Wnt信號通路在神經系統發育中的作用研究進展

，

(南華大學公共衛生學院，湖南 衡陽 421001)

·小專論·

Wnt信號通路在神經系統發育中的作用研究進展

劉麗，龍鼎新*

(南華大學公共衛生學院，湖南 衡陽 421001)

Wnt信號通路在調節生物體組織和器官的發育，對細胞的分化、增殖、凋亡、遷移、細胞極性有著重要的作用，Wnt信號通路在早期胚胎神經系統的發育中起著關鍵角色作用。本文總結了Wnt信號通路在神經系統發育中的神經發生、軸突導向、樹突發育三個方面的研究進展，為今后研究Wnt信號通路在神經系統發育中的作用及機制提供基礎。

Wnt信號通路； 神經發生； 軸突； 樹突

Wnt蛋白是一類富含半胱氨酸的分泌型糖蛋白家族，目前脊椎動物中已確定有19種Wnt家族成員，可分為經典Wnts和非經典Wnts。經典Wnts包括Wnt3a、wnt7a，非經典包括Wnt5a、Wnt11a，它們分別激發不同下游信號途徑。Wnt信號通路對脊椎動物神經系統發育的影響已被世界各國學者所關注。本文擬從Wnt信號通路對神經系統發育的神經發生、軸突導向、樹突發育三個方面的最新研究進展進行總結和表述。

1 Wnt信號通路的概述

1.1 Wnts蛋白的結構1982年Nusse[1]率先在探討小鼠乳腺腫瘤病毒轉錄機制過程中發現Wnt基因，在鼠乳腺癌中發現一種在細胞間傳遞生長和發育信號的蛋白，其編碼基因稱為Int1[2]。進一步研究發現，該基因在正常的胚胎發育中可使果蠅表現無翅(Wingless)，于是將Wingless和Int1兩詞合并，稱為Wnt1。Wnt蛋白是一種分泌型糖蛋白，Wnt蛋白家族由富含半胱氨酸的糖蛋白組成，高度保守，由350～400個氨基酸組成。目前為止，哺乳動物中已經發現19種Wnt蛋白。

1.2 Wnt信號通路的分類及功能經典信號通路(Canonical Wnt signal pathway)也稱Wnt/β-catenin信號通路，當經典Wnt蛋白處于未被激活狀態時，細胞內形成的蛋白降解復合物(GSK-3β/APC/Axin)使β-catenin發生磷酸化而降解。當經典Wnt蛋白被激活時，Wnt蛋白與細胞膜上的卷曲(FZD)受體、LRP5/6受體結合形成三元復合體，從而激活細胞內的Dvl，Dvl則抑制GSK-3β的活性，從而抑制蛋白降解復合物(GSK-3β/APC/Axin)形成，從而阻斷細胞質中β-catenin磷酸化和降解，導致細胞內的β-catenin在細胞質內不斷積累并轉移到細胞核中，與細胞核中T細胞因子/淋巴增強因子復合物(TCF/LEF)轉錄因子結合，從而激活下游靶基因的表達[3]。經典信號通路與細胞的增殖、分化、凋亡，胚胎組織器官形態發生及神經管的構成有著重要的聯系[4](圖1)。

非經典信號通路(Non-canonical Wnt signal pathway)包括Wnt/PCP通路和Wnt/Ca2+通路。

Wnt/PCP信號通路：Wnt通過FZD和Dvl結合激活小G蛋白(RhoA和Rac)，而Rho和Rac激活Rho聯合蛋白激酶ROCK和JNK，從而調節細胞骨架和細胞遷移作用。PCP信號通路對胚胎發育的匯聚延伸運動和神經管缺陷有密切的關系，對神經元細胞的遷移、增殖、分化有著重要的調控作用[5]。Wnt/Ca2+信號通路:Wnt激活Wnt/Ca2+非經典Wnt信號通路，Wnt與細胞表面FZD受體結合，信號通過異源三聚體G蛋白來活化磷脂酶C(PLC)，增加IP3、DAG的生成，促進內質網的磷脂翻轉和激發細胞間鈣的釋放，而Ca2+作為Wnt的第二信使發揮其生物學效應，從而積累并激活與Ca2+相關的酶，如鈣調蛋白依賴性激酶II(calmoduin-dependent prodein kinase II,CaMKII)和蛋白激酶C(PKC)等，使活化T細胞核因子(Nuclear factor of activated T cells，NFAT)磷酸化并在核內聚集,作用下游的信號通路，參與細胞的黏附等功能[6]。

