Wnt/β—catenin信號通路在發育和疾病研究進展

張嘉蓉

摘 要：在過去的幾十年中，關于Wnt/β-catenin信號通路的在發育過程中的研究一直是一個熱點。研究者們利用不同的模式動物對該通路進行了詳盡的研究。結果表明Wnt/β-catenin信號通路在胚胎的早期發育、各種組織和器官的形成、生長發育過程以及維持動物成體的體內平衡過程中都扮演著關鍵的角色。發生在Wnt信號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生息息相關。本文綜述了近些年對Wnt/β-catenin信號通路研究的一些新的進展，例如在調控牙齒、眼睛、造血干細胞的發育以及在腫瘤、哮喘等各種疾病發生中的作用。

關鍵詞：Wnt/β-catenin；信號通路；組織和器官發育；疾病

中圖分類號：R730.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0187-03

1 Wnt/β-catenin信號通路概述

在高等生物的發育過程中，轉錄因子、細胞內外的各種信號分子和信號通路起著重要的調控作用。其中，Wnt/β-catenin信號通路在細胞的增殖和命運的決定以及組織器官發生的各個重要環節都起著重要調控作用。1982年Nusse等首先在小鼠乳腺癌中發現了Wnt基因[1]。由于該基因的激活依賴小鼠乳腺癌相關病毒基因的插入，因此，當時被命名為Int1基因。Int1基因在小鼠胚胎發育中起重要作用，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信號通路非常保守，從低等的線蟲到高等的哺乳動物都有廣泛的表達和作用。其中，人的Wnt基因定位于染色體12q13，目前已有約19個家族成員。Wnt/β-catenin信號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蛋白5/6（LRP5/7）、散亂蛋白（Dsh）、結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連環蛋白（β-Catenin）等[3]。

在過去的幾十年的研究中，研究者對wnt/β-catenin信號通路的作用機制進行了詳細的研究。在缺乏Wnt的情況下，細胞質β-catenin蛋白在Axin蛋白復合體的作用下不斷降解，因而β-catenin就不能有效的入核，因而也就不能調控Wnt靶基因的轉錄和表達，反而會被DNA結合蛋白T細胞因子/淋巴增強因子（TCF/LEF）家族蛋白所抑制。當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蛋白5/6結合時，形成Wnt-Fz-LRP6蛋白復合體，并招募支架蛋白Dishevelled，使LRP6發生磷酸化和活化，并招募Axin蛋白復合體到膜受體上。這樣就抑制了Axin復合物介導的β-catenin磷酸化，從而穩定了β-catenin的蛋白水平，進而入核與TCF/LEF結合形成復合物，解除其對Wnt靶基因的抑制作用。以上是經典的Wnt通路，非經典的Wnt通路不依賴于β-catenin蛋白，并進一步分為PCP通路和Wnt/鈣離子通路[4]。

2 Wnt/β-catenin信號通路在眼睛發育中的調控作用

哺乳動物的眼睛是一個高度特化的感覺器官，是由前神經板、頭表皮外胚層和神經冠間質發育而成的。在眼睛的發育過程中，如在晶狀體、視網膜色素上皮細胞、睫狀體等的發育和形成過程中，Wnt/β-catenin信號通路起著重要的調控作用，其功能的異常將會導致眼睛的發育障礙[5]。例如，在晶狀體的發育過程中，Wnt/β-catenin維持正常的眼表外胚層和晶狀體上皮細胞的發育，在晶狀體發育相關細胞中條件性刪除β-catenin，將會導致晶狀體形態和功能的異常。同樣β-catenin的缺失也會導致視網膜發育的退化[6]。

2015年，Zhang等發現Wnt/β-catenin信號通過抑制Bmp4調節角膜上皮層化。角膜上皮分層是一種基于間葉上皮相互作用的協調發展過程。在角膜基質細胞中對β-catenin或共受體Lrp5/6的條件性基因敲除導致角膜上皮細胞的過早分化，過度表達β-catenin則會阻礙角膜上皮的分層。 進一步研究發現，Bmp4的表達在β-catenin的缺失在角化細胞中被上調，這進一步導致了ERK1/2（Mapk3/1）和Smad1/5的磷酸化，并提高了轉錄因子p63（Trp63）的表達。小鼠新生兒的眼結膜下注射BMP4蛋白表現出與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）表現出正常的角膜上皮層化過程。此外，ChIP和熒光素酶實驗也表明β-catenin直接結合并抑制Bmp4啟動子的活性。這些數據表明Wnt/β-catenin信號通路通過對Bmp4分子的調控，在角膜形成過程和上皮分層中起著關鍵的作用[7]。

3 Wnt/β-catenin信號通路在牙齒早期發育中的作用

在小鼠當中，牙齒的發育開始于胚胎期E11.5天牙上皮的增厚形成牙基板結構，然后繼續增殖，在E12.5到E13.5天嵌入相鄰的間質形成上皮芽結構。在第E14.5天，牙齒的發育進入帽狀期，伴隨著牙上皮中釉結形成，牙尖結構出現。E16.5天開始進入鐘狀期，造釉細胞和成牙質細胞開始分化。這些過程是在多個信號通路家族的精確調控下進行的，這些信號分子包括成骨蛋白家族（BMPs）、成纖維生長因子家族（FGFs）、Shh蛋白和Wnt蛋白信號通路[8]。關于Wnt通路在牙齒發生過程中的重要作用已經有很詳盡的研究。研究表明，牙上皮細胞表達很多Wnt配體蛋白分子。當在牙上皮細胞或者間質細胞中失活β-catenin基因，牙齒的發育則停滯于芽狀期[9]。

