基于Wnt/β-catenin信號通路的髓鞘發育及再生研究進展

孫 瑩 梁曉春 宋 瑋

髓鞘作為有髓神經的基本結構，使神經外部的復雜環境與神經內部的軸突隔離、絕緣開來，從而保證神經沖動的快速、跳躍式傳導，同時也對神經元軸突起到營養、支持等作用，對于維持有髓神經纖維的正常功能、促進神經再生具有重要意義。髓鞘發育不全或髓鞘脫失會直接導致神經結構損傷和功能失常，髓鞘的完整性保證了神經在損傷后的修復和再生[1]。Wnt/β-catenin信號通路又稱經典Wnt信號通路，細胞的增殖、分化、凋亡和遷移等都受到Wnt/β-catenin信號通路的影響，涉及到胚胎發育、組織穩態、腫瘤形成等多種生物學過程[2,3]。越來越多的研究表明，Wnt/β-catenin信號通路也是神經髓鞘發育及再生過程中的關鍵調控環節。因此，本文綜述了近年來關于該信號通路在髓鞘發育和再生中的作用的研究進展。

一、Wnt/β-catenin信號通路概況

Wnt信號通路家族作為一個極為復雜的信號網絡，是控制細胞命運的基礎通路，對于維持組織發育的內穩態具有重要作用。Nusslein-Volhard等[2]早在1980年便發現int-1基因片段出現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細胞外配體的統稱。至今，共有4條Wnt通路被發現，其中研究最為廣泛的Wnt/β-catenin 信號通路也被成為經典Wnt通路。Wnt/β-catenin信號通路存在抑制(off)和激活(on)兩種狀態。在缺少Wnt配體時，Wnt/β-catenin通路處于抑制狀態。此時，β-連環蛋白(β-catenin)和細胞表面的E-鈣黏蛋白發生反應，形成穩定復合物并黏著細胞。APC、axin2、GSK-3β等蛋白則與進入細胞內部的β-catenin形成復合物，β-catenin繼而通過泛素化和磷酸化后被降解。在細胞核內，轉錄因子TCF的抑制蛋白與TCF呈結合狀態，從而抑制目標基因的轉錄和表達。而當源于旁分泌的Wnt配體與細胞表面的Frizzled受體特異性地結合后，相鄰的LRP5/6家族蛋白亦會被激活，Wnt/β-catenin信號通路進入激活狀態。一旦Wnt/β-catenin通路被激活，細胞內游離的β-catenin含量上升并在細胞核內積累，與TCF/LEF家族轉錄因子形成復合物以激活Wnt靶基因的轉錄[3]。雖然Wnt信號通路是一個進化相對保守的信號途徑，但2019年一項研究發現，在經典Wnt信號途徑中一部分β-catenin能夠不依賴TCF/LEF轉錄因子而發揮轉錄活性，調控靶基因表達[4]。

二、Wnt/β-catenin信號通路在中樞神經髓鞘發育及再生中的作用

少突膠質細胞(oligodendrocyte)是形成中樞神經系統髓鞘的主要來源，經少突膠質細胞祖細胞、少突膠質細胞前體細胞等階段發育成熟，排列于有髓神經纖維之間[5]。研究發現，Wnt信號通路(尤其是Wnt/β-catenin信號通路)是中樞神經髓鞘中細胞增殖、分化、成熟等關鍵環節的重要通路[6,7]。但是，對于Wnt/β-catenin通路的激活究竟是抑制還是促進了中樞神經髓鞘的發育和再生，不同研究得到的主要結論不盡相同，以下分別進行闡述。

