Wnt/β-catenin信號通路在腹膜透析相關性腹膜纖維化中的作用研究進展

侯 廣,鄒循亮

[遵義醫科大學第五附屬(珠海)醫院腎內科,廣東 珠海 519000]

腹膜透析(Peritoneal dialysis,PD)是指利用人體腹膜作為半透膜,以腹腔作為交換空間清除體內過多水分、代謝產物,從而達到血液凈化、替代腎功能的治療技術。腹膜透析是慢性腎衰竭患者重要的替代治療方法之一。據相關報道,腹膜透析的患者約占全球透析患者總數的11%[1],且腹膜透析的患者每年增長率為8%[2]。雖然腹膜透析的治療技術現已不斷完善,但其導致的腹膜纖維化(Peritoneal fibrosis,PF)仍然是腹膜透析失敗的主要原因。腹膜纖維化可導致腹膜正常結構性改變,進而導致腹膜透析過程中溶質和水分交換失敗,最終使超濾失敗和腹膜透析中斷。目前,臨床上關于腹膜透析相關性腹膜纖維化發生機制尚不完全清楚[3]。近些年來,許多研究表明Wnt/β-catenin信號通路參與調控多種組織和器官纖維化的發生發展[4-7]。在腹膜透析過程中,Wnt/β-catenin信號通路誘導的間皮細胞間充質轉分化(Mesothelial-to-mesenchymal transition,MMT)、血管新生以及慢性炎性反應可能是引起腹膜透析相關性腹膜纖維化的重要因素。本文通過對Wnt/β-catenin信號通路在腹膜透析相關性腹膜纖維化中的相關研究作一綜述。

1 Wnt/β-catenin信號通路

1.1 Wnt/β-catenin信號通路結構與功能 20世紀80年代,Nusse和Varmus在研究小鼠乳腺腫瘤病毒的致癌機制時發現了int1基因,隨后在果蠅遺傳突變體篩選中發現wingless與int1屬于同源基因并且功能相似,因此由兩者基因得到Wnt基因的命名[8]。Wnt基因可以編碼一種富含L-半胱氨酸的分泌型糖蛋白。Wnt蛋白可以通過自分泌或旁分泌方式與特異性受體結合,進一步激活細胞內的信號轉導通路,調節包括多種組織和器官纖維化等靶基因的表達[9]。Wnt信號途徑能引起細胞內β-連環蛋白(β-catenin)蓄積。β-catenin是一種多功能的蛋白質,可以在細胞連接處與鈣黏素相互結合參與形成黏合帶。細胞質中游離的β-catenin可進入細胞核,調節靶基因表達[10]。Wnt/β-catenin信號轉導通路是一條在進化過程中高度保守的通路,在胚胎發育和中樞系統形成中起關鍵作用。Wnt信號通路包括經典通路(也稱Wnt/β-catenin信號通路)和非經典通路[11]。非經典通路主要包括Wnt/PCP信號通路和Wnt/Ca2+信號通路等[12]。經典通路主要是由Wnt蛋白家族、卷曲跨膜受體蛋白(Frizzled,Fz)、低密度脂蛋白受體相關蛋白(Low density lipoprotein receptor-related protein,LRP)、蓬亂蛋白(Dishevelled,Dsh)、β-catenin、腺瘤性結腸息肉蛋白(Adenomatous polyposis coli,APC)、糖原合成酶激酶-3β(Glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)、軸蛋白(Axin)、T細胞因子(T cell factor,TCF)/淋巴樣增強因子(Lymphoid enhancing factor,LEF)轉錄因子家族等組成,其中β-catenin在該通路中處于中心位置。