2014年，Yuan等發現Wnt/β-catenin信號通路在牙齒早期發育過程中起著調控牙上皮細胞命運決定和增殖的作用。作者利用Noggin（Nog）基因過表達的轉基因小鼠模型，發現Nog基因可以抑制Wnt/β-catenin通路的信號傳導，導致Pitx2的表達缺失。免疫共沉淀實驗和TOPflash assay顯示Nog與Wnts直接結合，以阻止Wnt/β-catenin信號通路的功能傳遞。遺傳拯救實驗也證明BMP和Wnt信號通路對牙齒上皮細胞增殖有促進作用，而Wnt信號也控制著牙齒的命運決定[10]。2017年，Ahn等在小鼠的牙齒發育過程中進行了一系列的遺傳學分析，發現了Lrp4分子在牙齒發育過程中新的調控機制。Lrp4和Wnt分子的共受體Lrp5和Lrp6結構上非常類似，并可以通過直接結合Wnt的拮抗分子Wise和Sost來調控Wnt信號通路的活性。其遺傳學證據表明，Lrp4也可以通過一種Wise和Sost非依賴的方式調控Wnt/β-catenin通路的信號傳遞。另外一種攜帶了喪失了Sost結合能力的Lrp4基因點突變小鼠模型也進一步證明Lrp4在調控牙齒發育時候功能的多樣性。同時，嵌合受體分析實驗也表明Lrp4細胞外域與Wnt配體的直接相互作用[11]。endprint

4 Wnt/β-catenin信號通路在造血干細胞的發生中的作用

造血干細胞（HSCs）是在胚胎期從一種存在于主動脈血管內皮樣細胞的細胞群中產生[12]。β-catenin的條件性敲除會損害造血干細胞的自我更新能力[13]，但是在骨髓當中誘導性敲除β-catenin卻沒有表現出來相同的作用[14]。后續研究表明，在體外培養實驗中，外源性激活Wnt/β-catenin通路促進造血干細胞的增殖能力；但是體內β-catenin獲得性功能突變實驗卻導致造血干細胞的活性耗竭[15]。以上結果提示Wnt/β-catenin信號通路的活性在維持造血干細胞的功能和狀態的時候需要精確的調控以維持功能的平衡。

2012年，Cristina等發現在小鼠體內的主動脈-性腺-中腎區（aorta-gonad-mesonephros region，AGM），Wnt/β-catenin的一過性表達對產生持久性造血干細胞是必要的，并且在體外從AGM內皮前體細胞誘導生成造血細胞中也是必需的。在胚胎的內皮細胞階段將β-catenin的基因敲除，會阻礙造血細胞譜系的發育；但是在胚胎期造血細胞中敲除β-catenin，則沒有這種作用。說明Wnt/β-catenin信號分子對胚胎發育中造血干細胞的生成起著重要作用，但是對造血干細胞的維持沒有作用[16]。

5 Wnt/β-catenin信號通路在疾病中的作用的研究進展

Wnt/β-catenin信號調控細胞的增殖和命運決定，在各種組織、器官的生長發育和成體的體內平衡過程中扮演著關鍵的角色，因此異常的Wnt信號與很多遺傳性疾病、退行性疾病和癌癥緊密相關[17，18]。

研究發現FZD4和LRP5的突變和家族性滲出性玻璃體視網膜病變（familial exudative vitreoretinopathy）息息相關[19]。Wnt/β-catenin信號也在骨的生成中起著重要調控作用。Gong等發現病人中LRP5的突變會導致假神經膠質瘤性骨質疏松癥（OPPG）的高發[20]。相反，Boyden等發現在骨高密度癥病人當中攜帶有LRP5高活性的突變位點，這些突變位點集中在LRP5胞外區域，使LRP5不被SOST和DKK1所結合和抑制[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現攜帶SOST的功能失活突變。因此，現在以LRP5/6，SOST和DKK1為靶點的藥物在骨異常相關的疾病中正在被測試，其中有些已經取得了積極的結果[22]。

Wnt/β-catenin信號通路在腫瘤發生中的作用也得到了詳細的研究。研究發現，由于APC功能缺失突變或者β-catenin自身突變而導致降解受阻，從而引起β-catenin的過度激活，最終導致干細胞的異常增殖和癌癥的發生[23]。2009年，Fuchs等發現干細胞中APC缺失或者β-catenin過度激活確實會導致腸道腫瘤的發生。APC的突變也是家族性腺瘤性息肉病（Familial Adenomatous Polyposis）的致病機理，患者在幼兒時期即高發大量的結腸腺瘤和息肉[24]。在急性骨髓性白血病（AML）中，Wang等發現Wnt/β-catenin信號是來源于粒細胞-巨噬細胞前體細胞（GMP）的白血病干細胞（LSCs）自我更新必需的。在正常的GMP細胞當中沒有β-catenin的表達，β-catenin的重新表達有助于GMP前體細胞轉化成白血病干細胞[25]。

2015年，Kwak等發現Wnt/β-catenin信號通路在哮喘病人呼吸道重塑過程中發揮著重要作用。作者發現哮喘病人的痰液中Wnt7a的mRNA的量大大高于健康受試者。同樣，在誘導慢性哮喘小鼠模型當中，發現肺部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的表達量可以減緩氣管炎的發生和氣道重塑的進程[26]。

6 展望

自從35年前發現Wnt1基因以來，Wnt/β-catenin信號通路已經被證明在調控細胞增殖、細胞的命運決定、組織和器官的發生發育過程中都起著重要的調控作用。隨著對Wnt/β-catenin信號通路的深入研究，對其認識也在不斷的加深，各種復雜的調節機制揭示了其在發育過程中作用受到精確的調控；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生緊密相關。總之，對Wnt/β-catenin信號傳導和調控的機制更加深入的理解將對生物學研究和轉化醫學應用產生廣泛的影響。

參考文獻

[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