1.抑制作用：2009年，Fancy等[8]在少突膠質細胞系和多發硬化小鼠中均發現，β-catenin的核膜受體TCF4/TCF7L2的表達量升高時，少突膠質前體細胞的分化減少，從而推測Wnt/β-catenin通路的激活會抑制髓鞘的發育。進而該研究團隊分別在新生小鼠和成年脫髓鞘小鼠的中樞神經系統中，通過促進β-catenin的磷酸化降解從而抑制Wnt/β-catenin通路，結果發現少突膠質前體細胞的分化能力顯著增強。對于β-catenin高表達的轉基因小鼠，其中樞神經的軸索直徑顯著小于正常組小鼠，上述結果均表明該通路的激活抑制了中樞神經髓鞘的發育和再生[9]。隨后，Feigenson等[10]和Lee等[11]先后通過體外實驗發現，當加入Wnt/β-catenin信號通路配體Wnt3a的激動劑后，少突膠質前體細胞分化的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，則可促進少突膠質前體細胞的分化，從而促進中樞神經髓鞘的再生。Preisner等[12]也通過體外研究中發現，當少突膠質細胞及其前體細胞中的GSK-3β表達受到抑制后，24h內該細胞的增殖和分化明顯增多，但是實驗進行48h后，對照組和實驗組的數據基本持平。Yuen等[13]的研究也得出了一致的結論，即Wnt/β-catenin 信號通路的激活對少突膠質前體細胞的分化和成熟具有抑制作用。

2.促進作用：后續更多研究與以上幾項研究得到的結論相反，認為Wnt/β-catenin信號通路被激活反而能夠促進少突膠質細胞的增殖、分化。例如，Lie等[14]發表在《Nature》上的一項研究認為，Wnt/β-catenin信號通路在成年哺乳動物中樞神經系統中海馬神經元(adult hippocampal stem/progenitor cells, AHPs)的生成過程中發揮重要的調控作用。該團隊通過體內實驗驗證了Wnt3蛋白的過表達會激活Wnt/β-catenin信號通路，繼而促進AHPs的神經再生；破壞Wnt/β-catenin通路的信號轉導則幾乎徹底阻斷了AHPs的再生。在體外模型中，破壞該通路的信號轉導亦會顯著降低AHPs的生成。此外，Ortega等[15]通過連續實時成像和單細胞追蹤等技術發現，在成年大鼠的中樞神經系統中，少突膠質前體細胞及處于早期的少突膠質細胞的增殖會隨著Wnt/β-catenin信號通路的激活而增強。隨后的體外實驗也進一步驗證了這一結果，向少突膠質細胞系中添加Wnt1和Wnt3a配體以激活該通路后，少突膠質前體細胞和早期少突膠質細胞的數目顯著增加，細胞增殖能力增強；反之，抑制β-catenin的表達以抑制Wnt/β-catenin通路后，細胞增殖速率降低。

3.時間及空間特異性：也有一些研究對上述不同的結論進行了進一步闡釋，認為Wnt/β-catenin通路的激活對于中樞神經髓鞘發育再生的促進作用，或與細胞所在的特定生命周期相關。例如，Hammond等[16]研究發現，少突膠質細胞中β-catenin的核膜受體基因TCF2L7在細胞的有絲分裂后期會出現瞬時上調表達。該團隊也進一步采用TCF2L7基因敲除小鼠驗證了TCF2L7正向作用于Wnt/β-catnin信號通路，促進少突膠質細胞增殖和分化，從而促進新生小鼠的髓鞘生成。但該研究認為，TCF2L7基因的作用主要是通過促進少突膠質細胞的分化而促進髓鞘生成；而在少突膠質前體細胞中，TCF2L7并沒有起到正向調節作用，即該基因的作用與細胞所處生命周期密切相關。不過，Hammond等[16]同時發現，敲除APC基因繼而使TCF2L7基因的表達量下降后，Axin2、β-catenin等來自該信號通路家族的其他蛋白表達出現上調。因此，該研究提出TCF2L7的表達水平并不能作為髓鞘再生和發育的判斷依據，從而解釋了Fancy團隊所得的相反結論[8,9]。此外，Fu等[17]在病毒誘導的人腦神經脫髓鞘組織中發現了TCF2L7表達上調的現象，表明Wnt/β-catenin通路被激活。但該研究認為這一現象并不能證明該通路激活與腦組織脫髓鞘的因果關系。因為進一步研究發現，只有在髓鞘脫失部位，TCF2L7才呈現出高表達，而這些脫失部位的髓鞘再生活躍，這也可能是TCF2L7上調、Wnt/β-catenin通路激活所帶來的結果[18]。

