Wnt通路调控胚胎早期神经发育的研究进展

Wnt通路调控胚胎早期神经发育的研究进展

陈丽娜

吉林大学基础医学院，吉林 长春，130021

摘要：Wnt通路是胚胎早期神经发育的关键调控通路之一。该通路在神经干细胞增殖、分化和迁移等过程中发挥着重要作用。Wnt通路主要包括Wnt蛋白家族、Frizzled受体 family、β-连环蛋白等重要因子。Wnt蛋白通过结合Frizzled和LRP受体形成受体复合体,引导β-连环蛋白信号转导进入细胞内,影响下游基因的表达调控细胞功能。Wnt通路失调与多种神经系统疾病的发生发展密切相关。本文查阅国内外相关文献发现，Wnt通路失调易导致神经系统发育异常。Wnt通路调控胎儿期赖氨酸水平也影响神经细胞的增殖分化。本文为进一步阐明其在神经疾病发生机制中的重要参与提供了理论依据。

关键词：Wnt通路；胚胎；早期神经发育；神经干细胞

神经系统的发育始于胚胎时期，并在出生后仍在继续。胚胎早期神经发育的关键事件包括神经干细胞的增殖、分化和迁移。神经发育过程中存在多种细胞参与，神经胶质细胞、中间神经元及其他神经元间形成的连接[1]。如胚胎干细胞中神经运行过程中获得的(神经诱导)可由骨形态发生蛋白、成纤维细胞生长因子和Wnt信号传导控制[2]。可见，神经诱导是神经干细胞发育成神经细胞的最初步骤，并且与胚胎身体轴的发育密切相关[3]。神经发育缺陷可导致严重且常见的结构性出生缺陷，例如颅面异常和先天性心脏病[4]。而Wnt通路是神经细胞神经传导过程中较为重要的通路之一。研究显示，Wnt-1和 Wnt-3a 基因编码富含半胱氨酸的分泌信号的 Wnt 家族成员，在发育中的神经管的背侧中线共表达，与背侧模式一致[5]。Wnt 信号传导介导胚胎发生过程中的主要发育过程，并调节成年哺乳动物干细胞的维持、自我更新和分化[6]。也有研究显示，Wnt/β-catenin 可调节神经祖细胞的自我更新及促进分化[7]。同时，神经祖细胞在神经发育过程中能够产生颗粒神经元[8]。在神经系统中，Wnt通路参与了神经干细胞的增殖、分化和迁移等过程。本文将对Wnt通路调控胚胎早期神经发育的研究相关进展进行系统回顾。

1. Wnt信号通路概述

Wnt信号通路是由Wnt蛋白、Frizzled蛋白和LRP蛋白为主要成分组成的信号通路。通常分为经典与非经典两大类。其中，Wnt蛋白与Frizzled蛋白结合后，激活LRP蛋白，从而导致下游信号转导通路。Wnt信号通路可以分为经典通路和非经典通路。经典通路是由β-catenin介导的，非经典通路是由planar cell polarity (PCP) 和Wnt/Ca2+通路介导的。Wnt信号通路在神经系统发育中发挥着重要作用。在神经干细胞增殖过程中，Wnt信号通路通过抑制GSK3β的活性，从而稳定β-catenin的表达。β-catenin与转录因子TCF/LEF结合后，激活下游靶基因的表达，从而促进神经干细胞的增殖。在神经干细胞分化过程中，Wnt信号通路通过激活Notch信号通路，从而抑制神经干细胞的分化。在神经干细胞迁移过程中，Wnt信号通路通过调控细胞骨架的重组，从而促进神经干细胞的迁移。Wnt/β-catenin通路在脊椎动物神经板区域化过程中发挥着重要作用，正常前脑发育所需的最前部神经外胚层的抑制作用[9]。

2. 胚胎早期神经发育研究现状

当前研究热点主要集中阐明神经干细胞和神经祖细胞在不同时期和区域的生成机制，尤其是神经干细胞的分裂模式和转化机制方面。哺乳动物的发展依赖于细胞增殖和精确协调的分化过程。多能性维持细胞机制不仅在植入前胚胎的细胞中发挥作用，而且在胚胎来源的胚胎干细胞和成胚层干细胞中也发挥作用[10]。神经干细胞(NSC)受扩散因子控制。转录因子 Sox2 由 NSC 表达，人类中的 Sox2 突变会导致大脑缺陷，特别是海马缺陷[11]。在脊椎动物的早期发育过程中，组织者区域--通过分泌形态发生因子向邻近细胞发出信号并进而对其产生影响的细胞群--在确定的组织区域内建立和维持细胞特性方面发挥着关键作用[12]。研究表明，抑制 Wnt 信号通路后，EPI 聚集体会建立一个扩展的轴向模式，从而导致前部神经祖细胞和后部组织的共同衍生[13]。另有学者发现，Notch 和 Wnt 信号传导在早期胚胎动力学节奏调节中的相互作用及其在此阶段的作用对胎儿后期发育到足月具有显着的传递影响[14]。人类多能干细胞具有显着的自我组织成囊胚样结构(“囊胚”)的能力，该结构模拟植入前胚胎中的谱系分离。沉默胚胎腭突间充质细胞中沉默转录因子特异蛋白5可通过对Wnt信号通路的调控来参与腭的发育，促进腭突间充质细胞的增殖[15]。Pcgf5a基因在斑马鱼胚胎早期发育过程的调控作用。可见，Wnt信号通路通过精细调控神经干细胞、神经祖细胞以及其他组织细胞的增殖、分化和定位,发挥着重要的组织学调整作用,协同其他信号通路引导胚胎早期中枢神经系统的细胞正常发育及正常形成。

