Notch和Wnt通路對(duì)腦缺血后神經(jīng)干細(xì)胞作用的研究進(jìn)展

蘇明珠，馬躍文

中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，遼寧沈陽(yáng)市 110000

腦梗死是腦血管病最常見(jiàn)的類(lèi)型，有較高的發(fā)病率、死亡率和致殘率[1]。腦缺血后一些病理生理過(guò)程，如興奮性氨基酸毒性、炎癥和凋亡等，在引起腦缺血后組織損傷的同時(shí)，也會(huì)在一定范圍內(nèi)激活體內(nèi)保護(hù)機(jī)制，促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cells,NSCs)增殖。NSCs 主要通過(guò)兩種途徑修復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)：①重建損傷組織結(jié)構(gòu)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)組織的完整性；②分泌各種營(yíng)養(yǎng)因子、生長(zhǎng)因子等，促進(jìn)神經(jīng)再生[2]。受局部環(huán)境的影響，NSCs存活數(shù)量有限，無(wú)法很好修復(fù)損傷腦組織。

Notch 是一類(lèi)進(jìn)化上高度保守的跨膜受體蛋白家族，主要調(diào)節(jié)細(xì)胞分化和組織發(fā)育。Notch 信號(hào)通路無(wú)論在胚胎發(fā)育階段還是成體，均對(duì)NSCs 的維持和分化起到重要作用[3‐4]。Wnt信號(hào)通路根據(jù)β‐catenin是否參與信號(hào)傳導(dǎo)，分為經(jīng)典和非經(jīng)典兩類(lèi)。非經(jīng)典Wnt通路主要參與細(xì)胞骨架的重排和對(duì)運(yùn)動(dòng)功能的調(diào)節(jié)。經(jīng)典Wnt/β‐catenin 通路被激活后，促使β‐catenin 入核，調(diào)節(jié)核內(nèi)靶基因表達(dá)，調(diào)控機(jī)體的生長(zhǎng)、發(fā)育和代謝平衡等過(guò)程。Wnt/β‐catenin 通路廣泛分布于腦內(nèi)，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育與成熟的過(guò)程中也起著重要作用[5]。Notch和Wnt信號(hào)通路在腦缺血后NSCs的增殖分化過(guò)程中也扮演重要角色。

1 Notch信號(hào)通路

Notch信號(hào)通路由Notch受體、Notch配體(統(tǒng)稱(chēng)DSL蛋白)、胞內(nèi)效應(yīng)分子(統(tǒng)稱(chēng)CSL‐DNA 結(jié)合蛋白)等組成。Notch 受體大多為單次跨膜蛋白，由胞外區(qū)(Notch extracellular domain,NECD)、跨膜區(qū)(transmembrane domain,TM)以及胞內(nèi)區(qū)(notch intracellular domain,NICD)三個(gè)結(jié)構(gòu)域組成。相鄰細(xì)胞的Notch配體與受體結(jié)合，在γ 分泌酶復(fù)合體的催化下Notch 受體的跨膜區(qū)發(fā)生蛋白裂解，NICD 從細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)釋放。NICD 釋放后，進(jìn)入細(xì)胞核，與CSL家族轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體結(jié)合，募集核轉(zhuǎn)錄激活蛋白家族mastermind‐like 蛋白(MAML)，形成NICD‐CSL‐MAML 復(fù)合物，作用于堿性螺旋‐環(huán)‐螺旋(basic/helix‐loop‐he‐lix,bHLH)轉(zhuǎn)錄抑制因子家族的靶基因，如Hes1、Hes5、Hes7和Hey1、Hey2等，發(fā)揮生物學(xué)作用[6]。

