Notch和Wnt信号通路对NSCs的增殖和分化的作用

时间：2015-12-20 17:20:49 所属分类：基础医学 浏览量:

NSCs是一类具有多向分化潜能和自我更新能力的细胞，NSCs能够增殖分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞等，广泛存在于中枢神经系统内。1992年Reynolds和Weiss最先从成年鼠脑纹状体中分离出NSCs，他们成功地在体外通过表皮生长因子的诱导分离出增殖的NSCs

　　NSCs是一类具有多向分化潜能和自我更新能力的细胞，NSCs能够增殖分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞等，广泛存在于中枢神经系统内。1992年Reynolds和Weiss最先从成年鼠脑纹状体中分离出NSCs，他们成功地在体外通过表皮生长因子的诱导分离出增殖的NSCs，增殖的细胞首先表达巢蛋白，继而增殖的细胞发育成具有形态学特征和抗原特性的神经元和星形胶质细胞 。此后，NSCs的分离培养、分化再生等实验成为国内外学者的研究热点之一。

　　Gage等（2000）将NSCs描述为具有以下3个特征的细胞：能生成神经组织或来源于神经系统，具有自我更新能力，可通过不对称细胞分裂产生不同于本身的细胞 。由于NSCs具备的自我更新和多向分化潜能，为神经系统损伤和神经退行性疾病等的治疗提供新的方式，NSCs的移植治疗也成为国内外学者的研究方向。近年来许多研究表明NSCs的增殖和分化受多种信号转导通路的调控，如：Notch信号通路，Wnt信号通路，Hedgehog信号通路，NF-κB信号通路等。阐明NSCs增殖和分化相关的信号通路对神经发育和神经损伤后再生以及移植治疗神经系统疾病至关重要。本文主要就Notch信号通路和Wnt信号通路的研究进展作一综述。

　　1　Notch 信号通路与神经干细胞

　　Morgan等（1917）发现Notch基因部分功能丧失的黑腹果蝇翅缘会出现切记（Notch），因此将其命名 为 Notch基 因 。 Notch基 因 于 20世 纪 80年 代 被Artavanis-Tsakonas团队克隆出来，其编码的Notch受体是分子重量为300KDa的单次跨膜受体 。Notch信号途径主要由Notch受体、配体和CSL(CBF1-suppressorof hairless-lag-1)DNA结合蛋白3部分组成。哺乳动物体内有四种Notch受体（Notch1-4）和五种Notch跨膜配体（Jagged1, Jagged2, Delta-like1, Delta-like3 andDelta-like4）。Notch信号通路由Notch受体与其配体结合而启动，首先Notch受体发生两次蛋白水解酶裂解，第一次裂解是在Notch受体的细胞外部发生，作用的酶是ADAM金属蛋白酶17（ADAM metallopeptidasedomain 17，ADAM17）即肿瘤坏死因子α-转化酶（tumornecrosisfactor-α-convertingenzyme,TACE），第二次是通过γ-分泌酶在Notch受体的跨膜区裂解蛋白，γ-分泌酶的作用依赖于早老蛋白-1的存在 。

　　经过两次裂解之后，Notch受体会释放有活性的Notch细胞内区域（Notch intracellular domain, NICD）到细胞浆，释放的NICD被转移到细胞核，重组信号序列结合蛋白J（RBP-J），也被称为CSL（CBF-1, Su(H)and LAG-1）通过RAM结构域与NICD上的锚蛋白重复序列结合后激活Notch靶基因转录 。

