2017, Vol. 44扩展功能
文章信息
- 庞博, 姜涛, 杜元灏, 李晶
- Wnt信号通路对脑梗死后血管新生的调控机制探讨
- 国际神经病学神经外科学杂志, 2017, 44(2): 199-202
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文章历史
收稿日期: 2016-08-23
修回日期: 2017-03-13
2. 天津中医药大学第一附属医院针灸部, 天津市 300381;
3. 天津中医药大学第一附属医院针灸研究所，天津市 300381
Wnt通路是研究较早且较成熟的一条信号转导途径，广泛存在于无脊椎动物和脊椎动物中[1]。Wnt相关配体通过与靶细胞表面特异性受体相互作用来实现细胞间信号的传递，进而参与对胚胎干细胞的增殖、分化、凋亡等生理病理过程的调控[2]。研究表明，Wnt蛋白存在于血管中，是参与脑血管生成的重要调节介质，激活或抑制Wnt信号通路对胚胎和成体血管新生起到一定控制及调节作用[3]。本文对Wnt信号通路的调节过程及其对中枢神经系统(central nervous system, CNS)血管新生的调节机制的相关研究进行综述，以期为脑梗死后血管新生的影响机制研究提供参考。
1 Wnt信号通路概述 1.1 Wnt信号通路的构成Wnt信号通路主要包括以下成员：细胞外的配体蛋白、膜表面特异性受体及胞浆内的信号物质和核内的转录调控成分[4]。组成通路的主要组分和调制因子的类别见表 1[5]。
| Components and function | Family members |
| Wnt ligands | Wnt-1 (Wg), Wnt-2, Wnt-2b, Wnt-3, Wnt-3a, Wnt-4, Wnt-5a, Wnt-6, Wnt-7a, Wnt-7b, Wnt-8a, Wnt-8b, Wnt-9a, Wnt-9b, Wnt-10a, Wnt-10b, Wnt-11, Wnt-16 Alternative ligands: Norrin and R-spondins |
| Receptors | Fzd receptors (Fzd1-10) Low-density lipoprotein receptor related proteins 5 and 6 (LRP5/6) Ror2, Ryk and PTK7 |
| Signaling intermediates | Dishevelleds (Dsh) |
| β-Catenin destruction complex | Axin, adenomatous polyposis coli (APC), glycogen synthase kinase-3 β (GSK-3 β), casein kinase-1 (CK-1), protein phosphatases (PP1 and PP2A) |
| Transcription factors | T-cell factor (TCF-1, TCF-3, TCF-4), lymphoid enhancer factor (LEF-1) |
| Extracellular modulators | Secreted Frizzled related proteins (sFRP), Wnt-inhibitory factor (WIF-1), Dickkopfs (DKK) |
Wnt信号通路分为经典途径(因下游信号受β-catenin调控，故也称为Wnt/β-catenin信号途径)和非经典途径[6]。目前，对于前者的研究最为透彻。
1.2.1 经典Wnt/β-catenin信号转导途径经典Wnt信号通路的主要标志是β-catenin在细胞质的积聚及迁移入核。β-catenin的浓度受Axin、GSK-3β、APC和CK-1组成的复合物的控制。当Wnt信号未能激活时，β-catenin依次被Axin复合体中的CK-1、GSK3β磷酸化，继而在被E3泛素连接酶β-转导重复蛋白(β-transduction repeat-containing protein, β-Trcp)识别后，经泛素化被蛋白酶体(proteasome)降解[7-9]。当存在Wnt信号时，Wnt配体与细胞膜上的受体Fzd及辅助受体LRP5/6结合，同时胞质中的Dsh被募集到膜下。在Dsh的作用下，GSK3β等成分经磷酸化后从Axin上脱离，导致“APC-Axin-GSK3β复合物”不能形成，从而阻断β-catenin的降解。大量游离的β-catenin进入细胞核与TCF/LEF结合，进而调控靶基因的转录[7]。经典Wnt/β-catenin信号途径可概括为：Wnt→Fzd & LRP5/6→Dsh→β-catenin的降解复合体解散→β-catenin积累，入核→TCF/LEF→基因转录(如c-myc、cyclinD1等)。