Notch 信號(hào)通路調(diào)節(jié)通過(guò)一些因子影響NSCs 周期[7‐8]，增強(qiáng)NSCs 的增殖能力[9]，使NSCs 向神經(jīng)細(xì)胞的分化維持于特定的平衡狀態(tài)[10‐11]。Notch 信號(hào)通路在哺乳動(dòng)物中有4 個(gè)同源受體，分別為Notch1～Notch4；Notch 配體有Dill、Jagged1 等；腦缺血后，Notch1 和其配體Jagged1 在NSCs 的增殖與分化過(guò)程中作用更為明顯[12‐14]。Liu等[15]發(fā)現(xiàn)，激活Notch1信號(hào)通路能誘導(dǎo)NSCs 表現(xiàn)出更大的分化潛能，修復(fù)缺血后神經(jīng)元損傷。Liu 等[9]發(fā)現(xiàn)，缺血性腦卒中小鼠MicroRNA(miRNA)‐137 通過(guò)Notch‐Jagged1‐Hey2 途徑促進(jìn)NSCs 的增殖分化，從而改善神經(jīng)功能。NICD 是Notch 信號(hào)通路的胞內(nèi)活化因子。大鼠腦缺血后，室管膜下區(qū)(subventricular zone,SVZ)NICD 水平明顯升高，可促進(jìn)NSCs 增殖和遷移[16]。Hes1 是Notch1 信號(hào)通路下游的一個(gè)關(guān)鍵基因，在維持NSCs 未分化狀態(tài)中有重要作用[17]。腦缺血后，Hesl 受上游信號(hào)和細(xì)胞因子的共同調(diào)控，影響NSCs 增殖和分化，發(fā)揮修復(fù)作用。Zhao 等[13]發(fā)現(xiàn)，電針能上調(diào)Notch1和Hes1的表達(dá)，促進(jìn)海馬區(qū)NSCs的增殖和向神經(jīng)元分化，改善腦卒中大鼠的神經(jīng)功能。

2 Wnt信號(hào)通路

Wnt 信號(hào)網(wǎng)絡(luò)包括Wnt 配體、跨膜受體卷曲蛋白(frizzled,Frz)和低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(lowdensitylipoproteinrecep‐tor‐relatedprotein,LRP)，以及4 個(gè)途徑：Wnt/β‐catenin、Wnt/Ca2+、Wnt/pcp 及調(diào)節(jié)紡錘體定向和不對(duì)稱(chēng)細(xì)胞分裂通路。Wnt/β‐catenin 是經(jīng)典的Wnt 信號(hào)傳導(dǎo)途徑，β‐catenin 是Wnt 信號(hào)通路的核心分子，Wnt/β‐catenin 通路被激活后，阻斷β‐catenin 被糖原合成酶激酶3β 磷酸化，使β‐catenin 在胞質(zhì)內(nèi)大量聚集并進(jìn)入細(xì)胞核，破壞淋巴增強(qiáng)因子(1ymphoidenchancer factor,LEF)/T 細(xì)胞因子(T cell factor,TCF)家族與Groucho、環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白(cAMP‐response element binding protein‐binding protein,CBP)抑制蛋白形成的復(fù)合物，并與LEF/TCF家族的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，激活轉(zhuǎn)錄因子，最終活化下游靶基因表達(dá)，從而調(diào)控細(xì)胞的增殖、分化、凋亡、遷徙等過(guò)程[18‐20]。

Wnt 信號(hào)通路在胚胎期神經(jīng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)NSCs 的調(diào)控起著關(guān)鍵作用。Lee 等[21]從胚胎期小鼠大腦半球檢出Wnt1、Wnt3a 等，發(fā)現(xiàn)這些蛋白在神經(jīng)發(fā)生中起重要作用。其機(jī)制與增加S期細(xì)胞數(shù)量、縮短G1和/或G2期時(shí)間，以及抑制細(xì)胞由G1 期過(guò)渡到G0 期有關(guān)[22]。在成體和腦缺血大鼠海馬齒狀回顆粒下層(subgranular zone,SGZ)和SVZ 也發(fā)現(xiàn)Wnt配體和Wnt受體參與NSCs的增殖和分化[23‐24]。

Wnt1 和Wnt3a 是Wnt 信號(hào)通路中的兩個(gè)配體，也是Wnt信號(hào)通路重要的激活劑。Wnt3a 在胚胎發(fā)育期不僅激活Wnt 信號(hào)通路，還促進(jìn)NSCs 增殖[25]。Wnt3a/β‐catenin 對(duì)腦缺血后NSCs 也有積極影響。Kang 等[26]發(fā)現(xiàn)，沖擊波治療通過(guò)Wnt3a/β‐catenin信號(hào)通路，使腦缺血大鼠神經(jīng)元特異性烯醇化酶(neu‐ron‐specific enolase,NSE)和nestin 表達(dá)升高，促進(jìn)腦缺血后NSCs 的增殖與分化。Wei 等[27]發(fā)現(xiàn)，小鼠局限性腦缺血后1 h起每天經(jīng)鼻吸入Wnt3a，7 d后，腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain‐de‐rived neurotrophic factor,BDNF)表達(dá)明顯上升，促進(jìn)SVZ 中NSCs的增殖和遷徙。

