腎臟發(fā)育中信號(hào)通路的調(diào)控作用

邱曉，韋榮飛，張令強(qiáng)，賀福初

1.清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100089；

2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所，蛋白質(zhì)組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100850

腎臟是體內(nèi)重要的器官，能夠維持水分平衡、酸堿度平衡以及排出代謝產(chǎn)物。雖然腎臟內(nèi)有包括腎小球以及收集管等很多特化的結(jié)構(gòu)，但腎臟最初來(lái)源于輸尿管芽及其周?chē)幕|(zhì)細(xì)胞。這兩種細(xì)胞在多條信號(hào)通路的調(diào)控下，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的發(fā)育過(guò)程，最終發(fā)育成成熟的腎臟[1]。腎臟作為研究器官發(fā)育中一個(gè)重要的模型，在過(guò)去幾十年得到了人們的高度關(guān)注。人們通過(guò)對(duì)腎臟發(fā)育過(guò)程的研究，發(fā)現(xiàn)了對(duì)腎臟發(fā)育中的干細(xì)胞干性維持、基質(zhì)-表皮轉(zhuǎn)化以及細(xì)胞極性增殖等過(guò)程起關(guān)鍵作用的信號(hào)通路。本文概要地介紹了腎臟的發(fā)育過(guò)程，總結(jié)了各信號(hào)通路對(duì)于腎臟發(fā)育的調(diào)控作用以及信號(hào)通路間的相互調(diào)節(jié)。

1 腎臟的發(fā)育過(guò)程

哺乳動(dòng)物的腎臟發(fā)源于中胚層，腎臟的發(fā)育要?dú)v經(jīng)前腎、中腎以及后腎的發(fā)育過(guò)程，后腎最終發(fā)育成為成熟的腎臟。后腎的發(fā)育主要依賴(lài)于輸尿管芽(Ureteric bud, UB)與后腎基質(zhì)細(xì)胞(Metanephricmesenchyme, MM)的相互作用[1]。小鼠后腎的發(fā)育起始于胚胎期的第 10.5 d，在后腎胚芽誘導(dǎo)下，輸尿管芽從午非氏管(Wolffian duct)中延伸；隨后，輸尿管芽繼續(xù)生長(zhǎng)，大約在胚胎期第11.0 d時(shí)，輸尿管芽進(jìn)入后腎胚芽中，并且開(kāi)始誘導(dǎo)輸尿管芽頂端周?chē)幕|(zhì)細(xì)胞壓縮，隨后這部分基質(zhì)細(xì)胞會(huì)發(fā)生基質(zhì)-表皮的轉(zhuǎn)化過(guò)程，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成表皮血管，經(jīng)過(guò)逗號(hào)型發(fā)育期后，進(jìn)入 S型發(fā)育期；S型發(fā)育期的基質(zhì)分化成為腎小球、近端小管和遠(yuǎn)端小管，遠(yuǎn)端小管與由輸尿管芽發(fā)育而成的收集管融合，成為有功能的腎單位(Nephron)，只有輸尿管芽頂端的基質(zhì)細(xì)胞才會(huì)被誘導(dǎo)發(fā)育成腎單位。輸尿管芽頂端周?chē)幕|(zhì)細(xì)胞中有一部分呈帽狀分布并且具有干性，稱(chēng)為帽狀基質(zhì)干細(xì)胞(Cap mesenchyme, CM)。帽狀基質(zhì)干細(xì)胞能分化出腎單位的祖細(xì)胞。另一方面，后腎基質(zhì)細(xì)胞通過(guò)分泌細(xì)胞因子，可以反過(guò)來(lái)誘導(dǎo)輸尿管芽的繼續(xù)生長(zhǎng)和分支，最終輸尿管芽會(huì)發(fā)育成收集管系統(tǒng)。小鼠腎臟的發(fā)育過(guò)程一直持續(xù)到出生之后，發(fā)育成熟的小鼠腎臟中包含約12000個(gè)腎單位結(jié)構(gòu)和完整的收集管系統(tǒng)(腎臟的發(fā)育過(guò)程見(jiàn)圖1)[2～6]。