1.2 經典的Wnt/β-catenin信號通路 經典的Wnt/β-catenin信號通路在非活化狀態下缺乏Wnt信號,Fz受體未被Wnt配體結合,胞質內β-catenin被GSK-3β和酪蛋白激酶-1α(CK-1α)磷酸化,磷酸化的β-catenin會被由Axin、GSK-3β、APC、CK-1α形成的“破壞復合物(Destruction complex)”識別和降解。當Wnt配體蛋白與Fz特異性受體結合后磷酸化LRP-5/6,并與Fz形成Wnt-Fz-LRP5/6異源三聚體復合物。然后招募并激活胞質內Dsh,促進Axin、GSK-3β、CK-1α復合體形成并激活LRP-5/6,引起Axin與LRP-5/6結合。與LRP5/6結合的Axin不能與GSK-3β、APC、CK-1α形成β-catenin蛋白降解復合物即“破壞復合物”[13]。沒有被降解的β-catenin 在細胞質內積聚并進入細胞核與轉錄因子TCF/LEF結合,激活 TCF 的轉錄活性,調節組織和器官纖維化基因等靶基因(如纖維連接蛋白、基質金屬蛋白酶-7)的表達[14]。因此,β-catenin是否磷酸化是該信號轉導通路活化的關鍵因素。

2 Wnt/β-catenin信號通路與腹膜透析相關性腹膜纖維化

Guo等[15]學者通過對比初始使用腹膜透析和使用腹膜透析1年以上的患者,發現在使用腹膜透析治療1年以上的患者中腹膜組織Wnt/β-catenin信號通路中Wnt1和Wnt5a配體、β-catenin和LEF-1的表達明顯增高。提示該信號通路可能參與調節腹膜透析相關性腹膜纖維化的發生。近些年來,越來越多相關研究發現Wnt/β-catenin信號通路通過參與誘導間皮細胞間充質轉分化、血管新生以及慢性炎性反應等誘導腹膜透析相關性腹膜纖維化的發生。

2.1 Wnt/β-catenin信號通路在間皮細胞間充質轉分化中的作用 由連續單層間皮細胞組成的腹膜在腹膜透析中充當半透膜,起滲透屏障的作用。在長期腹膜透析的過程中,暴露于含有高濃度葡萄糖及其降解產物的腹膜透析溶液可能會損害腹膜,導致間皮細胞層剝蝕、皮下纖維化和血管新生,最終導致超濾失敗、透析中斷[16]。腹膜間皮細胞是一種與上皮細胞具有相似特征的特定細胞類型,可在特定條件下轉化為肌成纖維細胞,即所謂的間皮細胞間充質轉分化(Mesothelial-to-mesenchymal transition,MMT)[17]。研究發現,間皮細胞間充質轉分化是促使腹膜透析相關性腹膜功能障礙的重要機制。在人和大鼠的腹膜纖維化體外實驗模型中,研究顯示高糖可誘導腹膜間皮細胞Wnt/β-catenin信號活化,通過下調“破壞復合物”的活性抑制β-catenin降解、促進胞質中β-catenin蓄積并發生核易位,進而促進誘導相關基因的表達,最終引起腹膜纖維化[18-20]。Dickkopf相關蛋白1(DKK-1)、ICG-001是Wnt/β-catenin信號通路的內源性抑制劑。Guo等[15]研究顯示人腹膜間皮細胞高表達DKK-1基因可以延緩高糖誘導的腹膜間皮細胞間充質轉分化的進程,主要是通過其表達的DKK-1蛋白在細胞外與Wnt配體競爭結合LRP5/6共受體使胞質中β-catenin的表達維持在較低水平,進而阻抑Wnt/β-catenin信號通路來延緩了間皮細胞間充質轉分化的進程。亦有研究顯示,在小鼠腹膜纖維化模型中,ICG-001可以阻礙β-catenin與環磷酸腺苷反應元件結合蛋白特異性結合,抑制其相關的TCF/LEF的信號轉導,進而減輕間皮細胞間充質轉分化和腹膜纖維化[21]。因此,Wnt/β-catenin信號通路可能成為阻止或延緩腹膜透析相關性腹膜纖維化進程的重要治療靶點。