1.2.2 非经典Wnt信号转导途径非经典Wnt信号通路主要分为Wnt/Ca2+通路和平面细胞极性(the planar cell polarity, PCP)通路，二者的信号传导过程均不依赖β-catenin。
目前普遍认为，Wnt/Ca2+通路是通过Wnt5a和Wnt11激活Fzd受体蛋白G蛋白后，引起胞内钙离子水平的升高并激活一系列激酶的级联反应[10, 11]，主要涉及G蛋白激活磷脂酶C(PLC)、蛋白激酶C(PKC)和钙调蛋白(CaMKⅡ)。CaMKⅡ能够诱导核内转录因子NFAT的激活，进而参与对细胞黏附、迁移和组织分化的调节[12]。钙离子浓度升高又能激活钙调磷酸酶(calcineurin, CaN)，进而活化TAK1和NLK激酶，二者被认为是抑制经典Wnt信号途径的重要脚手架蛋白[13, 14]。此外，PCP通路主要通过Wnt配体与Fzd受体及其辅助受体(NRH1、Ryk、PTK7或Ror2) 结合，相继激活Dsh下游区、小G蛋白Rho和ROCK，从而参与细胞骨架的调节。
2 Wnt信号通路在脑梗死后血管新生中的生物学机制脑缺血后形成的急性梗死灶包括中心坏死区及其周围的缺血半暗带(ischemic penumbra, IP)，多数学者认为IP自缺血1 h后即出现，发展到最终梗死的时间窗可达24 h，甚至48 h[15]。研究表明，IP脑组织的低灌注状态“基本上可逆”，且随着时间推移处于动态变化过程，在有利条件下会促进血流再通而逐渐恢复为正常组织，而在不利条件下可进展为脑梗死组织[16-18]。因此，脑梗死后微血管新生对有效时间窗内IP血流的改善具有重要作用[19]。
2.1 Wnt信号通路与内皮细胞增殖内皮细胞(endothelial cell, ECs)作为血管系统的基本单元，在促进血管发生和重塑中发挥着关键作用；同时，ECs又是构成血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)的重要成员，而后者对维持大脑可塑性至关重要，也是脑神经发生和血管新生之间的关键纽带[20, 21]。CNS血管新生是ECs增生、迁移以及再塑、成熟的过程，而Wnt信号通路在其中起到重要调控作用[19]。
研究发现，CNS血管的ECs膜主要表达Fzd4、Fzd6和Fzd8，其中Fzd6表达尤高；阻断Fzd受体会出现CNS血管发育异常[22]。体外实验继而证实了Wnt配体(包括Wnt1, Wnt3, Wnt5a、Wnt7a和Wnt7b)在诱导CNS的ECs增殖(和/或迁移)中的重要作用[23, 24]。研究发现，胚胎期脑组织和脊髓可以产生Wnt7a和Wnt7b，在内皮中能够通过激活经典Wnt信号通路促进血管新生和BBB的形成[24]；联合剔除神经上皮Wnt7a和Wnt7b导致CNS的血管发生无法正常进行，且会发生动脉出血[23]。此外，动物实验也发现了在病理性血管新生过程中，信号关键因子β-catenin在ECs内的异位以及核内的迁移现象。阻断CNS的Wnt/β-catenin信号通路能特异性干扰血管新生过程，主要体现在血管密度降低、毛细血管床丧失和畸形血管形成[23]。
近年对于Gpr124在血管新生中的作用以及与Wnt信号通路关系的研究备受关注。Gpr124是黏附G蛋白家族偶联受体(GPCRs)的一员，特定表达于发生中的ECs。研究发现，Gpr124基因突变会阻碍小鼠胚胎期CNS血管新生和BBB形成，这与阻断经典Wnt信号通路所造成的CNS发生缺陷极为相似[25, 26]。故CNS中，Gprl24可能作为一个特异性的配体激活剂来开启经典Wnt通路，进而实现对CNS血管芽生的调控[26-28]。