2 腎臟發(fā)育中相關(guān)信號(hào)通路的調(diào)控

2.1 GDNF/Ret信號(hào)通路對(duì)腎臟發(fā)育的影響

膠質(zhì)細(xì)胞來(lái)源神經(jīng)因子(Glial-derived neurotrophic factor, GDNF)是TGF-β超級(jí)家族的一種分泌蛋白，輸尿管芽頂端周?chē)暮竽I基質(zhì)中可以分泌GDNF。GDNF的受體是 Ret，Ret是受體組氨酸激酶信號(hào)通路中的一員，表達(dá)在輸尿管芽頂端。GDNF/Ret通路調(diào)控細(xì)胞的增殖、運(yùn)動(dòng)、粘附等生理過(guò)程[6]。20世紀(jì)90年代，人們利用基因敲除小鼠發(fā)現(xiàn)無(wú)論是將Ret敲除還是將Gdnf敲除都會(huì)導(dǎo)致小鼠沒(méi)有腎臟或是腎臟不發(fā)育，將病變的腎臟進(jìn)行組織切片分析之后發(fā)現(xiàn)腎臟內(nèi)有許多空囊，且腎單位結(jié)構(gòu)紊亂[7,8]。在腎臟發(fā)育的起始過(guò)程中，GDNF/Ret通路能夠誘導(dǎo)輸尿管芽延伸進(jìn)入后腎胚芽，在小鼠的胚胎期8.5 d時(shí)，輸尿管芽還未從午非氏管中延伸，但是午非氏管中就出現(xiàn)了一部分細(xì)胞開(kāi)始表達(dá)Ret，之后這部分表達(dá) Ret的細(xì)胞經(jīng)過(guò)重新排列和遷移，在GDNF的誘導(dǎo)下于胚胎期第10.5 d時(shí)從午非氏管中延伸到后腎胚芽中。當(dāng) Ret被敲除或是突變時(shí)，輸尿管芽就不能正常地在GDNF誘導(dǎo)下從午非氏管中延伸[9,10]。在后續(xù)的腎臟發(fā)育過(guò)程中，GDNF/Ret信號(hào)通路還能夠調(diào)控輸尿管芽的生長(zhǎng)以及分支[11]。GDNF/Ret信號(hào)通路下游可以激活 Erk通路和 PI3K通路，通過(guò)激活Erk通路影響輸尿管芽的分支[11,12]，通過(guò)激活PI3K/Akt通路影響輸尿管芽的延長(zhǎng)[12]。

圖1 腎臟發(fā)育模式圖(參考文獻(xiàn)[4,5]略作修改)

2.2 Wnt信號(hào)通路對(duì)腎臟發(fā)育的調(diào)控作用

Wnt家族蛋白是分泌型糖蛋白，在胚胎發(fā)育過(guò)程中起重要作用。Wnt信號(hào)通路分為經(jīng)典Wnt信號(hào)通路和非經(jīng)典Wnt信號(hào)通路。經(jīng)典Wnt信號(hào)通路能刺激β-actenin入核，入核后β-actenin與共轉(zhuǎn)錄因子Lef/Tcf形成復(fù)合物，從而激活Wnt靶基因的轉(zhuǎn)錄。而在腎臟發(fā)育過(guò)程中起重要調(diào)控作用的非經(jīng)典 Wnt信號(hào)通路主要為扁平細(xì)胞極性(Planar cell polarity,PCP)通路[13,14]。在腎臟發(fā)育過(guò)程中，Wnt信號(hào)通路能調(diào)控包括基質(zhì)細(xì)胞壓縮、帽狀基質(zhì)干細(xì)胞自我更新、基質(zhì)-表皮轉(zhuǎn)化以及收集管生長(zhǎng)等過(guò)程。