2.2 Wnt/β-catenin信號通路在血管生成中的作用 研究發現,長期腹膜透析的患者中血管新生程度與腹膜纖維化的面積密切相關。血管內皮生長因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)是一種具有促進血管生成活性的生長因子,可通過促進內皮細胞有絲分裂參與調節血管生成[22]。研究顯示,VEGF誘導的血管新生與Wnt/β-catenin信號通路密切相關[23-24]。其中,Wnt1和Wnt5配體在腹膜纖維化血管新生中具有重要作用。Shi等[25]在葡萄糖酸氯已定誘導的小鼠腹膜纖維化模型中發現,zeste同源物2增強子可以通過調節Wnt1/β-catenin信號通路減少人腹膜間皮細胞中VEGF的產生和分泌,從而抑制腹膜血管新生;目前部分學者認為Wnt5a具有促進組織及器官纖維化的作用,而另一部分學者認為其對組織及器官具有抗纖維化作用。針對這一問題Padwal等[26]在TGF-β1誘導的小鼠腹膜纖維化模型中發現,Wnt5a通過與受體酪氨酸激酶樣孤兒受體2相互作用,促進GSK-3β磷酸化β-catenin抑制經典Wnt/β-catenin信號傳導通路,進而抑制VEGF的表達水平減少血管新生;而對受體酪氨酸激酶樣孤兒受體2沉默出現相反作用,因此Wnt/β-catenin信號傳導通路受體酪氨酸激酶樣孤兒受體2配體在組織及器官纖維化的進程中具有正向調節作用,而Wnt5a發揮促纖維化及抗纖維化作用取決于其信號通路配體。總之,Wnt/β-catenin信號通路可能通過調節VEGF誘導的血管新生參與腹膜透析相關性腹膜纖維化,但目前具體的作用機制仍不清楚。

2.3 Wnt/β-catenin信號通路在巨噬細胞極化中的作用 炎癥是促進腹膜纖維化發生發展的重要因素,主要包括細菌、真菌等感染所導致的腹膜炎、非生理性透析液和尿毒癥本身的毒性作用引起的長期微炎癥狀態。Temi等[27]研究發現,局部單核細胞/巨噬細胞的積聚與腹膜透析相關性腹膜纖維化的進展密切相關。巨噬細胞根據表型和功能主要分為M1及M2型。有學者發現Wnt/β-catenin信號傳導通路的活化后可刺激M2型巨噬細胞極化,產生過多的細胞外基質、分泌促纖維化生長因子,從而促進多種組織和器官的纖維化[28]。Feng等[29]在小鼠腎間質纖維化的體內外實驗中發現,Wnt5a可以通過刺激轉錄調節因子Yes相關蛋白(Yap)/含PDZ結合序列的轉錄共激活子(Taz)介導的M2型巨噬細胞極化促進腎臟纖維化。同樣,在小鼠腎間質纖維化的體內外實驗中,Cosin-Roger等[30]也發現Wnt3a可以在Wnt/β-catenin信號通路激活后,通過促進IL-4或TGF-β1誘導的M2型巨噬細胞極化促進巨噬細胞的增殖和積聚,最終導致腎臟纖維化。Hou等[31]在小鼠肺纖維化模型中發現Wnt7a可與肺間充質干細胞的干擾卷曲蛋白1結合導致胞質中的β-catenin核易位,進而誘導M2型巨噬細胞增殖和積聚。他們進一步研究發現Wnt7a可能通過自分泌或旁分泌作用模式作用于周圍的肺間充質干細胞使之向肌成纖維細胞的分化,進而誘導的肺纖維化形成。雖然目前關于Wnt/β-catenin信號通路介導巨噬細胞參與腹膜的纖維化形成尚未有相關報道,但已有研究證實巨噬細胞介導的慢性炎癥與腹膜纖維化程度相關[32]。總之,Wnt/β-catenin信號傳導通路介導的M2型巨噬細胞極化參與多種組織和器官的纖維化。

