Sonic Hedgehog信號通路及其在脊髓損傷后表達(dá)的研究進(jìn)展*

★ 顏浪輝 鄢來軍 唐煥章（.福建中醫(yī)藥大學(xué) 福州 35022；2.聯(lián)勤保障部隊(duì)第九〇〇醫(yī)院 福州 350025）

脊髓損傷（spine cord injury，SCI）作為一種高致殘率的損傷性疾病，是臨床上比較常見的創(chuàng)傷性疾病，致傷原因多見于跌倒、高處墜落和交通事故等［1］。研究顯示：美國的 SCI發(fā)病率為（27～83）/100萬，澳大利亞的SCI發(fā)病率為（21～32.3）/100萬。在我國，通過統(tǒng)計(jì)天津市2004年1月—2008年12月869例SCI患者，得出年發(fā)病率為23.7/100萬［2-4］。SCI患者不僅身體和心理都受到嚴(yán)重傷害，而且對于其家庭也會造成巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。郝定均等［5］報(bào)道西安SCI的平均住院費(fèi)用為37 850元。Krueger等［6］調(diào)查到加拿大花費(fèi)在與脊髓損傷相關(guān)的財(cái)政支出巨大，每年高達(dá)26.7億加元。因此，如何有效的治療SCI是一個亟需解決的問題。近些年來有研究表明，Sonic Hedgehog（Shh）信號通路在神經(jīng)系統(tǒng)損傷后扮演重要的角色，可起到促進(jìn)神經(jīng)再生、抗氧化、抗炎等作用［7-8］?，F(xiàn)將Shh信號通路及其在脊髓損傷后表達(dá)的研究進(jìn)展綜述如下。

1 Shh信號通路介紹

1980年，Nusslein-Volhard和Wieschaus等在果蠅上發(fā)現(xiàn)了一種影響發(fā)育的基因，當(dāng)這種基因缺失或突變時(shí)，將會使果蠅胚胎發(fā)育成毛團(tuán)狀，形似刺猬（hedgehog），便命名為 Hedgehog基因［9］。果蠅等無脊椎低等動物目前都只發(fā)現(xiàn)有單個Hedgehog基因，而在高等動物中發(fā)現(xiàn)有多個Hedgehog基因，就比如哺乳動物中發(fā)現(xiàn)至少有三個Hedgehog同源基因，分別為Sonic HH（SHH），Desert HH（DHH）和Indian HH（IHH），分別編碼三種相對應(yīng)的蛋白：SHH，DHH和IHH，稱為配體。在這三種配體中，研究的最多的是Shh配體，這也是研究的最為廣泛的，其在哺乳動物多器官的發(fā)育中扮演著重要的調(diào)節(jié)作用，就比如神經(jīng)干形成、干細(xì)胞分化增殖等［10］。