　　Notch信号通路的靶基因包括Hes1、Hes5（mammalianhairy and Enhancer-of-split homologues)和HES相关蛋白（HES-related proteins, HERP）基因，它们都属于碱性螺旋-环-螺旋（basic helix-loop-helix, bHLH）转录抑制因子 。Notch主要介导分化抑制信号，通过旁侧抑制机制，分化中的NSCs能阻止临近的NSCs分化，使相邻细胞增殖，维持NSCs数量的稳定。有研究证实Hes1和Hes5能够促进NSCs的自我更新，使胚胎端脑中NSCs增殖，抑制NSCs的分化 。HES基因能够抑制原神经基因例如Mash1，Math和Ngn1的活性，同时使NSCs进行不对称分裂，产生更多的NSCs 。有实验证实Notch信号途径对NSCs不仅只是抑制分化的作用，它对少突胶质细胞的分化产生抑制作用 ，而对星形胶质细胞产生促进分化的作用。

　　2001年Tanigaki等实验显示活化的Notch1和Notch3促进鼠成熟海马源性多潜能祖细胞向星形胶质细胞的分化，Notch信号通路促进NSCs分化为星形胶质细胞的过程独立于STAT3信号途径 。此后Ge等也报道了Notch信号途径能直接促进NSCs分化产生星形胶质细胞 。

　　目前Notch信号通路已被认为对哺乳动物中枢神经系统的发育至关重要，一方面可以维持NSCs数量上的稳定性，另一方面能够促进NSCs向星形胶质细胞分化。最近的研究也提示Notch信号途径可以用来治疗神经退行性疾病 。因此对Notch信号通路各阶段的更深入的研究不仅能够阐明分子机制，也能对未来更好的治疗相关疾病提供新的突破口。

　　2　Wnt信号通路与神经干细胞

　　Wnt一词是鼠原癌基因integration1（int1）和黑尾果蝇无翅基因wingless（wg）两个词合成而来。Wnt蛋白30年前被发现 ，它们是一类分泌性糖蛋白，能够调节细胞的增殖、分化、迁移、极性化和不对称分裂。Wnt蛋白家族包含19个成员，分别命名为Wnt1，Wnt2，Wnt3，Wnt3a等，他们共有的特征是都有一段编码22或24个半胱氨酸残基的区域。Wnt的受体卷曲蛋白（Frizzled，Fzd）家族是七次跨膜受体，共十个成员（FZD1-10），还有一些共同受体也参与信号转导如Lrp5/6 ，Ror ，Ryk 。β-连环蛋白（β-catenin）是一类细胞黏附分子，是Wnt信号途径激活的标志。

　　Wnt信号途径主要有3条：经典的Wnt/β-catenin2+通路，Wnt/Ca 通路，Wnt/JNK通路，其中研究较多的是经典途径Wnt/β-catenin。Wnt/β-catenin通路主要特点是能够调节细胞质中β-catenin蛋白的稳定性。在缺乏Wnt配体的情况下，β-catenin被摧毁复合物（GSK3β/Axin/APC）降解。在Wnt配体存在的情况下，Wnt受体与配体结合，产生β-catenin并在细胞质中积累，进而进入细胞核，与转录因子T细胞/淋巴样增强因子（TCF/LEF）相互作用，激活下游靶基因如c-myc、cyclin D1，从而调控细胞的生长 。

　　Wnt/β-catenin信号通路在NSCs的增殖调控中扮演重要角色。Zechner等用两种条件性β-catenin突变等位基因去改变小鼠中枢神经系统的β-catenin信号：一种使β-catenin不表达，另一种使β-catenin持续表达，结果发现：β-catenin不表达的小鼠脊髓和脑组织体积下降，而β-catenin持续表达的脊髓和脑组织体积增加，表明Wnt/β-catenin信号途径在NSCs增殖中起到重要作用，调控NSCs增殖与分化的平衡 。Chenn等实验表明，在神经前体细胞中稳定表达β-catenin的转基因小鼠脑中NSCs数量明显增加，表现出脑皮质表面积增加，本该光滑的脑皮质出现脑沟回褶皱类似高等哺乳动物，但厚度没有增加，侧脑室增大并覆盖有神经表皮前体细胞，反映出前体细胞的扩增 。Megason等研究鸡胚脊髓发育的实验说明了，Wnt信号可以通过Wnt/β-catenin信号途径对细胞周期素D1和D2的转录调节，从而调控NSCs细胞周期的进程，使NSCs大量增殖 。