3 Wnt/β-catenin與TGF-β/Smads通路共同參與腹膜透析相關性腹膜纖維化

TGF-β是腹膜透析相關性腹膜纖維化的關鍵纖維化因子,TGF-β與細胞表面TGF-β Ⅱ型受體結合,進一步激活TGF-β Ⅰ型受體并與之形成受體復合物,進而導致間皮蛋白激酶C磷酸化Smad2/3,磷酸化的Smad2/3和Smad4形成復合物,并易位到細胞核并調節促纖維化基因轉錄。而Smad7是TGF-β/Smads信號通路的細胞內抑制劑,通過競爭性結合TGF-β Ⅰ型受體,阻止Smad2/3磷酸化,調控纖維化基因的負性調節。近期,在TGF-β誘導的腹膜間皮細胞纖維化過程的研究中,發現Wnt/β-catenin信號通路與TGF-β/Smads信號通路能相互作用,協同調節間皮細胞間充質轉分化進程,進而調控腹膜透析相關性腹膜纖維化。Yu等[19]在大鼠腹膜纖維化模型體內外實驗中發現,黃芪可以通過增強腹膜間皮細胞中Smad7表達來下調TGF-β誘導的β-catenin表達,從而保護腹膜免受間皮細胞間充質轉分化和腹膜纖維化的影響。Liu等[33]在大鼠腹膜纖維化模型中發現,MiR-122-5p可以通過腹膜間皮細胞高表達Smad5抑制胞質中β-catenin表達,進而阻抑Wnt/β-catenin信號通路,從而抑制腹膜纖維化和間皮細胞間充質轉分化進展。這些均提示Wnt/β-catenin與TGF-β/Smads通路共同相互作用參與腹膜透析相關性腹膜纖維化。

正常細胞在靜息狀態下缺乏Wnt信號,Smad7可以與β-catenin和Smad特異性E3泛素蛋白連接酶2(Smurf2)結合,降解β-catenin以保持其在胞質內低水平。Smad7還與磷酸化的YAP和Smurf結合,進而與TGF-β I型受體形成高親和力復合物,可以阻抑TGF-β/Smads通路起對纖維化基因的負性調節作用。與此同時,磷酸化的YAP和TAZ與β-catenin破壞復合物有關。進一步,磷酸化的YAP也可以與β-catenin相關,進而抑制其核轉位并促進其在胞質降解。細胞在活化狀態下,Wnt配體蛋白與Fz特異性受體結合后磷酸化LRP-5/6,并與Fz形成Wnt-Fz-LRP5/6異源三聚體復合物。然后招募并激活胞質內Dsh,使破壞復合物不能形成,而β-catenin 在細胞質內積聚并進入細胞核與轉錄因子TCF/LEF結合,激活 TCF 的轉錄活性,調節Wnt為主的纖維化基因等靶基因。在TGF-β誘導下,Axin促進Smad2/3的尾部磷酸化。同時,Axin還與Arkadia和Smad7形成一個復合物,以增強TGF-β/Smads通路信號傳導。而被激活的Smad復合物與TAZ和YAP結合,然后轉移到細胞核以激活以Smad為主的纖維化基因。

4 結 語

新近,研究發現Wnt/β-catenin信號通路在腫瘤發生、多種組織和器官的纖維化等疾病中發揮著重要的調控作用。越來越多的學者認為,在腹膜透析相關性腹膜纖維化的發生發展中Wnt/β-catenin信號通路誘導的間皮細胞間充質轉分化、血管新生以及慢性炎性反應可能是引起腹膜透析相關性腹膜纖維化的重要因素。目前臨床上基于Wnt/β-catenin信號通路抗腹膜透析相關性腹膜纖維化研究較少,主要集中于動物模型,深入了解Wnt/β-catenin信號通路調節腹膜纖維化的具體作用機制有助于阻止或者延緩腹膜透析中腹膜纖維化的發生發展。`