Wnt1 是調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖的關(guān)鍵分泌信號(hào)分子。邢雪松等[28]發(fā)現(xiàn)，大鼠腦缺血再灌注后，Wntl 時(shí)間依賴(lài)性表達(dá)與NSCs 的增殖過(guò)程一致。Wang 等[29]發(fā)現(xiàn)，miRNA‐148/152 家族中的miRNA‐148b 能通過(guò)Wnt1/β‐catenin 通路調(diào)節(jié)腦缺血大鼠NSCs 的增殖與分化。Chen 等[30]發(fā)現(xiàn)，電針通過(guò)上調(diào)Wnt1/β‐catenin 的表達(dá)，抑制糖原合成酶激酶‐3 (glycogen synthase ki‐nase‐3,GSK3)的表達(dá)，增強(qiáng)腦缺血大鼠皮質(zhì)NSCs增殖。

3 Notch信號(hào)通路和Wnt信號(hào)通路的串并

Notch 信號(hào)通路和Wnt 信號(hào)通路的交互作用最初在共同調(diào)節(jié)果蠅羽翼發(fā)育中被發(fā)現(xiàn)。隨著胚胎、個(gè)體發(fā)育、干細(xì)胞增殖分化的深入研究，人們認(rèn)識(shí)到Wnt 信號(hào)通路和Notch 信號(hào)通路并不是孤立存在的，而是處于一個(gè)精密復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中[31‐32]。

Wnt和Notch信號(hào)通路的串并(crosstalk)主要通過(guò)3個(gè)途徑。①轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)的協(xié)同作用。Notch 的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與β‐catenin 的蛋白復(fù)合物存在于動(dòng)脈基因RBP‐J結(jié)合位點(diǎn)上，協(xié)同增強(qiáng)成人體內(nèi)血管生成過(guò)程中靶基因的啟動(dòng)子活性和動(dòng)脈基因表達(dá)[33]。Jin等[34]發(fā)現(xiàn)，β‐catenin 能夠調(diào)節(jié)Notch1 和NICD 的表達(dá)水平和轉(zhuǎn)錄活性。②一條通路影響另一條通路配體的表達(dá)，產(chǎn)生有序的信號(hào)。在小鼠耳聽(tīng)板發(fā)育過(guò)程中，Wnt 信號(hào)通路能調(diào)節(jié)Notch配體Jagged1[35]。在脊椎動(dòng)物體節(jié)發(fā)育過(guò)程中，Wnt通路核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子LEF1能調(diào)節(jié)Notch配體Dll1[36]。③通路中分子的直接作用。如非洲爪蟾腹側(cè)‐后部發(fā)育過(guò)程中，DSL(Wnt 受體復(fù)合物的成分)與成熟Notch 受體的結(jié)合觸發(fā)一系列蛋白裂解，導(dǎo)致Notch 細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域釋放[37]。作為兩條通路的橋梁分子還有Hes‐1、GSK3β等[38‐40]。

Notch 信號(hào)通路和Wnt 信號(hào)通路在干細(xì)胞調(diào)節(jié)中也相互作用，彼此影響。在不同組織中，它們之間相互影響的方式不同。在心臟干細(xì)胞，Notch1 拮抗Wnt/β‐catenin 信號(hào)通路的作用[41]；在牙髓干細(xì)胞，Notch1 與Wnt3a 間存在協(xié)同作用[42]。在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中，Wnt 和Notch 信號(hào)通路也存在一定的聯(lián)系[43]。Song等[44]發(fā)現(xiàn)，Notch信號(hào)通路能增強(qiáng)Lgr5(Wnt信號(hào)通路激動(dòng)受體)的表達(dá)，提高脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元細(xì)胞含量。Mu?mann 等[45]發(fā)現(xiàn)，Wnt3a 能誘導(dǎo)Hes1 轉(zhuǎn)錄因子上調(diào)。Bizen等[12]發(fā)現(xiàn)，β‐catenin 可通過(guò)上調(diào)Notch 信號(hào)通路的表達(dá)，抑制NSCs 分化。Singh 等[46]發(fā)現(xiàn)，連接Notch 信號(hào)通路和Wnt 信號(hào)通路的橋梁分子GSK‐3β 影響SVZ 中NSCs 的增殖、遷徙和分化。

4 展望

自NSCs被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，NSCs作為腦缺血后神經(jīng)功能障礙的治療方法，成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。如何有效促進(jìn)NSCs 增殖并向神經(jīng)元定向分化，卻一直沒(méi)能很好解決。Notch 和Wnt 信號(hào)通路在缺血性腦卒中后NSCs 的增殖、遷移和分化過(guò)程發(fā)揮著重要作用。恰當(dāng)調(diào)控兩條信號(hào)通路以及它們之間的串聯(lián)，促進(jìn)腦缺血后NSCs 的增殖和分化，對(duì)腦梗死后神經(jīng)系統(tǒng)的修復(fù)和重建有重要意義。