基因分析,他們發(fā)現(xiàn)PCP信號(hào)通路中3個(gè)CELSR基因(CELSR1，CELSR2和CELSR3)在其中發(fā)揮重要作用，這3個(gè)基因的突變會(huì)導(dǎo)致NTDs患病的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。Humphries等[18]在果蠅中進(jìn)行了NTDs相關(guān)的Vangl1/2基因突變對(duì)PCP信號(hào)通路作用的分析，加強(qiáng)了PCP通路和NTDs之間的聯(lián)系。WDR34基因編碼初級(jí)纖毛內(nèi)動(dòng)力蛋白2的中鏈，在WDR34基因敲除的小鼠中，出現(xiàn)了腦膨出、脊柱裂等多種顱面部畸形，小鼠神經(jīng)上皮細(xì)胞初級(jí)纖毛生長(zhǎng)受限，Shh信號(hào)通路被抑制[19]。近期在無(wú)腦畸形患者中發(fā)現(xiàn)，WDR34基因突變可能通過(guò)同時(shí)影響Shh和PCP信號(hào)通路而導(dǎo)致NTDs的發(fā)生[20]。散亂蛋白2(dishevelled 2，DVL2)是PCP信號(hào)通路中的關(guān)鍵蛋白因子，且受磷酸化調(diào)控，DVL2在初級(jí)纖毛的發(fā)生過(guò)程中起非常重要的作用，在纖毛的基體可以檢測(cè)到磷酸化的DVL2[21]。Tian等[22]通過(guò)對(duì)NTDs樣本檢測(cè)發(fā)現(xiàn)PCP相關(guān)基因拷貝數(shù)變異，尤其是VANGL1缺失和DVL2增加，可能增加NTDs的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。Vilboux等[23]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)JBTS患者中發(fā)生CELSR2雙等位基因突變，患者表現(xiàn)為先天性小腦和腦干缺陷，大腦室管膜細(xì)胞纖毛發(fā)育和功能異常。Arl13b是一個(gè)小GTP酶，定位于初級(jí)纖毛上，在Arl13b蛋白缺失的情況下，纖毛短小且結(jié)構(gòu)受損。人類ARL13B基因的突變會(huì)導(dǎo)致JBTS，表現(xiàn)小腦和腦干缺陷[24]。Song等[25]發(fā)現(xiàn)，Arl13b與Vangl2相互作用以調(diào)節(jié)纖毛的長(zhǎng)度，表明初級(jí)纖毛通過(guò)影響PCP信號(hào)通路在胚胎神經(jīng)發(fā)育發(fā)揮重要作用，但其具體的影響機(jī)制還需要進(jìn)一步探究。

4. 肌醇代謝信號(hào)通路：肌醇(inositol)屬于維生素B族物質(zhì)，是細(xì)胞生長(zhǎng)與存活及胚胎發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)素，肌醇及其代謝通路在胚胎發(fā)育尤其是神經(jīng)管發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。近期研究發(fā)現(xiàn)，磷脂酰肌醇3,4,5三磷酸[PI(3,4,5)P3，PIP3]激活的PI3K/AKT信號(hào)通路影響神經(jīng)元的分化過(guò)程[26]。肌醇多聚磷酸5-磷酸酶(inositol polyphosphate-5-phosphatase，INPP5E)是肌醇代謝通路中PIP2合成代謝的關(guān)鍵調(diào)控酶，INPP5E蛋白質(zhì)主要分布于初級(jí)纖毛上，可影響初級(jí)纖毛的穩(wěn)定性，Luo等[27]發(fā)現(xiàn)斑馬魚INPP5E基因缺失時(shí)，初級(jí)纖毛變短且數(shù)量少。近期研究發(fā)現(xiàn)，INPP5E基因突變可致BBS和JBTS綜合征，有頭顱畸形表現(xiàn)[28]。由此推測(cè)肌醇循環(huán)信號(hào)通路與初級(jí)纖毛密切相關(guān)，共同作用于神經(jīng)管發(fā)育缺陷。目前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)1,3,4,5四磷酸肌醇(IP4)在爪蟾胚胎上皮修復(fù)過(guò)程中調(diào)節(jié)Rho GTP酶活性，而哺乳動(dòng)物脊髓神經(jīng)管閉合需要依賴Rho GTP酶調(diào)節(jié)的肌動(dòng)蛋白轉(zhuǎn)換和肌動(dòng)球蛋白[29]，由此推測(cè)肌醇代謝通路和神經(jīng)管閉合過(guò)程有密切聯(lián)系。構(gòu)造家族(fectonic family member，Tctn)蛋白質(zhì)是存在于纖毛過(guò)渡帶的一組蛋白質(zhì)，對(duì)纖毛發(fā)育和纖毛形成有重要作用，Tctn3基因敲除小鼠通過(guò)改變Shh和PI3K/Akt信號(hào)通路導(dǎo)致小鼠細(xì)胞凋亡增加、致產(chǎn)前死亡和NTDs[30]。因此，肌醇循環(huán)通路在調(diào)節(jié)神經(jīng)管發(fā)育中起重要作用，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷相關(guān)疾病的早期診斷及防控具有重要的意義。

四、 展望

NTDs作為一種嚴(yán)重的出生缺陷，其確切發(fā)病的分子機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。初級(jí)纖毛作為一種古老而重要的細(xì)胞器，與NTDs之間的關(guān)聯(lián)逐步得到人們的廣泛關(guān)注，其通過(guò)調(diào)控Shh、Wnt/β-catenin、PCP及肌醇代謝信號(hào)通路等在神經(jīng)管發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮中重要的作用。隨著人們對(duì)于初級(jí)纖毛的結(jié)構(gòu)、功能、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與NTDs發(fā)生發(fā)展的分子機(jī)制的探索，將從初級(jí)纖毛形成與解聚角度為NTDs的早期診治和防控提供新的思路。