3. Wnt信号通路与胚胎神经系统发育的作用

神经元多样性的根源是神经干细胞和祖细胞，它们在胚胎发育过程中产生了许多神经元。Wnt信号参与了神经元的生成与分化。在早期神经系统发育中,Wnt信号可激活神经干细胞和神经祖细胞的增殖,并促进它们向各类神经元分化。Wnt/β-连环蛋白信号传导对于中枢神经系统的发展至关重要，并与多种组织中的干细胞维持有关[16]。Wnt/β-catenin信号在脊椎动物的整个神经发育过程中对模式化、增殖和分化起着重要作用。Wnt信号通路失调可导致多种神经系统疾病的发生发展。由于 Wnt/β-catenin、EDA 和 Noggin 信号交换的中断以及雄激素受体的缺失，双侧唇裂患者趾间毛发稀疏的原因可能是颅神经嵴细胞向增殖体迁移的缺陷所致。Wnt-2b 的细胞能够诱导 Fgf-10，并在植入侧腹时产生额外的 袢。在假定的后肢区域，另一个 Wnt 基因 Wnt-8c 控制 Fgf-10 表达，并且还能够诱导侧腹异位袢形成。Wnt/STOP 信号驱动大脑皮层神经发生，并确定有丝分裂是神经祖细胞命运的关键阶段。在神经嵴形成过程中，动态骨形态发生蛋白、成纤维细胞生长因子和 Wnt 信号通过作用于中胚层和外胚层进行合作。转录 Wnt 抑制在调节 ESC 谱系规范和植入前胚胎发育中的重要性，并确定 TCF7L1 是该过程的关键调节因子。分子证据证明Notch和Wnt通路在调节体细胞生成过程中发挥重要作用，并且这两个通路之间存在串扰。叶酸主要利用Wnt/β-catenin信号通路和氧化应激机制来实现神经管畸形的预防[17]。可见，Wnt/β-catenin通路通过复杂的交互作用与其他信号通路如FGF、TGF-β、Notch通路,精细地调控着胚胎早期各个阶段中神经干细胞的增殖、迁移和分化，从而诱导中枢神经系统的神经干细胞发育成神经细胞。

4. Wnt信号通路与胚胎神经干细胞发育的作用

参与神经干细胞的增殖维持。通常Wnt活化可促进这类母细胞的自我更新和扩增，控制神经干细胞进入增殖循环。Wnt信号通路会受到外环境影响，如发育中的胎儿接触的氧气浓度比成人低，这种生理性缺氧可能会影响胎儿神经干细胞的生长和分化，Wnt 信号通路参与其中[18]。以及氨基酸 L-脯氨酸在发育过程中具有类似生长因子的特性--从改善囊胚发育到驱动体外神经发生。添加 400 μM L-脯氨酸，将小鼠胚胎干细胞（ESC）转化为早期原始外胚层样细胞（EPL）[19]。也会受到Wnt信号通路受体影响，如Mapk、Fgfr、Pi3k 和 mTor 途径组成。早期神经上皮细胞的 Wnt 信号活动失衡会导致先天性疾病，如神经管缺陷（NTD）。低密度脂蛋白受体相关蛋白（LRP）家族成员，包括研究较多的受体 LRP5 和 LRP6，通过与其共受体 Frizzled、Wnt 配体、抑制剂和细胞内 Wnt 通路成分紧密调节的相互作用，在调节 Wnt 信号能力方面发挥着关键作用。

总结与展望

Wnt信号通路在胚胎早期神经发育中真的起着不可或缺的作用。Wnt蛋白家族及其下场蛋白Frizzled和转运蛋白LRP通过与代谢酶GSK-3β结合,可以激活β-catenin脱丝环化作用调控细胞增殖、分化和迁移。目前研究证据支持，Wnt信号通路能够影响神经干细胞的增殖和维持。同时，Wnt信号通路与其他信号通路如Shh、FGF、Notch通路在神经系统发育中也存在复杂的相互作用关系。

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