Shh信號通路主要是由Shh配體、Patched（Ptch）、Smoothened（Smo）、Gli及下游的一些靶基因等組成。Shh配體可由多器官的分泌細(xì)胞產(chǎn)生，是一種胞外配體。Shh在許多動物中都存在且高度保守，其中，人與鼠的同源性高達(dá)92%。Shh配體蛋白是由Shh基因編碼的一種高度保守的分泌性糖蛋白，其相對分子量約為45kDa，具有自身催化加工的能力，使自身催化分裂成為相對分子質(zhì)量19kDa的Shh-N和26kDa的Shh-C兩條分泌多肽［11］?，F(xiàn)在的研究檢測發(fā)現(xiàn)具有完整結(jié)構(gòu)的Shh蛋白無活性，但是當(dāng)Shh蛋白完整結(jié)構(gòu)被破環(huán)，分解為Shh-N鏈時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)其具有生物活性［12］。其中Shh-N負(fù)責(zé)通路信號傳遞，Shh-C通過自我剪切將膽固醇基團(tuán)加入Shh-N 的C端，使得Shh-N的N端借助?；D(zhuǎn)移酶半胱氨酸棕櫚?；?，進(jìn)而成為有活性的可在該信號通路中發(fā)揮作用的Shh蛋白，發(fā)揮其信號傳導(dǎo)的能力。由抑癌基因編碼的膜蛋白Ptch，是一種12次跨膜蛋白。研究發(fā)現(xiàn)其具有：一個是結(jié)合Shh配體，另一個是抑制Smo活性，對Shh信號通路起到負(fù)調(diào)控的作用。人類的Ptch基因具有Ptch1和Ptch2兩種同源基因，其中Ptch1基因編碼的Ptch1蛋白是Hh蛋白的主要受體。當(dāng)Shh配體存在時(shí)，Ptch1將會與Shh配體結(jié)合，其將不會再發(fā)揮抑制Smo活性的作用。膜蛋白Smo是一種7次跨膜蛋白，橫跨于細(xì)胞膜的兩側(cè)，由原癌基因編碼，其分子量約為115kDa，是G蛋白偶聯(lián)受體家族中的一員，也是Shh信號通路中的關(guān)鍵因素。當(dāng)膜蛋白Ptch與Shh配體結(jié)合后，Smo激活，進(jìn)而激活細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子Gli。有研究表明：當(dāng)具有完整結(jié)構(gòu)的Shh配體蛋白未被破環(huán)分解形成具有活性的Shh-N鏈時(shí)，膜蛋白Ptch將會發(fā)揮其抑制Smo活性的作用，與Smo結(jié)合并抑制Smo活性；而當(dāng)被分解成為具有活性的Shh-N鏈后，膜蛋白Ptch將會發(fā)揮其結(jié)合Shh配體的作用，與具有活性的Shh-N鏈結(jié)合，使Smo脫離Ptch，不再被Ptch抑制活性，游離的被激活的Smo又可通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的環(huán)磷酸腺苷水平來激活其下游的鋅指轉(zhuǎn)錄因子Gli，被激活的Gli進(jìn)入核內(nèi)，將會發(fā)揮激活或者抑制作用，進(jìn)而作用于不同的靶基因［13］。人類的下游轉(zhuǎn)錄因子Gli基因具有三種同源基因，分別為Gliomaass- ociated oncogene homolog（Gli1）、GLI－ Kruppel family member 2（Gli2）、GLIKruppel family member 3（Gli3），Gli1、Gli2主要起轉(zhuǎn)錄激活作用，Gli3起轉(zhuǎn)錄抑制作用［14］，以上三種轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合區(qū)均發(fā)現(xiàn)高度保守。其中Gli1扮演了關(guān)鍵角色，它是一種轉(zhuǎn)錄活性很高的激活因子，當(dāng)其活化后，就可激活Hh信號通路，所以其常常作為該信號通路激活的標(biāo)志［15］。總之，當(dāng)機(jī)體處在平常情況未受刺激時(shí)，Ptch發(fā)揮其功能，抑制Smo活性，Shh信號通路處于未激活狀態(tài)。但是當(dāng)機(jī)體遭受相應(yīng)刺激或某些突變時(shí)，Shh配體就會與膜蛋白Ptch結(jié)合，解除對另一種膜蛋白Smo活性的抑制，激活其下游信號通路中的Gli蛋白，進(jìn)而激活細(xì)胞核中的靶基因的轉(zhuǎn)錄使細(xì)胞在刺激或突變后發(fā)生增殖、分化、遷移等現(xiàn)象［16-18］。

2 Shh信號通路與脊髓損傷

Shh信號通路目前在胚胎發(fā)育、腫瘤以及腦損傷中的研究相對來說比較多，但是在脊髓及其損傷性疾病中研究較少。研究表明［19-21］：當(dāng)腦組織發(fā)生損傷后，通過上調(diào)或者促進(jìn)Shh信號通路的表達(dá)，可對腦組織具有修復(fù)和保護(hù)作用。而脊髓作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的一部分，Shh信號通路是否具有同樣的作用？是否通過促進(jìn)Shh信號通路的表達(dá)可使脊髓功能得到修復(fù)和保護(hù)？

