初級纖毛通過信號通路調控胚胎神經發育的研究進展

梁穎超 王建華

初級纖毛(primary cilium，PC)是一種以微管為結構基礎的細胞器，幾乎存在于所有哺乳動物的細胞中。作為個體發育過程中的重要信號中樞，初級纖毛在多條信號通路的信息傳遞中發揮著重要作用，其結構及功能異常會導致多種發育缺陷。近年來，人們越來越關注初級纖毛與胚胎神經發育之間的關系。本文就初級纖毛通過信號通路調控胚胎神經發育的研究進展予以綜述并展開討論。

一、神經管畸形(neural tube defects，NTDs)

神經管發育是指胚胎腹背軸中線特定外胚層細胞卷曲、融合形成神經管的過程，分為初級神經管形成和次級神經管形成兩個階段。首先，在脊索誘導下與其毗鄰的外胚層轉變為神經板，然后兩側邊緣向上隆起增厚，形成神經嵴，中央凹陷形成神經溝，神經嵴逐漸向背部中線收縮融合形成中空的管道，此過程稱為會聚延伸運動(convergent extention，CE)。神經管發育過程依賴多種信號通路，包括音猬因子(sonic hedgehog，Shh)信號通路、Wnt/β-catenin信號通路、平面細胞極性(planar cell polarity，PCP)信號通路、肌醇代謝信號通路等。這些信號通路的異常會引起神經管的閉合不全，進而導致NTDs的發生。NTDs是由于胚胎發育第3～4周時神經管閉合過程發生障礙而引發的先天畸形，主要包括無腦畸形、腦膨出、脊柱裂等表型，全球發病率約為1.86‰，給患者家庭和社會帶來嚴重負擔[1]。目前普遍認為NTDs的發生是遺傳與包括營養因素在內的環境因素交互作用的結果，其發病機制目前尚未明確，研究發現初級纖毛在NTDs發生過程中發揮著很重要的作用。

二、初級纖毛的結構和功能研究

纖毛是一種突出于細胞表面的特殊細胞器，其形態類似“天線”，具有運動、感知外界刺激、物質運輸以及調控細胞生長等多種生物學功能。脊椎動物細胞表面存在運動纖毛和初級纖毛兩種纖毛。初級纖毛基本結構包括初級纖毛膜、基體部、纖毛過渡區和軸絲。基體部由一種特殊類型的中心粒構成，位于纖毛底部。軸絲是初級纖毛的主體部分，由9組微管雙聯體結構構成，其外由纖毛膜包繞，即“9+0”結構。纖毛內存在物質運輸(intraflagellar transport，IFT)系統，由驅動蛋白2(Kinesin-2)、動力蛋白2(Dynein-2)以及兩種蛋白復合體IFT-A和IFT-B構成，這些纖毛內運輸蛋白沿著軸絲微管進行雙向物質運輸驅動蛋白2和IFT-B形成的復合體實現將構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送到纖毛頂部的順向運輸，胞質動力蛋白2與IFT-A形成的復合體則是實現由纖毛頂部向基部的逆向運輸(圖1)[2-3]。初級纖毛的形成是一個高度有序的過程，當細胞進入G0/G1期時，基體調控初級纖毛的形成，而當細胞重新進入細胞周期時，初級纖毛會發生解聚。最近的研究表明纖毛形成和解聚在疾病發生發展中有重要作用，Zhang等[4]用腦器官樣細胞和小鼠模擬小頭畸形揭示了WDR62-CEP170-KIF2A促進初級纖毛解聚的途徑，該解聚途徑的異常會引起小頭畸形。

初級纖毛是個體發育過程中重要的信號轉導中心，可以檢測并傳遞細胞外的信號，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。由于初級纖毛協調這些信號轉導進而影響機體的生長發育及各種器官的正常生理功能，其結構及功能異常會導致多種發育和細胞信號缺陷，從而產生纖毛病(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]。

