梁穎超 王建華

初級纖毛(primary cilium，PC)是一種以微管為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的細(xì)胞器，幾乎存在于所有哺乳動物的細(xì)胞中。作為個體發(fā)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(fā)揮著重要作用，其結(jié)構(gòu)及功能異常會導(dǎo)致多種發(fā)育缺陷。近年來，人們越來越關(guān)注初級纖毛與胚胎神經(jīng)發(fā)育之間的關(guān)系。本文就初級纖毛通過信號通路調(diào)控胚胎神經(jīng)發(fā)育的研究進(jìn)展予以綜述并展開討論。

一、神經(jīng)管畸形(neural tube defects，NTDs)

神經(jīng)管發(fā)育是指胚胎腹背軸中線特定外胚層細(xì)胞卷曲、融合形成神經(jīng)管的過程，分為初級神經(jīng)管形成和次級神經(jīng)管形成兩個階段。首先，在脊索誘導(dǎo)下與其毗鄰的外胚層轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)板，然后兩側(cè)邊緣向上隆起增厚，形成神經(jīng)嵴，中央凹陷形成神經(jīng)溝，神經(jīng)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(jīng)管發(fā)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(xì)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(jīng)管的閉合不全，進(jìn)而導(dǎo)致NTDs的發(fā)生。NTDs是由于胚胎發(fā)育第3～4周時神經(jīng)管閉合過程發(fā)生障礙而引發(fā)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(fā)病率約為1.86‰，給患者家庭和社會帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)[1]。目前普遍認(rèn)為NTDs的發(fā)生是遺傳與包括營養(yǎng)因素在內(nèi)的環(huán)境因素交互作用的結(jié)果，其發(fā)病機制目前尚未明確，研究發(fā)現(xiàn)初級纖毛在NTDs發(fā)生過程中發(fā)揮著很重要的作用。

二、初級纖毛的結(jié)構(gòu)和功能研究

纖毛是一種突出于細(xì)胞表面的特殊細(xì)胞器，其形態(tài)類似“天線”，具有運動、感知外界刺激、物質(zhì)運輸以及調(diào)控細(xì)胞生長等多種生物學(xué)功能。脊椎動物細(xì)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(jié)構(gòu)包括初級纖毛膜、基體部、纖毛過渡區(qū)和軸絲?；w部由一種特殊類型的中心粒構(gòu)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(lián)體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其外由纖毛膜包繞，即“9+0”結(jié)構(gòu)。纖毛內(nèi)存在物質(zhì)運輸(intraflagellar transport，IFT)系統(tǒng)，由驅(qū)動蛋白2(Kinesin-2)、動力蛋白2(Dynein-2)以及兩種蛋白復(fù)合體IFT-A和IFT-B構(gòu)成，這些纖毛內(nèi)運輸?shù)鞍籽刂S絲微管進(jìn)行雙向物質(zhì)運輸驅(qū)動蛋白2和IFT-B形成的復(fù)合體實現(xiàn)將構(gòu)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(zhì)動力蛋白2與IFT-A形成的復(fù)合體則是實現(xiàn)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(dāng)細(xì)胞進(jìn)入G0/G1期時，基體調(diào)控初級纖毛的形成，而當(dāng)細(xì)胞重新進(jìn)入細(xì)胞周期時，初級纖毛會發(fā)生解聚。最近的研究表明纖毛形成和解聚在疾病發(fā)生發(fā)展中有重要作用，Zhang等[4]用腦器官樣細(xì)胞和小鼠模擬小頭畸形揭示了WDR62-CEP170-KIF2A促進(jìn)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(fā)育過程中重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中心，可以檢測并傳遞細(xì)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(xié)調(diào)這些信號轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)而影響機體的生長發(fā)育及各種器官的正常生理功能，其結(jié)構(gòu)及功能異常會導(dǎo)致多種發(fā)育和細(xì)胞信號缺陷，從而產(chǎn)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(guān)疾病常常伴發(fā)NTDs表征，如MKS、JBTS和BBS的臨床表現(xiàn)中有神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷；腦膨出是MKS和JBTS的共同特征。MKS是一種圍產(chǎn)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(jīng)發(fā)育障礙，其特征是先天性小腦和腦干缺陷，典型影像學(xué)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(jīng)管發(fā)育的機制