2.1 Shh信號通路與脊髓發(fā)育 研究表明［22-23］：Shh作為一種形成素，在脊髓形態(tài)發(fā)育過程中發(fā)揮著極其重要的作用，在早期脊椎動物胚胎發(fā)育過程中檢測到Shh在中線組織中表達(dá)，比如脊髓結(jié)節(jié)、脊索和底板等，控制著胚胎發(fā)育過程中脊髓左右以及背腹軸的建立。在神經(jīng)管發(fā)育過程中，脊索處的Shh誘導(dǎo)了腹側(cè)底板處Shh的表達(dá)，并緩慢的向脊髓背側(cè)擴(kuò)散，使腹側(cè)的Shh濃度高于背側(cè)濃度，不同的Shh濃度將會發(fā)揮不同的作用，這種不同濃度的Shh將會使神經(jīng)元前體細(xì)胞和神經(jīng)膠質(zhì)前體細(xì)胞誘導(dǎo)分化為神經(jīng)元或神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞［24-25］。脊髓作為一種傳遞信息的途徑，可傳遞大腦與周圍組織之間的信息，其發(fā)揮功能主要是依靠中上行纖維束傳遞外周組織收集到的信息至大腦，依靠下行纖維束傳遞大腦發(fā)出的運(yùn)動信息至外周。而這些纖維束要想能發(fā)揮其正常功能，必然要具有極其精確的空間位置，這肯定需要眾多分子調(diào)控才能確保這些纖維束形成以及前行的方向在其正常位置，以確保其傳遞的信息準(zhǔn)確無誤［26］。在這之中，Shh扮演了極其重要的作用。研究顯示Shh是一種重要的軸突導(dǎo)向分子的化學(xué)引誘物，可以使位于脊髓翼板背部發(fā)育中的聯(lián)合神經(jīng)元軸突受底板高濃度Shh誘導(dǎo)投射到達(dá)底板［27］。當(dāng)軸突到達(dá)底板后，軸突表面將會產(chǎn)生一種受體Hip，其會與Shh信號分子產(chǎn)生排斥作用，進(jìn)而使聯(lián)合神經(jīng)元軸突離開底板，然后通過Shh的排斥作用和Wnt的吸引作用使聯(lián)合神經(jīng)元軸突形成正確的軸突投射，最終被分選到脊髓內(nèi)不同的纖維束，精確投射到后腦、小腦和中腦等部位［28］。且當(dāng)利用特異性抗體使Shh不能發(fā)揮正常功能時(shí)，將會使神經(jīng)元軸突導(dǎo)向紊亂，進(jìn)而出現(xiàn)一系列異常情況，就比如底板滯留、隨機(jī)向前-后方向投射以及過度投射等［29］?？傊?，Shh是脊髓發(fā)育過程中的一種非常重要的誘導(dǎo)分子，其不僅可以調(diào)控神經(jīng)前體細(xì)胞的分化，控制脊髓背腹軸的形成，而且作為一種具有雙重功能的軸突導(dǎo)向分子，可以使脊髓中正在發(fā)育中的聯(lián)合神經(jīng)元軸突向正確的方向投射，使不同部位的神經(jīng)元間建立正確的連接。此外，在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育中，Shh信號通路可以誘導(dǎo)整個中樞神經(jīng)系統(tǒng)形成正確的背腹兩側(cè)分區(qū)，當(dāng)這一信號通路受到異常破壞時(shí)，將導(dǎo)致整個中樞神經(jīng)系統(tǒng)背腹側(cè)表型神經(jīng)元功能與方位的完全喪失［30］。