Wnt9b和Wnt4是Wnt家族中兩個(gè)重要的脂修飾分泌糖蛋白，在腎臟血管發(fā)育的最初階段起著重要的作用。Wnt9b在輸尿管芽中表達(dá)，能夠誘導(dǎo)基質(zhì)細(xì)胞的壓縮過(guò)程，而之后的基質(zhì)-表皮轉(zhuǎn)化過(guò)程中Wnt4起了重要的作用[15]。在小鼠腎血管發(fā)生初期，Wnt9b和 Wnt4的功能缺失可以被過(guò)度激活的β-Catenin所代償，說(shuō)明Wnt9b和Wnt4對(duì)腎臟血管發(fā)生初期的調(diào)控是通過(guò)經(jīng)典Wnt通路來(lái)完成[16]。在腎臟中構(gòu)建條件性敲除β-Catenin小鼠后，發(fā)現(xiàn)其腎臟發(fā)育缺陷，腎單位數(shù)量減少且形態(tài)異常，同時(shí)伴隨輸尿管芽分支減少[17]。說(shuō)明經(jīng)典Wnt信號(hào)通路對(duì)于腎臟的發(fā)育起重要調(diào)節(jié)作用。

在腎臟發(fā)育過(guò)程中，除了經(jīng)典Wnt通路起作用外，非經(jīng)典信號(hào)通路也起著重要作用。在收集管發(fā)育的過(guò)程中，其延長(zhǎng)的同時(shí)會(huì)伴有少量分支。小鼠出生之后，髓質(zhì)中收集管的延長(zhǎng)主要依靠有絲分裂，且該有絲分裂是向性細(xì)胞分裂(Oriented cell division,OCD)，髓質(zhì)細(xì)胞只有沿長(zhǎng)軸方向分裂，才能保證收集管延長(zhǎng)的同時(shí)其直徑不改變。收集管的這種有絲分裂方式是扁平細(xì)胞極性(Planar cell polarity, PCP)的一個(gè)典型特征，但一些突變會(huì)導(dǎo)致向性細(xì)胞分裂變成隨機(jī)的細(xì)胞分裂，引起腎臟管狀結(jié)構(gòu)及收集管的管腔變大，從而引發(fā)多囊性腎病(Polycystic kidney disease, PKD)[18]。在小鼠出生后的收集管發(fā)育過(guò)程中，收集管中Wnt9b以一種自分泌的形式通過(guò)非經(jīng)典Wnt通路影響PCP的發(fā)生，收集管中缺少Wnt9b之后會(huì)引起向性細(xì)胞分裂的隨機(jī)發(fā)生[19]。此外，Wnt7b也能通過(guò)調(diào)控PCP通路來(lái)影響收集管的延伸過(guò)程[20]。

2.3 BMP信號(hào)通路對(duì)于腎臟發(fā)育的調(diào)節(jié)過(guò)程

骨形態(tài)發(fā)生相關(guān)蛋白(Bone morphogenetic proteins, BMPs)屬于轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TransformingGrowth Factor-β, TGF-β)超家族，能夠調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖和分化過(guò)程。腎臟發(fā)育過(guò)程中BMP通路對(duì)于維持基質(zhì)干細(xì)胞的生存、干細(xì)胞干性維持以及輸尿管芽的延伸具有重要調(diào)控作用。