　　Wnt基因参与神经系统的发育，维持NSCs的稳定性。在研究Wnt配体（Wnt1、Wnt3a）突变的小鼠模型时，已有实验很清楚的证实了Wnt信号通路对端脑、后脑和海马的正常发育起到重要作用 ，在成熟的神经组织中，同样也发现持续的Wnt信号通路对调节NSCs的活性和稳定性很重要 。Wnt/β-catenin经典途径中的一些组分，如Wnt配体，Fzd受体，Wnt通路抑制素也已经在成年鼠脑海马齿状回颗粒下层和侧脑室室管膜下区中发现 。

　　Wnt/β-catenin信号途径除了对NSCs产生增殖的作用之外还能调控NSCs的分化方向。2011年Munji等报道，大脑皮质中过表达的Wnt3a上调Wnt/β-catenin途径，导致皮质发育异常，过早分化为大神经元，相反地，在神经发生的中期和后期用Wnt途径抑制素DKK1下调Wnt/β-catenin途径能够抑制神经元的产生 。之前在2005年Lie等也报道了Wnt信号的持续表达能增加NSCs的数量 。

　　在人体，已发现Wnt/β-catenin途径中的Wnt2，FZD3，TCF7L2，DKK4和APC的基因多态性与精神疾病如精神分裂症和孤独症有关，表明Wnt/β-catenin信号途径在成熟神经元活性的维持上起重要作用。

　　此外，最近的研究表明Wnt/β-catenin途径在突触的维持和可塑性上发挥作用，也有研究表明Wnt抑制素DKK1的表达增加与阿尔兹海默病有关联 。

　　有学者认为Wnt/β-catenin通路对NSCs在神经系统发育中有许多不同作用，原因可能为细胞本身的特性决定了其对Wnt信号产生不同效应，也可能是因为Wnt/β-catenin途径下游众多的靶基因产生不尽相同的作用，确切的原因尚不明确。

　　3　其他信号通路

　　Hedgehog信号通路在NSCs的增殖、分化中也发挥重要作用。Hedgehog有3个同源基因：Shh，Ihh和Dhh。Shh可以明显增加中枢神经系统祖细胞的数量，调控神经系统的发育和分化，是少突胶质细胞发育的关键因子，在神经损伤修复中发挥作用。有研究表明，Shh还可以诱导NSCs以外的其他干细胞分化为神经元细胞，胡慧敏等的体外研究证明，用Shh诱导人骨髓基质干细胞分化为神经胶质细胞的可行性。而Ihh和Dhh在神经系统中的研究还有待进一步探索 。

　　NF-κB是一种可激活的转录因子，NF-κB家族有五个亚单位，在神经元、胶质细胞、NSCs中都有广泛的表达。NF-κB在NSCs中发挥作用的相关报道已很多，但是NF-κB参与的完整信号通路报道较少，主要包括TNF-α通路，IL-1通路，MAPK通路等。NF-κB在NSCs的增殖和分化，神经元的可塑性、神经再生方面中起着非常重要的作用，NF-κB抑制剂在一些神经退行性疾病的研究中具有神经保护作用。展望　NSCs的增殖和分化受到多种途径的调节，远不止于上述几条通路，然而相关单一信号通路的研究相对较多，多种信号途径之间的相互作用网络研究尚少，尚不能全面反映其对NSCs增殖和分化的全面作用，复杂的机制还有待学者们更深入的系统研究。当前NSCs的应用受到世界各国学者们高度重视，移植治疗神经退行性疾病等疾病是一项充满希望与挑战的生物工程，具有广泛的应用前景。

　　相信在不久的将来，随着研究技术的不断进步，研究水平的逐渐提高，人们对各种信号途径及信号网络调节NSCs的增殖和分化的认识会达到一个更高的水平，对其在神经系统的发育、病理损伤后修复的作用机制也将进一步阐明清晰，为治疗相关疾病带来希望。

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