Wnt信號通路在慢性阻塞性肺疾病中的研究進展

張香紅 王薈薈 黃小燕 趙巖 余勤

2.730000 甘肅 蘭州，蘭州大學第一臨床醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科

慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease COPD)是一種以持續(xù)的呼吸道癥狀和進行性氣流受限為特征，可以治療和預防的慢性炎癥性疾病[1]。據統(tǒng)計COPD在全球的患病率約為10.1%[2],我國2018年大規(guī)模流行病學調查研究顯示COPD在40歲及以上人群中的患病率為13.7%[3]。其高患病率、高死亡率及高致殘率的特征給全球各國家造成了巨大的經濟損失和慢性病管理負擔，目前COPD已位居全球死亡原因的第3位，世界疾病經濟負擔的第5位[4]。COPD的發(fā)病機制目前尚未完全明確，主要認為與肺部炎癥、氧化應激、蛋白酶和抗蛋白酶失衡有關。現大量研究顯示Wnt信號通路相關調控因子參與了COPD的發(fā)生過程，盡早了解其在COPD中的調控機制可能為臨床COPD的防治提供新思路。本文就Wnt信號通路在COPD中的研究進展做一綜述。

Wnt信號通路概述

Wnt基因最早于1982年Nusse和Varmus在尋找小鼠乳腺腫瘤病毒優(yōu)先整合位點時發(fā)現并命名為Int1，后來發(fā)現該基因與果蠅的無翅(Wingless)基因同源，因此重新命名為Wnt[5]。由Wnt基因調控的信號傳導途徑稱為Wnt信號通路,廣泛參與各種生物的胚胎發(fā)育、組織分化及細胞繁殖、遷移、凋亡等，是近年來分子生物學、細胞生物學和腫瘤學研究的熱點之一。目前在哺乳動物中發(fā)現的Wnt蛋白有19種，其中在肺發(fā)育過程和成人肺中表達的有Wnt2、Wnt3A、Wnt4、Wnt5、Wnt7、Wnt10、Wnt11和Wnt13[6]。根據Wnt信號通路的激活是否依賴β-catenin分為經典Wnt信號通路(即Wnt/β-catenin通路)和非經典Wnt信號通路(包括Wnt/Ca2+通路、Wnt/PCP通路及調節(jié)紡錘體定向和不對稱細胞分裂的細胞內通路)[7]。

一、經典Wnt信號通路

Wnt/β-catenin信號通路由Wnt蛋白、卷曲蛋白(frizzled,FZD)受體家族、低密度脂蛋白受體相關蛋白5和6(low-density lipoprotein-relatedprotein, LRP5/6LRP 5/6)、散亂蛋白(disheveled, DVL)、β-catenin降解復合體(由糖原合成酶激酶3βglycogen synthase kinase-3βGSK 3β、軸突蛋白 Axin、大腸腺瘤樣息肉蛋白 adenomatous polyposis coli APC 和酪蛋白激酶-1 casein kinase CK-1組成)、β-catenin、T細胞因子/淋巴樣增強因子(T cell-specific transcription factor/lymphoid enhancer-bindingfactor, TCF/LEF)等共同參與調控。在Wnt信號處于關閉狀態(tài)時，細胞質中的β-catenin與β-catenin降解復合體結合發(fā)生磷酸化并被泛素-蛋白酶體降解，使細胞質中β-catenin維持較低水平，而阻止其轉移入細胞核發(fā)揮作用。當Wnt信號通路激活時，胞外的Wnt蛋白與FZD受體家族和Lrp5/6共受體在質膜上結合，使細胞內DVL被活化并向質膜遷移，活化的DVL與Axin結合破壞了β-catenin降解復合體，使β-catenin在細胞質中積聚，積聚的β-catenin易位進入細胞核與TCF/LEF結合，促進下游相關靶基因的轉錄。

二、非經典Wnt信號通路

非經典Wnt通路是Wnt蛋白(主要為Wnt5A、Wnt5B和Wnt11)與細胞表面FZD受體和酪氨酸激酶樣孤獨受體2(ROR2)/受體相關酪氨酸酶(RYK)共受體傳遞給DVL依賴型效應分子和Ca2+依賴型信號級聯而參與細胞內信號轉導。其中Wnt/PCP通路主要通過激活DVL依賴效應分子RHOA和RAC1，RAC可進一步激活c-Jun氨基末端激酶而發(fā)揮作用, Wnt/PCP通路在調節(jié)細胞運動、定向和極性中發(fā)揮著關鍵作用。Wnt/Ca2+通路通過異源三聚體G蛋白激活磷脂酶C，生成二酰甘油和1，4，5-三磷酸肌醇使細胞內Ca2+濃度增加，胞漿內升高的Ca2+進一步激活蛋白激酶C、鈣調蛋白依賴性激酶Ⅱ和磷酸酶鈣調神經磷酸酶調節(jié)下游信號，在該通路中Nemo樣激酶通過磷酸化Tcf/Lef轉錄因子而抑制經典WNT信號通路[8]。