初級纖毛作為多個細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的重要結(jié)構(gòu)，參與信號通路依賴的中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)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(jīng)管發(fā)育最終導(dǎo)致NTDs發(fā)生。

1.Shh信號通路:Shh信號轉(zhuǎn)導(dǎo)高度依賴初級纖毛的結(jié)構(gòu)和功能的完整性，Shh受體蛋白Ptch1(Patched1)、Smo(smoothened)和Gli(glioma-associated oncogene)轉(zhuǎn)錄因子均定位于初級纖毛[7]。已有研究表明，內(nèi)吞調(diào)節(jié)因子EHD1(Eps15 Homology Domain 1)通過調(diào)節(jié)Shh通路信號蛋白Smo進(jìn)入纖毛，調(diào)節(jié)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(xiàn)神經(jīng)孔閉合缺損、腦膨出、前腦發(fā)育不全等神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷，神經(jīng)上皮細(xì)胞層纖毛幾乎完全喪失，胚胎神經(jīng)底板和脊索上的Shh蛋白表達(dá)降低，Shh在神經(jīng)管腹側(cè)標(biāo)記數(shù)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(yīng)，從而導(dǎo)致無腦畸形等神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育異常。Shh信號通路中Sufu蛋白定位于初級纖毛內(nèi)，Sufu突變可導(dǎo)致Shh信號的異常激活，從而導(dǎo)致NTDs的發(fā)生[10]。GTP酶 Arl13b定位于初級纖毛上，調(diào)節(jié)纖毛內(nèi)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(zhuǎn)錄和Shh信號通路中Smo的富集，從而導(dǎo)致JBTS的發(fā)生，表現(xiàn)為神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙。以上研究表明，纖毛結(jié)構(gòu)和功能的異常將影響Shh信號通路的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷。

2. 經(jīng)典型Wnt/β聯(lián)蛋白 (β-catenin)通路：Wnt/β-catenin信號通路被認(rèn)為與神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)可塑性相關(guān)，是哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)鍵信號通路之一，該通路信號轉(zhuǎn)導(dǎo)異常會導(dǎo)致各種神經(jīng)功能障礙。Kimura-Yoshida等[12]發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)管閉合過程中，β-catenin和Grhl3基因突變，影響神經(jīng)外胚層發(fā)育，出現(xiàn)NTDs表型。初級纖毛異常能夠抑制經(jīng)典Wnt/β-catenin通路，降低β聯(lián)蛋白的表達(dá)。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(dǎo)致GSK-3β的激活和β-catenin的下調(diào)，從而影響神經(jīng)干細(xì)胞的增殖[13]。最近研究顯示，纖毛基底部驅(qū)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(jīng)干細(xì)胞無法分化為神經(jīng)元[14]。Tian等[15]發(fā)現(xiàn)在與纖毛構(gòu)成相關(guān)基因Ift88突變小鼠中，出現(xiàn)多種顱面畸形，小鼠細(xì)胞纖毛變短，且軸抑制因子2(Axin2)表達(dá)顯著上調(diào)，提示W(wǎng)nt通路信號增加。Wheway等[16]的研究結(jié)果顯示，在負(fù)責(zé)編碼纖毛蛋白的MKS1基因缺陷的小鼠中，細(xì)胞中核β-catenin的水平增加以及Wnt /β-catenin途徑的下游效應(yīng)蛋白細(xì)胞周期蛋白D1(cyclinD-1)的水平升高，提示W(wǎng)nt信號增加，小鼠表現(xiàn)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(guān)系為探明NTDs的發(fā)病機制提供了新的思路和方向，但其具體機制還有待進(jìn)一步研究。