圖1 Wnt信號通路圖

2 Wnt信號通路對神經系統發育的作用

Wnt信號通路參與機體多種功能調節，包括對應激、損傷、修復、免疫、代謝、胚胎發育、干細胞的分化、炎癥反應、腫瘤發生發展、骨構成等方面。神經系統發育是一個高度復雜又高度協調的過程，而信號轉導在神經發育中起著決定性的作用。Wnt信號通路在神經發育過程中參與了神經發生、軸突導向、樹突的發育等，一旦此過程中的Wnt信號轉導發生了異常，將造成神經系統發育缺陷，引起諸多神經系統疾病。

2.1 Wnt信號通路與神經發生在哺乳動物大腦的特定區域，內源性的神經干細胞(Neural stem cells,NSCs)可以分化成為功能性的神經元，這個過程稱為神經發生。Wnt信號通路在調節神經系統發育中，對神經干細胞的增殖和分化等神經發生起著重要的作用。

Wnt3a在神經發生中對神經干細胞的增殖和分化有調控作用。在小鼠大腦皮質層中過量表達Wnt3a時，誘導皮質層的神經祖細胞分化為神經元，并在SVZ/IZ邊緣地方不斷積累。如果長期過量表達Wnt3a，導致大神經元結構異位引起皮質層發育不良。相反的，在神經干細胞分化的中后期，用Wnt信號通路抑制劑DKK1下調信號通路后發現，神經元的產生受到抑制。當敲除Wnt3a基因后，內皮干細胞的增殖和分化明顯受到抑制作用[8]。王永志[9]在胚胎海馬神經干細胞體外實驗中發現，Wnt3a不僅可以促進大鼠海馬神經干細胞體外分化為神經元，而且抑制向星形膠質細胞分化。Wnt信號通路的激活引起β-catenin在細胞質中的積累，并進入到細胞核中激活下游靶基因的表達，影響神經細胞的分化。有研究表明[10]間充質干細胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)分化為神經元時，β-catenin表達明顯增加，Wnt信號通路受到抑制時，MSCs分化減少。而上調Wnt信號通路后，MSCs分化又明顯增加。對于成體干細胞，Wnt5a可以促進NSCs向多巴胺能神經元分化，調節腹側中腦多巴胺能神經元的發育功能[11]，為神經退行性病變疾病帕金森疾病(Parkinson’s Disease,PD)的治療提供依據。同樣，對于阿爾茲海默癥(Alzheimer Disease,AD)，Wnt信號通路功能的缺失與神經元形成能力下降有直接相關，使AD病程加快[12]。激活該信號通路的上游Wnt配體或者抑制GSK-3，可以保護神經元，促進神經干細胞的分化而減少損傷[13]。

可以看出，Wnt3a激活經典Wnt信號通路，使β-catenin的表達增加，可以促進神經干細胞向神經元細胞的分化，甚至抑制神經干細胞向星形膠質細胞分化。在非經典信號通路中Wnt5a的激活也能促進并調節NSCs向多巴胺能神經元增殖。綜上表明，Wnt信號通路這條多作用點的開放性信號通路參與了神經發生，對胚胎期、成年期的神經干細胞的分化、神經元的增殖有著重要的作用，在神經系統發育中扮演著重要的角色[14]。在今后的研究中，通過進一步了解Wnt信號通路的轉導機制及對相關疾病的抑制作用，對今后人類相關疾病的治療有著重要的作用。

