Hedgehog信號通路在腎間質(zhì)纖維化中作用的研究進展

周蘭琪 周建華

430030 武漢，華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬同濟醫(yī)院兒科

Hedgehog(Hh)基因于1980年在篩選影響果蠅發(fā)育的基因突變體實驗中首次被發(fā)現(xiàn)，其Hedgehog這個名字來源于果蠅基因突變胚胎的外形，呈多毛團狀。12年后發(fā)現(xiàn)它是一種分泌型信號蛋白通路[1-2]，進化上保守，在組織發(fā)育、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和細胞修復(fù)中起重要作用，同時具有促有絲分裂的作用。所以，Hh信號通路的異常是多器官系統(tǒng)發(fā)育異常的基礎(chǔ)。在哺乳動物中存在著3條Hh信號通路，即Sonic Hedgehog(SHh)、Desert Hedgehog(DHh)和Indian Hedgehog(IHh)信號通路[3-4]，其中研究最多且作用機制較為清楚的是SHh信號通路?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)SHh 信號通路對人體的作用廣泛，其異常激活影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育以及癌癥的發(fā)生[5-6]，且在消化管和支氣管樹的形成中具有重要作用[2]。此外，在臟器纖維化疾病如肺纖維化、肝纖維化、腎纖維化等的發(fā)生中也起重要作用。DHh信號通路表達主要限于性腺，包括睪丸中的睪丸支持細胞，對性細胞分化也起關(guān)鍵作用[7]。IHh 信號通路則與骨軟骨細胞的發(fā)育和軟骨內(nèi)骨的血管化有關(guān)[8]。本文就Hedgehog信號通路的研究進展及對腎間質(zhì)纖維化的作用做一綜述。

一、Hedgehog信號通路的主要組成與調(diào)節(jié)

在哺乳動物中，Hh信號通路主要由3種配體即Sonic hedgehog (Shh)、Desert hedgehog(Dhh)和Indian hedgehog (Ihh)，兩種跨膜受體即Ptch和Smo，下游的核轉(zhuǎn)錄因子(Gli)及Gli的核心調(diào)節(jié)蛋白Sufu和Kif7組成。Hh信號通路的傳導(dǎo)也有纖毛的參與。纖毛是突出于細胞表面、由微管構(gòu)成的亞細胞結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)沿著纖毛雙向運輸，通過調(diào)節(jié)多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，影響細胞功能和細胞周期[9-11]。最近的證據(jù)表明，纖毛獨特的脂質(zhì)膜組成對纖毛的功能和Hh信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有著重要作用，盡管原纖毛與Hh信號轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)系密切，但目前關(guān)于Hh信號對常染色體顯性多囊腎病在內(nèi)的腎囊性疾病作用的信息仍然有限[12]。

在腎臟中，Shh在乳頭狀集合管和輸尿管上皮中表達，Ihh主要在髓內(nèi)皮質(zhì)和髓外皮質(zhì)交界處表達。Shh調(diào)控鄰近間質(zhì)細胞的增殖和分化，生殖細胞Shh缺失或集合管細胞Shh缺失均可導(dǎo)致嚴重的腎臟發(fā)育不全或發(fā)育不良[13]。Ptch是12次跨膜蛋白受體，定位于纖毛。有Ptch1和Ptch2兩種亞型，Ptch1是該通路的負調(diào)節(jié)因子，并且Ptch1表達增加是Hh通路激活的標志[6，8]。有研究表明，小鼠發(fā)育過程中，Ptch1缺失使Hh信號通路激活，導(dǎo)致皮質(zhì)間質(zhì)細胞異位至輸尿管與腎盂交界處，引起尿流出受阻，腎盂擴張[14]。Smo是7次跨膜蛋白受體，Ptch1通過抑制Smo 阻斷Hedgehog信號通路的激活。在有hh配體的情況下，hh與細胞表面Ptch1結(jié)合，Ptch1離開纖毛，解除對Smo的抑制，使Smo在纖毛上聚集，激活Gli，Gli遷移到細胞核內(nèi)從而激活Hh靶基因的表達[9，15]。雖然Hh通路的激活與Smo、Gli在纖毛上定位相關(guān)，但尚缺乏明確的證據(jù)證明Hh信號轉(zhuǎn)導(dǎo)需要他們在纖毛定位和其他途徑成分。最近的一項研究顯示，在某些條件下，Smo沒有在纖毛中積聚，也可以激活Hh信號通路[16]。