BMP4和 BMP7對(duì)于腎臟的發(fā)育起著非常重要的作用[21,22]。在小鼠中敲除 Bmp7之后，小鼠在胚胎期第13.5 d就出現(xiàn)了腎單位祖細(xì)胞的大量異常凋亡，大部分Bmp7敲除的小鼠出生后24 h內(nèi)死亡，其腎臟發(fā)育缺陷，且其中有大約1%的小鼠兼有膀胱發(fā)育異常[23]。但在Bmp7啟動(dòng)子后插入Bmp4基因，用BMP4代替BMP7的表達(dá)，能夠挽救小鼠腎臟發(fā)育不良，說(shuō)明腎臟發(fā)育過(guò)程中BMP4能夠代償BMP7的某些功能[24]。 BMP7不僅能調(diào)節(jié)腎單位干細(xì)胞的凋亡過(guò)程，還能維持腎單位帽狀基質(zhì)干細(xì)胞的干性，當(dāng)BMP7缺失后，腎單位干細(xì)胞分化提前，導(dǎo)致腎單位數(shù)目減少[25]。

2.4 FGF信號(hào)通路對(duì)于腎臟發(fā)育的調(diào)節(jié)過(guò)程

纖維素生長(zhǎng)因子(Fibroblast growth factors, FGFs)信號(hào)通路對(duì)多種器官的發(fā)育都起到非常重要的調(diào)控作用，F(xiàn)GFs受體(Fibroblast growth factor receptor,FGFRs)是酪氨酸激酶受體，F(xiàn)GF結(jié)合到受體上后可以引起受體形成同源二聚體，同時(shí)發(fā)生受體的磷酸化，從而激活Ras GTP通路及Erk通路[26,27]。在腎臟發(fā)育過(guò)程中多種 FGFs不僅對(duì)基質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育起重要的調(diào)控作用，也對(duì)輸尿管芽的發(fā)育起非常重要的調(diào)控作用。FGF7和FGF10主要在后腎基質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)、分泌，能夠刺激輸尿管芽的分支。敲除Fgf7后，雖然小鼠能夠存活，但是腎臟明顯偏小，且輸尿管芽分支數(shù)目減少[28]。敲除 Fgf10后導(dǎo)致小鼠圍產(chǎn)期死亡，其中包括腎臟、肺等多個(gè)器官發(fā)育嚴(yán)重缺陷，并且其腎臟的表型類(lèi)似于Fgf7敲除小鼠的腎臟表型[29,30]。表達(dá)在后腎基質(zhì)中的 FGF9和 FGF20能夠維持腎臟皮質(zhì)內(nèi)一些祖細(xì)胞的存活，在腎臟發(fā)育過(guò)程中FGF9和FGF20對(duì)于腎單位的維持存在部分功能上的冗余，當(dāng)Fgf9和Fgf20雙敲后，腎臟嚴(yán)重發(fā)育不良，其腎臟發(fā)育過(guò)程中腎單位祖細(xì)胞提前分化，因而導(dǎo)致腎單位祖細(xì)胞數(shù)量減少[31]。此外，腎臟血管能夠分泌 FGF8來(lái)維持發(fā)育初期的腎單位細(xì)胞的存活[32]。