2.2 Shh信號通路與脊髓損傷 近些年來，有大量研究表明Shh信號通路與脊髓損傷密切相關(guān)，Shh信號通路也得到了越來越多的重視。Reimer等［31］在成年斑馬魚的脊髓實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)損傷后的成年斑馬魚脊髓中Shh表達(dá)相對于未損傷的成年斑馬魚高，且在使用Shh信號通路的特異性抑制劑環(huán)巴胺（cyclopamine，Cyc）后，可顯著降低脊髓增生以及神經(jīng)元再生，這表明成年斑馬魚具有在病變后重新發(fā)生運(yùn)動神經(jīng)元產(chǎn)生的能力，而這種能力與脊柱損傷后shh信號表達(dá)有關(guān)，可促使運(yùn)動神經(jīng)元再生。崔兆輝［32］在進(jìn)行大鼠急性損傷實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)正常組的大鼠脊髓組織中檢測到SHH信號通路成分表達(dá)較低，而在大鼠脊髓損傷組中，檢測到該信號通路中的Shh和Gli-1蛋白表達(dá)量明顯增多，提示Shh信號通路可能參與到脊髓損傷后神經(jīng)的修復(fù)。樊洪等［33］在采用Shh/Gli1信號報(bào)告基因及Gli1基因敲除小鼠進(jìn)行脊髓夾傷實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)其之后運(yùn)動功能顯著差于野生型小鼠，表明Shh/Gli1信號在進(jìn)行小鼠脊髓夾傷實(shí)驗(yàn)后被激活表達(dá)，可能使脊髓損傷后血-脊髓屏障滲透性發(fā)生了改變，并最終影響了小鼠脊髓損傷后肢體運(yùn)動功能的恢復(fù)。Zhang等［34］在急性脊髓損傷實(shí)驗(yàn)中通過沉默PTC1和PTC2基因后發(fā)現(xiàn)可以激活Hh信號傳導(dǎo)途徑，且Hh信號通路中Shh、Smo、Gli1等蛋白表達(dá)越高，炎癥越少，脊髓空腔也不明顯，甚至在某些區(qū)域可見明顯的神經(jīng)再生。崔學(xué)文等［35］在進(jìn)行脊髓完全橫斷型大鼠實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，使用了載有SHH的纖維蛋白膠的大鼠相對于未使用的橫斷端有一些神經(jīng)元存活且排列規(guī)則，許多神經(jīng)纖維未完全潰變，表明SHH作為一種信號分子在大鼠脊髓完全橫斷損傷修復(fù)中起著極其重要的作用，可加速使脊髓損傷得到修復(fù)。有研究發(fā)現(xiàn)在脊髓損傷后，Shh還可與Notch-1一起發(fā)揮作用，共同調(diào)控突觸蛋白-Ⅰ（synapsin-Ⅰ），使得脊髓損傷后的突觸重塑和神經(jīng)再生速度加快，進(jìn)而改善受損脊髓的功能［36］。由此可見，在脊髓損傷后，促進(jìn)Shh信號通路的高表達(dá)將會使脊髓功能的到修復(fù)，也是今后治療脊髓損傷的一個新靶標(biāo)。

3 中醫(yī)藥與Shh信號通路

目前尚未檢索到相關(guān)文獻(xiàn)闡釋祖國醫(yī)學(xué)與Shh信號通路在脊髓損傷的作用，但已有大量研究表明中醫(yī)藥可通過Shh信號通路改善腦組織損傷性疾病。李亞翔［37］在使用龜羚帕安丸聯(lián)合神經(jīng)干細(xì)胞移植治療帕金森?。≒D）模型大鼠時(shí)，可使Shh表達(dá)增高，有效減輕PD大鼠模型的癥狀。范婭丹［38］在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)燈盞乙素與芍藥苷配伍可激活Shh信號通路，使大鼠局灶性腦缺血損傷得到治療，保護(hù)腦缺血損傷。此外，研究表明：中醫(yī)藥在脊髓損傷中起著重要的作用，能夠有效改善脊髓損傷后的微循環(huán)，加快受損區(qū)域的神經(jīng)元及神經(jīng)纖維修復(fù)，保護(hù)損傷后的受損細(xì)胞等，進(jìn)而加快了SCI的恢復(fù)，且相應(yīng)的并發(fā)癥也比較少［39］。由此可見，中醫(yī)藥與Shh信號通路關(guān)系密切，但其具體在脊髓損傷中所起到的作用有待進(jìn)一步研究。

4 問題與展望

目前，已有研究表明Shh作為一種信息素在脊髓發(fā)育過程中扮演著重要的角色，但是關(guān)于Shh信號通路與脊髓損傷的相關(guān)性的研究相對來說比較少，是一個比較新穎的實(shí)驗(yàn)課題，也存在著不少的問題。例如，現(xiàn)在對于脊髓損傷的機(jī)制闡述的也比較多，目前比較認(rèn)可的參與機(jī)制有血管機(jī)制、自由基學(xué)說、電解質(zhì)失衡、炎癥以及細(xì)胞凋亡等。但是現(xiàn)有的關(guān)于Shh信號通路與脊髓損傷的研究大多是停留在促進(jìn)Shh信號通路表達(dá)會使脊髓損傷的到修復(fù)或保護(hù)的層面，很少深入到其具體是通過何種機(jī)制使脊髓損傷后的脊髓得到修復(fù)或保護(hù)，這需要今后的大量實(shí)驗(yàn)來闡明，這也是本課題組將要研究的方向。不過，值得慶幸的是，現(xiàn)在對于這方面的研究在逐漸增多。未來，我相信隨著對Shh信號通路與脊髓損傷的具體機(jī)制的闡明，將會為臨床上治療脊髓損傷提供一條新的思路，一條開發(fā)新藥的可行途徑，這對于脊髓損傷的患者和社會來說都將是是不小的福音。