3種核轉(zhuǎn)錄因子(Gli)即Gli-1、Gli-2和Gli-3。Gli-1和Gli-2僅在腎臟的間質(zhì)細胞中表達，Gli-1是組成型激活物，主要作為轉(zhuǎn)錄激活因子，在通路激活后起正反饋作用，Gli-2和Gli-3具有C端轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域和N端轉(zhuǎn)錄阻遏結(jié)構(gòu)域，因此他們在通路中既有正向調(diào)控作用也有負向調(diào)控作用，主要取決于轉(zhuǎn)錄與翻譯的過程。Gli-2、Gli-3與調(diào)節(jié)蛋白Sufu分離后激活成為Gli-2A、Gli-3A，Gli-2A是Hh信號通路的主要激活物。泛素化和磷酸化后的Gli-2和Gli-3轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)錄抑制因子即Gli-2R、Gli-3R，其中Gli-3R是Hh信號通路的主要抑制物[17-19]。在最近的研究中，Rauhauser等[20]報道了對基因修飾后Gli-similar 2+/mut雜合子小鼠、Gli1lacZ/lacZ純合子小鼠以及對表達神經(jīng)元膠質(zhì)蛋白2(NG2)的周細胞敲除Hh信號通路Smo激活子的小鼠進行單側(cè)輸尿管結(jié)扎，驗證了Hedgehog -Gli1信號通路的激活加重了小鼠單側(cè)輸尿管梗阻后腎間質(zhì)纖維化和腎小管擴張。Pallister-Hall綜合征是由Hh信號通路的Gli-3突變所致，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子Gli-3功能丟失，患者出現(xiàn)多指(趾)、下丘腦錯構(gòu)瘤、呼吸道和腎臟發(fā)育異常，表明Hh信號通路異常與腎臟畸形有關(guān)，說明Hh參與了人類腎臟的發(fā)生[13]。

Sufu和Kif7是哺乳動物Gli核轉(zhuǎn)錄因子的兩個核心調(diào)節(jié)蛋白，Sufu通過與細胞質(zhì)內(nèi)的Gli-1、Gli-2、Gli-3轉(zhuǎn)錄因子相互作用負向調(diào)控Hh通路。在沒有配體的情況下，Sufu直接與Gli轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，將其錨定在細胞質(zhì)中從而抑制Gli相關(guān)靶基因的激活[15]。Sufu也可形成一種復(fù)雜的抑制物與DNA結(jié)合的Gli-1相互作用從而抑制Gli-1誘導(dǎo)基因表達。Kif7是一種驅(qū)動蛋白，定位在纖毛的基部，在纖毛未受刺激的狀態(tài)下，起順向轉(zhuǎn)運的作用，可防止Gli-2與Gli-3在纖毛上聚集[9]。在通路激活過程中，纖毛中Ptch1的豐度降低，Smo聚集使Gli蛋白與Sufu分離，在Kif7的轉(zhuǎn)運作用下，使Gli-2和Gli-3遷移到纖毛的頂端，抑制Gli-2R和Gli-3R的形成，促進Gli-2A和Gli-3A激活。他們轉(zhuǎn)位到細胞核內(nèi)啟動Hh信號通路靶基因的轉(zhuǎn)錄[21]。

二、Hedgehog信號通路與腎間質(zhì)纖維化

信號傳導(dǎo)通路在胚胎發(fā)育過程中控制著細胞的增殖、遷移、分化，當腎臟受損時信號通路被激活，參與腎臟損傷的修復(fù)，而上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化是管狀上皮細胞和成纖維細胞/間質(zhì)細胞串擾影響腎臟生理和病理的重要機制。一般來說，雖然上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化短期內(nèi)對腎臟起保護作用，但在慢性進行性損傷中，也可能促進腎間質(zhì)纖維化和慢性腎臟病(CKD)的發(fā)展[22]。Hh信號通路導(dǎo)致腎間質(zhì)纖維化過程如下：當配體如Shh與膜受體Ptch1結(jié)合時，使得Smo釋放產(chǎn)生級聯(lián)反應(yīng)，最終將轉(zhuǎn)錄因子Gli轉(zhuǎn)移到細胞核內(nèi)，通過調(diào)節(jié)纖維化基因的表達如α-SMA，激活肌纖維母細胞，導(dǎo)致過量的細胞外基質(zhì)的沉積和成纖維細胞的聚集[23]。Fabian等[13]通過對 Ptch1-nLacZ、Gli1-nLacZ、Gli2-nLacZ、Shh-GFPCre基因敲入的小鼠進行單側(cè)輸尿管結(jié)扎及單側(cè)缺血再灌注，發(fā)現(xiàn)α平滑肌肌動蛋白(α-SMA)、I型膠原蛋白(Collagen1)、Ptch1、Gli-1 、Gli-2、Ihh表達均增加，證明了Hh信號通路在腎纖維化中被激活，并且Ihh是慢性腎損傷誘導(dǎo)的主要Hh配體。