3. PCP信號通路：PCP信號通路可以調(diào)控CE促進(jìn)細(xì)胞形成神經(jīng)板，異常的CE會導(dǎo)致神經(jīng)管閉合缺陷。Chen等[17]對184例中國NTDs病人的基因分析,他們發(fā)現(xiàn)PCP信號通路中3個CELSR基因(CELSR1，CELSR2和CELSR3)在其中發(fā)揮重要作用，這3個基因的突變會導(dǎo)致NTDs患病的風(fēng)險大大增加。Humphries等[18]在果蠅中進(jìn)行了NTDs相關(guān)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(lián)系。WDR34基因編碼初級纖毛內(nèi)動力蛋白2的中鏈，在WDR34基因敲除的小鼠中，出現(xiàn)了腦膨出、脊柱裂等多種顱面部畸形，小鼠神經(jīng)上皮細(xì)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(fā)現(xiàn)，WDR34基因突變可能通過同時影響Shh和PCP信號通路而導(dǎo)致NTDs的發(fā)生[20]。散亂蛋白2(dishevelled 2，DVL2)是PCP信號通路中的關(guān)鍵蛋白因子，且受磷酸化調(diào)控，DVL2在初級纖毛的發(fā)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(fā)現(xiàn)PCP相關(guān)基因拷貝數(shù)變異，尤其是VANGL1缺失和DVL2增加，可能增加NTDs的發(fā)生風(fēng)險。Vilboux等[23]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)JBTS患者中發(fā)生CELSR2雙等位基因突變，患者表現(xiàn)為先天性小腦和腦干缺陷，大腦室管膜細(xì)胞纖毛發(fā)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(jié)構(gòu)受損。人類ARL13B基因的突變會導(dǎo)致JBTS，表現(xiàn)小腦和腦干缺陷[24]。Song等[25]發(fā)現(xiàn)，Arl13b與Vangl2相互作用以調(diào)節(jié)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(jīng)發(fā)育發(fā)揮重要作用，但其具體的影響機制還需要進(jìn)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(zhì)，是細(xì)胞生長與存活及胚胎發(fā)育的必需營養(yǎng)素，肌醇及其代謝通路在胚胎發(fā)育尤其是神經(jīng)管發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。近期研究發(fā)現(xiàn)，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(jīng)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(guān)鍵調(diào)控酶，INPP5E蛋白質(zhì)主要分布于初級纖毛上，可影響初級纖毛的穩(wěn)定性，Luo等[27]發(fā)現(xiàn)斑馬魚INPP5E基因缺失時，初級纖毛變短且數(shù)量少。近期研究發(fā)現(xiàn)，INPP5E基因突變可致BBS和JBTS綜合征，有頭顱畸形表現(xiàn)[28]。由此推測肌醇循環(huán)信號通路與初級纖毛密切相關(guān)，共同作用于神經(jīng)管發(fā)育缺陷。目前研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)1,3,4,5四磷酸肌醇(IP4)在爪蟾胚胎上皮修復(fù)過程中調(diào)節(jié)Rho GTP酶活性，而哺乳動物脊髓神經(jīng)管閉合需要依賴Rho GTP酶調(diào)節(jié)的肌動蛋白轉(zhuǎn)換和肌動球蛋白[29]，由此推測肌醇代謝通路和神經(jīng)管閉合過程有密切聯(lián)系。構(gòu)造家族(fectonic family member，Tctn)蛋白質(zhì)是存在于纖毛過渡帶的一組蛋白質(zhì)，對纖毛發(fā)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(dǎo)致小鼠細(xì)胞凋亡增加、致產(chǎn)前死亡和NTDs[30]。因此，肌醇循環(huán)通路在調(diào)節(jié)神經(jīng)管發(fā)育中起重要作用，對神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育缺陷相關(guān)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(yán)重的出生缺陷，其確切發(fā)病的分子機制尚需進(jìn)一步研究。初級纖毛作為一種古老而重要的細(xì)胞器，與NTDs之間的關(guān)聯(lián)逐步得到人們的廣泛關(guān)注，其通過調(diào)控Shh、Wnt/β-catenin、PCP及肌醇代謝信號通路等在神經(jīng)管發(fā)育過程中發(fā)揮中重要的作用。隨著人們對于初級纖毛的結(jié)構(gòu)、功能、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與NTDs發(fā)生發(fā)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。