三、Wnt/β-catenin信號通路在外周神經系統髓鞘發育及再生中的作用

施萬細胞(Schwann′s cell)是外周神經系統中有髓神經髓鞘的主要來源，可表達分泌具有調節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，嚙噬動物出生后的21天內，MPZ和PMP22呈高表達；21天后，隨著髓鞘的發育基本結束，這兩種蛋白隨之轉為低表達。而一旦外周神經發生損傷、髓鞘發生脫失時，施萬細胞開始進行增殖，隨后進行分化，不斷對軸突進行包圍，最終可以得到新髓鞘[6]。此時MPZ及PMP22的蛋白表達量又呈上升趨勢。因此這兩種蛋白常作為評價周圍神經生長及修復情況的標志性蛋白。

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

四、展 望

在髓鞘發育和再生領域，Wnt/β-catenin信號通路的重要作用備受關注。然而，對于該通路的激活究竟如何影響髓鞘的發育和再生過程，特別是對于中樞神經系統，現有研究結果并不完全統一。但實際上，髓鞘組織不僅需要在胚胎發育階段發展成形，在成體階段還需要有效地維持組織穩態平衡，處于動態循環之中。綜合研究現狀，筆者認為，未來的相關研究可重點從以下兩方面進行考量。

首先，現有研究表明，β-catenin及其受體的表達量在不同周期的施萬細胞中以及在不同狀態下(正常/髓鞘脫失)的神經組織中具有顯著差異。這些結果說明，Wnt/β-catenin信號通路在髓鞘發育或再生中的具體調控作用，可能會根據細胞或生命體的不同周期或不同狀態而有所不同。如前所述，外周神經系統的髓鞘生成過程及髓鞘受到損傷后的修復過程中，Wnt/β-catenin信號通路被激活，其他情況下則處于抑制狀態。而在中樞神經系統中，Wnt/β-catenin通路中關鍵蛋白在髓鞘發育的不同階段中的動態變化規律，目前尚未見全面報道。盡管以往一些報道認為中樞神經系統中髓鞘的生成會被Wnt/β-catenin信號通路的激活而抑制，但這一結論主要是基于新生髓鞘和新生動物模型得出的。而另外一部分研究者認為該通路的激活促進了髓鞘再生，這一結論則大多是基于成年動物模型得出的。因此Wnt/β-catenin通路的作用及髓鞘生長機制在動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了Wnt通路對組織器官發育和再生的重要調控作用，但Wnt信號通路及其復雜，Wnt/β-catenin只是Wnt信號通路的一部分，非經典Wnt通路的調控涉及多個復雜的細胞系統遷移。除Wnt/β-catenin通路外，Wnt家族的其他通路也可能對軸突、樹突、突觸的生長發育過程進行調控。例如，目前已鑒定的Wnt配體有近20種，與β-catenin結合的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結合的一個亞型，β-catenin除與TCF2L7結合抑制少突膠質細胞分化外，還可能與TCF的其他亞型結合，進而影響少突膠質細胞的生長分化。目前無論是中樞神經系統還是周圍神經系統中髓鞘發育和再生的研究，大多僅涉及了部分Wnt配體和TCF中的個別亞型。未來研究可借助轉錄組學、蛋白質組學等高通量技術手段，從縱向(髓鞘的不同發育階段)和橫向(不同狀態下的髓鞘組織)兩個維度開展研究，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及外周神經中髓鞘發育和再生過程的調控機制。