2.2 Wnt信號通路與軸突導向軸突導向指神經元發出的軸突，在正確的位置形成突觸的過程，是神經發育的一個分野。軸突的主要功能是將神經沖動由細胞體傳至其他神經元或者效應細胞，而Wnt信號通路對軸突導向起著重要的調控作用。在神經系統發育中，神經末梢的軸突分化在神經元和靶細胞的功能連接中起著關鍵的作用。功能性神經回路的產生始于神經元分化為有極化作用的軸突，軸突的尖端有一個高度活動的結構叫做生長錐，軸突的生長、導向、延伸的過程中需要生長錐應細胞外的信號，并快速轉換成細胞內的信號。小腦的顆粒細胞表達Wnt7a，而Wnt7a與軸突的分支、生長錐的生長有重要的聯系。在體外培養大腦顆粒神經元中Wnt7a的表達能夠促進軸突微管的重構，導致軸突的延伸和分支,提高突觸蛋白水平。其機制可能是Wnt7a通過抑制GSK-3β的活性，激活Wnt信號通路，影響核內的基因轉錄，調控細胞骨架和軸突的生長和導向[15]。GSK-3β的作用是抑制細胞骨架的重組，及生長錐的面積和直徑，可能和延展區骨架的穩定性缺乏有關[16]。Wnt非經典信號通路在軸突的生長和導向中也起著重要的調控作用。Stamateris等[17]人發現Ryk蛋白可以作為Wnt配體的非典型酪氨酸激酶受體來調控神經系統發育。Wnt蛋白在Ryk的引導下穿過中線參與脊髓的前后軸的軸突聯合，Wnt5a在軸突前后交聯處有高表達。Ryk對皮質脊髓軸突導向起到重要的作用，在小鼠皮質移植體外實驗中，Wnt5a影響軸突Ryk的表達，而抑制Wnt5a和Ryk的相互作用，則導致軸突后交聯紊亂，而細胞內鈣離子的濃度也會受到波動。當敲除Ryk或者暴露于CaMKII抑制劑后，軸突的延伸和導向都出現缺陷[18]。則Wnt/Ca2+信號通路可調節皮質脊髓的軸突生長和導向。

可以看出，Wnt7a抑制GSK-3β，激活經典Wnt信號通路，而經典Wnt信號通路與細胞骨架的形成有密切聯系。Wnt5a激活非經典Wnt/Ca2+信號通路，其機制可能是影響Ryk的表達，激活CaMKII。綜上表明，Wnt信號通路與生長錐的生長，軸突的生長、導向、延伸有著密切的聯系。在今后的研究中可以通過進一步了解Wnt信號通路對生長錐生長的影響，及生長錐響應細胞外信號的作用機制，對今后進一步研究神經系統領域有重要意義。

2.3 Wnt信號通路與樹突發育樹突屬于細胞突起的一種，每個神經元可以有一個或者多個樹突，可以接受刺激并將沖動傳入到細胞體的功能，由于神經遞質只能由突觸前膜釋放入突觸后膜上，所以神經元之間興奮的傳遞只能單向。樹突的正常形態學結構在神經回路的形成、神經傳導、神經元的功能中都有著重要的作用，在多種神經退行性疾病中都伴有因樹突的發育障礙而導致的神經回路功能障礙。

樹突的形態對神經功能和神經回路的形成至關重要，有很多Wnt蛋白家族成員已經被證明在樹突發育中發揮著重要作用[19]。在海馬神經元細胞培養中發現，當增加β-catenin的表達，樹突分支比例明顯增加。如果敲除小鼠海馬神經元細胞Dvl1后，發現樹突的分支減少，而相反的過量表達Wnt7a和Dvl1后樹突的分支明顯增加，其機制可能是通過Wnt/PCP信號通路，Wnt7a激活細胞內的Dvl1，從而上調下游的Rho和JNK來影響細胞骨架的調節，促進樹突的發育和生長。在Wnt/Ca2+信號通路中，CaMKII抑制劑和鈣離子螯合劑可抑制Wnt7a來影響樹突的發育。在原代海馬神經元細胞培養中,Wnt5a激活Wnt/Ca2+信號通路后，作用下游的信號通路，促進樹突的生長。有趣的是，發現Wnt5a蛋白受體Frizzled4末端的合基序列對與樹突的形態形成有重要調節作用[20]。

神經元具有形態結構復雜的樹突結構，一個神經元有一個或多個樹突，有收集信號的作用，樹突的長度、數目、分支等發育情況都能影響信號的接收，從而影響著神經回路的形成。綜上所述，Wnt信號通路的多作用點的開放性信號通路參與了樹突的發育，通過激活上游的不同Wnt蛋白家族成員，從而激活下游的Rho和JNK影響細胞骨架、Frizzled4調節樹突的形態。通過進一步了解Wnt信號通路各個作用點對樹突發育的影響，本文作者將更深入的探討神經回路的形成，為神經退行性疾病的治療提供更廣闊的思路。

3 展 望

近年來，關于神經發生、神經回路方面的研究已經成為神經系統研究的熱點之一。Wnt信號通路作為一條多環節、多作用位點的開放性信號通路，在神經系統中有著重要的調控作用。但是，在神經發生、神經回路形成的不同階段，不同的Wnt蛋白激活不同的下游靶基因，發揮著不同的作用，通過相互協同，共同完成神經系統的各項功能。然而，對于該信號通路相關分子如何實現上述調控，在細胞及分子水平上的機制研究還不甚清楚，所以，需要進一步研究在神經系統中，Wnt通路的每個組分各自的功能，及各組分的相互作用。對于有目的的干預神經發生、神經回路形成，治療神經系統相關疾病的靶點有重要的意義。

[1] Nusse R,Varmus HE.Many tumors induced by the mouse mammary tumor virus contain a provirus integrated in the same region of the host genome [J].Cell,1982,31(1):99-109.