2.2 Wnt信号通路与血脑屏障的塑形Wnt信号在调控“神经血管单元”(neurovascular unit, NVU)BBB的完整性中起到重要作用[29]。研究发现，内皮的Wnt/β-catenin信号在胚胎时期开始就能够诱导BBB的形成及维持BBB的稳态；阻断Wnt/β-catenin信号通路除了影响血管新生之外，还对ECs的紧密性造成损害[30]。
研究表明，Wnt蛋白不但存在于血管中，还存在于BBB中，是参与脑血管新生和BBB分化的重要调节介质[31]。Wnt配体Wnt3a/Wnt7a/b以及β-catenin都能够提高闭合蛋白3(Claudin3) 的表达。Claudins(脑中主要为Claudin3、Claudin5和Claudin 12) 是紧密连接(TJ)的胞外结构之一，而TJ是BBB完整性的主要标志。另有研究发现，体外稳定原代培养的CNS的ECs中的β-catenin可以提高Claudin3的表达、TJ的形成和BBB特性基因的特征；而β-catenin的失活又会导致Claudin3显著下调和BBB的降解[23, 30]。并且，Wnt3a/Wnt7a/b还能够调节BBB中葡萄糖转运体glut-1的表达，从而对BBB的转运过程产生影响[32]。此外，Wnt信号辅助受体LRP5/6在脑血管生成及维持BBB稳定性中起到辅助作用[25]。
2.3 Wnt通路与血管生成相关因子的协同作用大量研究已经证实，生长因子相关基因(如VEGF、bFGF)是Wnt/β-catenin信号通路的靶基因；采用β-catenin/TCF抑制剂抑制Wnt/β-catenin信号通路后能显著下调VEGF的表达[33]。另有研究发现，使用GSK-3β抑制剂氯化锂后，VEGF-A和β-catenin的表达明显上调，这对缺血性脑损伤后血管重塑产生正向调节作用，这也为脑卒中的治疗提供了新的研究方向[34]。
Wnt家族与细胞膜上受体结合进入细胞内，经过一系列反应，可激活核内HIF-1α。而HIF-1α作为缺氧条件下刺激VEGF分泌的重要介导因子，能在基因水平上调控VEGF的表达。在正常情况下，β-catenin/TCF-4复合物能上调HIF-1α抑制因子VHL的表达，而在低氧条件下，VHL表达下降会导致HIF-1α的聚集。研究发现，HIF-1α可竞争性地与β-catenin结合进而促进下游靶基因的表达[19]。另外，Wnt配体能够以不依赖β-catenin的方式活化雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)，促进HIF-1α信号进入细胞核与DNA结合，进而激活VEGF信号通路[35]。
此外，血管生成素/酪氨酸激酶受体(angiopoietin/tyrosine kinase receptor, Ang/Tie)系统对调节血管网形成也有着重要作用，其中Ang-1对于VEGF诱导脑血管新生的不良作用(血管通透性升高引起的渗漏)起到一定拮抗作用，与VEGF系统协同调节脑缺血后血管新生并提高BBB的完整性[36]。研究表明，Wnt5a能促进基质金属蛋白酶1(matrix metalloproteinase-1, MMP-1) 和Tie-2的表达，从而促进Ang的结合，诱导ECs增殖[37]。
R-spondin(Rspo)是近年来发现的蛋白家族。研究发现，Rspo3基因敲除小鼠的胚胎血管发育严重缺失，提示Rspo3可能影响血管的发生和发育[38]；并且，这种缺陷可能与胎盘中VEGF的表达受抑制有关[39]。此外，向人血管上皮细胞系中加入体外重组的Rspo2能够促进体外血管的生成，进一步添加Dkk1又起到抑制Rspo2的作用。故推测Rspos很可能通过对经典Wnt信号通路的作用从而激活VEGF信号，进而促进血管新生。
3 展望脑卒中具有发病率高、致残率高、病死率高的特点，而缺血性脑卒中(脑梗死)占全部脑卒中的60%~80%[16]，如何在有效时间窗内最大限度挽救可逆性神经元、减轻梗死范围是临床治疗脑梗死的重点所在。近年来，诸多研究证实了Wnt信号通路在脑梗死后血管新生中发挥着重要作用，尤其是对ECs增殖和大脑可塑性的维持。然而，脑梗死后血管新生是一个多因素、多机制参与的复杂过程，多条信号通路及相关因子形成网状复杂的分子信号网络。深入研究并阐明Wnt信号通路在脑梗死后血管新生中的作用机制，可以为缺血性脑卒中治疗性血管新生开启新的航向。
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