一些初級纖毛相關疾病常常伴發NTDs表征，如MKS、JBTS和BBS的臨床表現中有神經系統發育缺陷；腦膨出是MKS和JBTS的共同特征。MKS是一種圍產期致死性疾病，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是一種隱性神經發育障礙，其特征是先天性小腦和腦干缺陷，典型影像學特征為頭顱“臼齒征”[5]；BBS患者有頭顱或骨骼畸形的表型特征[6]。

三、初級纖毛影響神經管發育的機制

初級纖毛作為多個細胞信號轉導通路的重要結構，參與信號通路依賴的中樞神經系統發育過程。研究表明，初級纖毛通過Shh、Wnt/β-catenin、PCP及肌醇代謝信號通路從而影響神經管發育最終導致NTDs發生。

1.Shh信號通路:Shh信號轉導高度依賴初級纖毛的結構和功能的完整性，Shh受體蛋白Ptch1(Patched1)、Smo(smoothened)和Gli(glioma-associated oncogene)轉錄因子均定位于初級纖毛[7]。已有研究表明，內吞調節因子EHD1(Eps15 Homology Domain 1)通過調節Shh通路信號蛋白Smo進入纖毛，調節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，出現神經孔閉合缺損、腦膨出、前腦發育不全等神經系統發育缺陷，神經上皮細胞層纖毛幾乎完全喪失，胚胎神經底板和脊索上的Shh蛋白表達降低，Shh在神經管腹側標記數量減少，提示Shh信號降低[9]。推測可能是由于初級纖毛缺失，不能對Shh信號做出正確反應，從而導致無腦畸形等神經系統發育異常。Shh信號通路中Sufu蛋白定位于初級纖毛內，Sufu突變可導致Shh信號的異常激活，從而導致NTDs的發生[10]。GTP酶 Arl13b定位于初級纖毛上，調節纖毛內外的Shh信號通路，Mariani等[11]報道了小鼠Arl13b突變體以不同的方式影響Arl13b蛋白的纖毛定位、Shh的轉錄和Shh信號通路中Smo的富集，從而導致JBTS的發生，表現為神經系統發育障礙。以上研究表明，纖毛結構和功能的異常將影響Shh信號通路的信號轉導，進而導致神經系統發育缺陷。

2. 經典型Wnt/β聯蛋白 (β-catenin)通路：Wnt/β-catenin信號通路被認為與神經發生和神經可塑性相關，是哺乳動物神經系統發育的關鍵信號通路之一，該通路信號轉導異常會導致各種神經功能障礙。Kimura-Yoshida等[12]發現在神經管閉合過程中，β-catenin和Grhl3基因突變，影響神經外胚層發育，出現NTDs表型。初級纖毛異常能夠抑制經典Wnt/β-catenin通路，降低β聯蛋白的表達。糖原合成激酶-3β(glycogen synthase kinase 3β，GSK-3β)是初級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)通過降低GSK3β的Ser9磷酸化，導致GSK-3β的激活和β-catenin的下調，從而影響神經干細胞的增殖[13]。最近研究顯示，纖毛基底部驅動蛋白2家族蛋白A(kinesin -like protein 3A，KIF3A)缺失后，Wnt信號通路異常激活，小鼠神經干細胞無法分化為神經元[14]。Tian等[15]發現在與纖毛構成相關基因Ift88突變小鼠中，出現多種顱面畸形，小鼠細胞纖毛變短，且軸抑制因子2(Axin2)表達顯著上調，提示Wnt通路信號增加。Wheway等[16]的研究結果顯示，在負責編碼纖毛蛋白的MKS1基因缺陷的小鼠中，細胞中核β-catenin的水平增加以及Wnt /β-catenin途徑的下游效應蛋白細胞周期蛋白D1(cyclinD-1)的水平升高，提示Wnt信號增加，小鼠表現為后窩缺損和腦積水等MKS的典型特征。初級纖毛與Wnt/β-catenin的關系為探明NTDs的發病機制提供了新的思路和方向，但其具體機制還有待進一步研究。