2.5 Notch信號(hào)通路對(duì)腎臟發(fā)育的調(diào)節(jié)過(guò)程

Notch信號(hào)通路在進(jìn)化上高度保守，當(dāng)配體與受體結(jié)合激活 Notch通路后，該通路會(huì)引發(fā)包括 γ-分泌酶復(fù)合物在內(nèi)的一系列蛋白酶體的切割過(guò)程。在腎臟發(fā)育過(guò)程中，Notch信號(hào)通路能調(diào)控腎單位發(fā)育過(guò)程中近端小管的發(fā)育以及血管表皮細(xì)胞的特化。利用基因敲除技術(shù)，將Notch通路的關(guān)鍵分子 γ-分泌酶復(fù)合物敲除后，發(fā)現(xiàn)小鼠腎臟發(fā)育嚴(yán)重缺陷，幾乎沒(méi)有逗號(hào)小體、S小體以及腎小球[33]。此外，Notch信號(hào)通路還能調(diào)控收集管細(xì)胞的組成。收集管的作用是負(fù)責(zé)水分和鹽分的重吸收并且調(diào)控酸堿平衡。收集管中負(fù)責(zé)水分重吸收的細(xì)胞是主細(xì)胞(Principal cell)，負(fù)責(zé)調(diào)控酸堿平衡的細(xì)胞是閏細(xì)胞(Intercalated cell)，這兩類(lèi)細(xì)胞在收集管中的比例會(huì)影響收集管的功能，當(dāng) Notch信號(hào)通路被抑制時(shí)閏細(xì)胞比例上升而主細(xì)胞比例下降[34]。最近還有研究表明，Notch信號(hào)通路對(duì)于腎小球系膜祖細(xì)胞發(fā)育也起到調(diào)控作用[35]。腎小球系膜細(xì)胞是圍繞在腎小球血管外特化的外周系膜平滑肌細(xì)胞，來(lái)源于間質(zhì)基質(zhì)，間質(zhì)基質(zhì)位于帽狀基質(zhì)的外周，在腎臟發(fā)育過(guò)程中，間質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞會(huì)發(fā)育成一些輔助細(xì)胞例如間隙纖維、血管平滑肌細(xì)胞以及腎小球系膜等。Notch信號(hào)被破壞后，腎小球系膜細(xì)胞不能正常的從間質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞中分化[35]。

2.6 其他信號(hào)通路對(duì)于腎臟發(fā)育的調(diào)節(jié)過(guò)程

除了上述信號(hào)通路外，腎臟發(fā)育過(guò)程還受到了其他信號(hào)通路的調(diào)控。例如：Shh(Sonic hedgehog)能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞的生存、增殖及分化等多個(gè)生理過(guò)程，在小鼠腎臟中，Shh能夠促進(jìn)基質(zhì)細(xì)胞的增殖，調(diào)控基質(zhì)細(xì)胞的分化[36]。而整合素依賴(lài)的細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用也對(duì)腎臟發(fā)育過(guò)程中起重要的調(diào)節(jié)作用。在胚胎期刪除輸尿管芽中的β1整合素時(shí)，小鼠出現(xiàn)嚴(yán)重的輸尿管芽分支形態(tài)異常以及腎單位數(shù)目下降[37]。

2.7 各個(gè)信號(hào)通路之間相互協(xié)調(diào)，共同調(diào)節(jié)腎臟的發(fā)育

在腎臟發(fā)育過(guò)程中，各個(gè)通路之間并非獨(dú)自發(fā)揮作用，而是相互協(xié)調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)腎臟的正常發(fā)育。

輸尿管最初發(fā)育是在 GDNF/Ret通路的調(diào)控下進(jìn)行的，GDNF從輸尿管芽頂端的基質(zhì)細(xì)胞中分泌之后，激活輸尿管芽頂端的 Ret受體，從而促進(jìn)輸尿管芽的生長(zhǎng)和分支。Wnt11表達(dá)在輸尿管芽頂端，Wnt11從輸尿管芽頂端分泌后，刺激輸尿管芽頂管周?chē)幕|(zhì)細(xì)胞，維持基質(zhì)細(xì)胞中GDNF的蛋白水平。在腎臟發(fā)育過(guò)程中，Wnt11的表達(dá)受GDNF/Ret通路的調(diào)控，GDNF直接上調(diào)Wnt11的表達(dá)[38,39]，因此GDNF/Ret和Wnt11形成了正反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。該正反饋機(jī)制可以被BMP4抑制，當(dāng)BMP4通路被破壞后，輸尿管芽會(huì)出現(xiàn)分支紊亂[40]。由于 FGF信號(hào)通路也能調(diào)控MAPK通路，因此FGF信號(hào)通路也能調(diào)控輸尿管芽的分支，并且能夠在一定條件下代償GDNF/Ret信號(hào)通路[41]。此外，GDNF/Ret通路還受Wnt5a的調(diào)控，Wnt5a敲除后會(huì)導(dǎo)致GDNF不能在正確的位置表達(dá)，從而導(dǎo)致輸尿管芽異生[42]。