[2] Cadigan KM,Nusse R.Wnt signaling:a common theme in animal development [J].Genes Dev,1997,11(24):3286-3305.

[3] Fuentes RG,Arai MA,Ishibashi M.Natural compounds with Wnt signal modulating activity [J].Nat Prod Rep,2015,32(12):1622-1628.

[4] Staal FJ,Arens R.Wnt signaling as master regulator of T lymphocyte responses:implications for transplant therapy [J].Transplantation,2016,100(12):2584-2592.

[5] Jacox L,Chen J,Rothman A,et al.Formation of a “Pre-mouth Array” from the extreme anterior domain Is directed by neural crest and Wnt/PCP signaling [J].Cell Rep,2016,16(5):1445-1455.

[6] De A.Wnt/Ca2+signaling pathway:a brief overview [J].Acta biochim et Biophys Sin,2011,43(10):745-756.

[7] 唐智偉,張淑坤,吳世政.Tau蛋白與α-突觸核蛋白在常見神經系統退行性疾病中的致病機制[J].海南醫學,2017,28(3):451-455.

[8] Du Y,Zhang S,Yu T,et al.Wnt3a is critical for endothelial progenitor cell-mediated neural stem cell proliferation and differentiation [J].Mol Med Rep,2016,14(3):2473-2482.

[9] 王永志,陳二濤,高豐厚,等.Wnt3a影響神經干細胞分化的體外研究[J].中國臨床神經外科雜志,2012,17(9):535-538.

[10] Yu Q,Liu L,Duan Y,et al.Wnt/beta-catenin signaling regulates neuronal differentiation of mesenchymal stem cells [J].Biochem Biophy Res Commun,2013,439(2):297-302.

[11] Parish CL,Castelo-Branco G,Rawal N,et al.Wnt5a-treated midbrain neural stem cells improve dopamine cell replacement therapy in parkinsonian mice [J].J Clin Invest,2008,118(1):149-160.

[12] Inestrosa NC,Varela-Nallar L.Wnt signaling in the nervous system and in Alzheimer’s disease [J].J Mol Cell Biol,2014,6(1):64-74.

[13] Liang SH,Chen JM,Normandin MD,et al.Discovery of a highly selective glycogen synthase kinase-3 inhibitor (PF-04802367) that modulates tau phosphorylation in the brain:translation for PET neuroimaging[J].Angew Chem Int Ed Engl,2016,55(33):9601.

[14] 魏仁平,孫芳玲,劉婷婷,等.大腦神經發生相關信號通路的研究進展 [J].中國康復理論與實踐,2015,21(9):1037-1041.

[15] Cerpa W,Godoy JA,Alfaro I,et al.Wnt-7a modulates the synaptic vesicle cycle and synaptic transmission in hippocampal neurons [J].J Biol Chem,2008,283(9):5918-5927.

[16] 邢進,孫兆良,馮東福.中樞神經系統腦衰反應調節蛋白2的研究進展[J].中華神經外科疾病研究雜志,2016,15(6):564-566.

[17] Stamateris RE,Rafiq K,Ettensohn CA.The expression and distribution of Wnt and Wnt receptor mRNAs during early sea urchin development [J].Gene Expr Patterns :GEP,2010,10(1):60-64.

[18] Hutchins BI,Li L,Kalil K.Wnt/calcium signaling mediates axon growth and guidance in the developing corpus callosum [J].Dev Neurobiol,2011,71(4):269-283.

[19] 王建材,馮達云,李洋,等.DKK1對慢性嗎啡和納洛酮處理的培養海馬神經元樹突棘的影響[J].神經解剖學雜志,2016,32(1):1-6.

[20] Bian WJ,Miao WY,He SJ,et al.A novel Wnt5a-Frizzled4 signaling pathway mediates activity-independent dendrite morphogenesis via the distal PDZ motif of Frizzled 4 [J].Dev Neurobiol,2015,75(8):805-822.

10.15972/j.cnki.43-1509/r.2017.03.022

2016-11-07；

2017-04-11

國家自然科學基金(81673227)；南華大學博士啟動基金(2010XQD19).

*通訊作者，E-mail:dxlong99@163.com.

R338

A

蔣湘蓮)