SHh信號通路的失調(diào)和腎纖維化的發(fā)生有著內(nèi)在聯(lián)系，在Hh信號通路的3種配體中，Shh被認為與腎臟的發(fā)育和各種損傷后組織修復(fù)有關(guān)。有研究表明，單側(cè)輸尿管結(jié)扎術(shù)后的小鼠，其Shh在腎小管上皮細胞中表達上調(diào)，Gli-1的表達也上調(diào)，并通過Gli1-LacZ小鼠，驗證了Shh作用于間質(zhì)成纖維細胞，體外實驗中用重組Shh蛋白孵育正常大鼠腎間質(zhì)成纖維細胞(NRK-49F)，發(fā)現(xiàn)Gli-1、α-SMA、CollagenI表達上調(diào)，這些結(jié)果表明SHh信號直接促進腎間質(zhì)成纖維細胞的活化和基質(zhì)的生成。腎小管來源的Shh作為間質(zhì)成纖維細胞生長因子，控制纖維化相關(guān)基因的表達，這就導(dǎo)致了過多的細胞外基質(zhì)在腎間質(zhì)沉積[24-25]。但是Shh在腎臟疾病中表達有改變還存在著爭議。Zhou等[26]報道在缺血/再灌注、阿霉素和腎部分切除術(shù)誘導(dǎo)的慢性腎臟病的動物模型中，驗證了腎小管上皮細胞Shh表達有增加，并且在膜性腎病、IgA腎病、局灶節(jié)段性腎小球硬化的CKD患者腎活檢標本中，Shh蛋白主要表達于腎小管上皮細胞，腎小管腔內(nèi)的液體Shh呈陽性染色比較少見，提示Shh可由腎小管細胞分泌；除腎小管細胞外，部分腎小球足細胞Shh染色陽性。然而，腎間質(zhì)細胞Shh染色幾乎為陰性，表明小管來源的Shh選擇性靶向作用于間質(zhì)成纖維細胞，導(dǎo)致它們的增殖和活化，并且在CKD的發(fā)病機制中發(fā)揮作用。

越來越多的證據(jù)表明，很大比例的腎成纖維細胞可能起源于分化的腎小管上皮細胞即上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化[27]。上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化是腎小管上皮細胞對腎臟持續(xù)性損害一種調(diào)節(jié)性應(yīng)答。有多種信號通路參與，包括Wnt/β-catenin、Notch、TGF-β和Hh信號通路等均參與上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化，這些信號通路間可以相互作用促進腎間質(zhì)纖維化[28]。Hh信號通路和TGF-β1在參與腎小管上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化上或許存在著某種聯(lián)系。Lu等[23]在對單側(cè)輸尿管結(jié)扎和缺血再灌注誘導(dǎo)的腎纖維化小鼠模型的研究中比較了梗阻損傷后不同時間點Shh分泌量與TGF-β1水平的差異，分析顯示梗阻損傷后Shh水平隨時間升高，與TGF-β1水平呈正相關(guān)。采用基因芯片技術(shù)分析單側(cè)輸尿管結(jié)扎組與假手術(shù)組的基因表達差異，表明Hh信號通路和TGF-β1均參與了損傷誘導(dǎo)的腎小管上皮細胞轉(zhuǎn)分化和腎間質(zhì)纖維化，并且激活Hh信號通路可以誘導(dǎo)TGF-β1的表達，TGF-β1也可以通過誘導(dǎo)Smo和Gli-1表達來激活Hh信號通路。這些結(jié)果表明，Hh信號通路與TGF-β1之間存在著相互作用，可以形成一個正反饋環(huán)，并協(xié)同誘導(dǎo)腎小管上皮細胞轉(zhuǎn)分化，促進腎間質(zhì)纖維化的發(fā)生。激活的Hh信號通路通過誘導(dǎo)腎小管上皮細胞轉(zhuǎn)分化，參與腎間質(zhì)纖維化，抑制該通路可抑制腎小管上皮細胞轉(zhuǎn)分化和腎間質(zhì)纖維化的發(fā)生[22-23]。此外，SHh信號可以上調(diào)Wnt2b[29]和Wnt5a[30]表達，成纖維細胞或周細胞中的Shh/Gli激活也可能直接誘導(dǎo)這些細胞中Wnt的表達和釋放，Wnt分泌增加會反過來作用于腎小管細胞，刺激腎小管細胞分泌更多的Shh以激活成纖維細胞，造成促纖維化信號周而復(fù)始的惡性循環(huán)，阻斷這種循環(huán)可能是治療慢性病的有效途徑，有待進一步研究。Hh信號能夠增加癌細胞中的Wnt，但在腎臟成纖維細胞中這種作用尚待驗證[28]。

三、展望

Hedgehog信號通路有望成為腎間質(zhì)纖維化乃至其他臟器纖維化及相關(guān)疾病的新的治療靶點。調(diào)控Hedgehog信號轉(zhuǎn)導(dǎo)提供了治療纖維化疾病的思路，Hedgehog信號通路抑制劑可能對腎間質(zhì)纖維化起到一定的治療作用，從Gli 水平上抑制該通路能影響纖維化過程。有研究表明，直接抑制Gli蛋白可抑制細胞增殖和肌成纖維細胞分化，改善器官纖維化。但抑制Hedgehog-Gli上游信號傳導(dǎo)(例如通過抑制Smo)未能改善肺纖維化和腎纖維化，Gli拮抗劑61對Gli蛋白的抑制能改善兩個器官的纖維化[31]，不過這些抑制劑仍停留在動物實驗水平，還有許多問題有待解決，Hedgehog信號通路傳導(dǎo)詳細的機制和以及這些抑制劑對腎間質(zhì)纖維化的有效性仍需進一步的研究。