腎單位的正常發(fā)育也是在各條通路協(xié)同作用下完成的。腎單位是由基質(zhì)細(xì)胞發(fā)育而來(lái)，在腎單位發(fā)育的起始階段Wnt9b從輸尿管芽中分泌，激活了后腎基質(zhì)細(xì)胞中的經(jīng)典Wnt通路，被激活的后腎基質(zhì)細(xì)胞能夠合成 FGF8和Wnt4。FGF8能夠維持該發(fā)育時(shí)期內(nèi)基質(zhì)細(xì)胞的存活，而Wnt4能夠終止帽狀基質(zhì)干細(xì)胞的干性使其進(jìn)入分化期，進(jìn)而發(fā)生基質(zhì)-表皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)化過(guò)程。在正常的發(fā)育狀態(tài)下，Wnt9b和 Wnt4是腎單位發(fā)育的必需分子，但是 Wnt4或Wnt9b缺失之后，過(guò)度激活Notch通路仍可以促使帽狀基質(zhì)干細(xì)胞發(fā)生基質(zhì)-表皮的轉(zhuǎn)化過(guò)程[43]，證明Notch通路和Wnt4、Wnt9b通路在抑制基質(zhì)干細(xì)胞干性、促進(jìn)干細(xì)胞分化上具有功能上的互補(bǔ)性。但是BMP7卻與三者作用相反，BMP7能維持帽狀干細(xì)胞干性，抑制分化[25]。

總之，腎臟發(fā)育過(guò)程中各信號(hào)通路通過(guò)互補(bǔ)、相互促進(jìn)亦或是相互抑制，保證了整個(gè)信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)，從而確保腎臟能夠正常的發(fā)育。腎臟發(fā)育過(guò)程中各信號(hào)通路的作用見(jiàn)表1。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

在過(guò)去的20多年間，利用基因敲除及轉(zhuǎn)基因技術(shù)構(gòu)建的一系列小鼠模型，很好地幫助人們理解了腎臟發(fā)育過(guò)程中相關(guān)分子及信號(hào)通路的重要作用，同時(shí)也對(duì)其他器官及機(jī)體整體發(fā)育過(guò)程的研究起到了重要的提示作用。對(duì)腎臟發(fā)育過(guò)程中信號(hào)通路的調(diào)控作用進(jìn)行研究，其最主要的意義是為臨床預(yù)防和治療腎臟疾病提供了理論依據(jù)。在腎臟發(fā)生損傷或疾病的情況下，會(huì)激活腎臟發(fā)育過(guò)程中的某些信號(hào)通路。此外，各種慢性腎臟疾病如果發(fā)展到尿毒癥期，藥物治療無(wú)效，只有透析治療或腎移植手術(shù)才能挽救生命，腎臟移植后的排異反應(yīng)一直是困擾患者的一個(gè)難題。雖然目前的技術(shù)難以達(dá)到在體外培育一個(gè)完整的腎臟來(lái)替代損傷腎臟，但是已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)在腎損傷的小鼠模型上利用干細(xì)胞技術(shù)來(lái)對(duì)其損傷組織進(jìn)行替換[4]。相信隨著腎臟發(fā)育過(guò)程中信號(hào)通路研究的完善、干細(xì)胞研究的深入以及體外培養(yǎng)技術(shù)的進(jìn)步，利用自身細(xì)胞體外培育可用于移植的腎臟只是時(shí)間的問(wèn)題。但是在此之前，必須要完成的工作就是清楚地了解腎臟發(fā)育過(guò)程中各個(gè)信號(hào)通路起作用的時(shí)間、位置以及影響范圍，因此，該領(lǐng)域還有很多研究工作有待進(jìn)行。

表1 腎臟發(fā)育過(guò)程中的信號(hào)通路作用

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