3. PCP信號通路：PCP信號通路可以調控CE促進細胞形成神經板，異常的CE會導致神經管閉合缺陷。Chen等[17]對184例中國NTDs病人的基因分析,他們發現PCP信號通路中3個CELSR基因(CELSR1，CELSR2和CELSR3)在其中發揮重要作用，這3個基因的突變會導致NTDs患病的風險大大增加。Humphries等[18]在果蠅中進行了NTDs相關的Vangl1/2基因突變對PCP信號通路作用的分析，加強了PCP通路和NTDs之間的聯系。WDR34基因編碼初級纖毛內動力蛋白2的中鏈，在WDR34基因敲除的小鼠中，出現了腦膨出、脊柱裂等多種顱面部畸形，小鼠神經上皮細胞初級纖毛生長受限，Shh信號通路被抑制[19]。近期在無腦畸形患者中發現，WDR34基因突變可能通過同時影響Shh和PCP信號通路而導致NTDs的發生[20]。散亂蛋白2(dishevelled 2，DVL2)是PCP信號通路中的關鍵蛋白因子，且受磷酸化調控，DVL2在初級纖毛的發生過程中起非常重要的作用，在纖毛的基體可以檢測到磷酸化的DVL2[21]。Tian等[22]通過對NTDs樣本檢測發現PCP相關基因拷貝數變異，尤其是VANGL1缺失和DVL2增加，可能增加NTDs的發生風險。Vilboux等[23]的研究結果發現JBTS患者中發生CELSR2雙等位基因突變，患者表現為先天性小腦和腦干缺陷，大腦室管膜細胞纖毛發育和功能異常。Arl13b是一個小GTP酶，定位于初級纖毛上，在Arl13b蛋白缺失的情況下，纖毛短小且結構受損。人類ARL13B基因的突變會導致JBTS，表現小腦和腦干缺陷[24]。Song等[25]發現，Arl13b與Vangl2相互作用以調節纖毛的長度，表明初級纖毛通過影響PCP信號通路在胚胎神經發育發揮重要作用，但其具體的影響機制還需要進一步探究。

4. 肌醇代謝信號通路：肌醇(inositol)屬于維生素B族物質，是細胞生長與存活及胚胎發育的必需營養素，肌醇及其代謝通路在胚胎發育尤其是神經管發育過程中發揮著重要作用。近期研究發現，磷脂酰肌醇3,4,5三磷酸[PI(3,4,5)P3，PIP3]激活的PI3K/AKT信號通路影響神經元的分化過程[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合成代謝的關鍵調控酶，INPP5E蛋白質主要分布于初級纖毛上，可影響初級纖毛的穩定性，Luo等[27]發現斑馬魚INPP5E基因缺失時，初級纖毛變短且數量少。近期研究發現，INPP5E基因突變可致BBS和JBTS綜合征，有頭顱畸形表現[28]。由此推測肌醇循環信號通路與初級纖毛密切相關，共同作用于神經管發育缺陷。目前研究已經發現1,3,4,5四磷酸肌醇(IP4)在爪蟾胚胎上皮修復過程中調節Rho GTP酶活性，而哺乳動物脊髓神經管閉合需要依賴Rho GTP酶調節的肌動蛋白轉換和肌動球蛋白[29]，由此推測肌醇代謝通路和神經管閉合過程有密切聯系。構造家族(fectonic family member，Tctn)蛋白質是存在于纖毛過渡帶的一組蛋白質，對纖毛發育和纖毛形成有重要作用，Tctn3基因敲除小鼠通過改變Shh和PI3K/Akt信號通路導致小鼠細胞凋亡增加、致產前死亡和NTDs[30]。因此，肌醇循環通路在調節神經管發育中起重要作用，對神經系統發育缺陷相關疾病的早期診斷及防控具有重要的意義。

四、 展望

NTDs作為一種嚴重的出生缺陷，其確切發病的分子機制尚需進一步研究。初級纖毛作為一種古老而重要的細胞器，與NTDs之間的關聯逐步得到人們的廣泛關注，其通過調控Shh、Wnt/β-catenin、PCP及肌醇代謝信號通路等在神經管發育過程中發揮中重要的作用。隨著人們對于初級纖毛的結構、功能、信號轉導途徑與NTDs發生發展的分子機制的探索，將從初級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。