Wnt信號通路在COPD中的作用

一、Wnt信號通路與慢性氣道炎癥

慢性氣道炎癥是COPD的重要特征，主要以外周氣道中炎癥細胞的浸潤以及促炎介質的釋放增加為特點，可引起氣道結構變化進而導致不可逆的進行性氣流受限和肺功能下降[9]。香煙煙霧(Cigarette smoke CS)和有害顆粒的吸入與COPD的慢性氣道炎癥有關。早期Heijink等[10]研究發(fā)現在COPD患者的上皮細胞中Wnt-4蛋白和mRNA的表達明顯高于正常人，后來給予外源性Wnt-4處理人支氣管上皮細胞(Human bronchial epithelial cells HBECs)增加了其IL-8、IL-6、CCL2、CCL5的分泌和磷酸化的p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 mitogen-activated protein kinasep38MAPK)的活性，提示Wnt-4參與了COPD的氣道炎癥。后來Durham等[11]的研究也證實了Wnt-4在COPD的上皮細胞和基質細胞中表達明顯上調，且Wnt4的增加通過p38MAPK途徑參與氣道上皮IL8的表達和CXCL8的分泌，并推測出氧化應激是COPD中Wnt4表達的主要驅動因素。Hyung等[12]發(fā)現香煙煙霧提取物(Cigarette smoke extract CSE)通過誘導ROS和內質網應激而上調CCN1的表達，進而激活Wnt通路中的Lrp6受體和Dvl 2觸發(fā)β-catenin從細胞膜轉移到胞漿和細胞核，使肺上皮細胞釋放IL-8。CCN1是一種富含半胱氨酸的分泌蛋白，在多種細胞中均有表達[13]。Guo[14]等進一步研究發(fā)現β-catenin mRNA、FZD 4mRNA和GSK 3βmRNA在吸煙的COPD肺組織中表達明顯低于對照組(P<0.05)， CSE的暴露降低了Wnt3A、FZD 1、FZD 4、β-catenin，TCF4， MMP-2，MMP-9在HBECs的表達，而p38MAPK水平明顯升高，表明吸煙是COPD患者氣道上皮中Wnt/β-catenin信號活性降低的關鍵因素之一。后來使用β-catenin激活劑SB216763明顯減輕了CS誘導的HBECs支氣管周圍炎癥細胞的浸潤并降低白細胞及巨噬細胞計數和炎性因子TNFα、IL-1的分泌，同時p38MAPK水平降低。過氧化物酶體增殖物激活受體δ(Peroxisome proliferator-activated receptor δPPARδ)是Wnt/β-catenin的下游靶點，受β-catenin/TCF信號的調節(jié)，它的表達可抑制p38MAPK活性及TNF-α和IL-1的分泌[15]。他們的研究表明CS誘導的氣道炎癥與Wnt/β-catenin信號的降低有關，而激活Wnt/β-catenin信號通路可能通過PPARδ/ p38MAPK在CS誘導的氣道炎癥中起保護作用。分泌型卷曲相關蛋白(ecreted frizzled related proteins,SFRPs)是 Wnt信號通路抑制劑，Zhou等人最新研究顯示SFRP2在COPD患者血清和CSE暴露的HBECs細胞中明顯升高，基因敲除SFRP2后可抑制CSE暴露的HBECs中炎性因子IL-6和TNF-α的升高并下調Th17/Treg細胞的比例[16]。Cui等在實驗中用Wnt/β-catenin通路激活劑LiCl干預CSE暴露的57BL/6J小鼠后支氣管肺泡灌洗液和組織勻漿中IL-6水平較前下降[17]，提示激活Wnt/β-catenin通路在抑制肺部炎癥反應中也具有重要作用。除此之外，非經典Wnt信號通路也參與了氣道炎癥的發(fā)生。Van Dijk等[18]報道與對照組相比，Wnt-5B可通過FZD 2信號轉導途徑誘導COPD患者炎癥細胞因子IL-6和CXCL 8的表達，并通過TAK1及下游MAPK和NF-KB信號通路發(fā)揮作用。Wang等[19]發(fā)現Wnt5A在CSE和PM2.5環(huán)境中暴露的小鼠和HBECs 均明顯上調，給予Wnt5A拮抗劑后HBECs分泌的IL-6和IL-8明顯下降，同時還證實Wnt5a通過ERK途徑促進和加重CSE誘導的氣道炎癥，提示Wnt5a可能成為COPD環(huán)境下治療氣道炎癥的潛在靶點。另外也有報道顯示FZD8在慢性支氣管炎中有促炎作用[20]。綜上所述Wnt信號通路以不同方式參與了COPD中的慢性氣道炎癥的發(fā)生發(fā)展，但仍需要進一步研究以確定和經典和非經典Wnt信號通路如何調節(jié)COPD中炎癥反應的發(fā)生。

二、Wnt信號通路與氣道重塑

氣道重塑是COPD的重要生理病理特征，可發(fā)生在COPD的早期并導致小氣道狹窄和肺功能進行性的下降，因此盡早對氣道重塑進行干預對改善 COPD 的預后有重要的臨床意義[21]。氣道重塑主要涉及上皮細胞化生、杯狀細胞肥大、氣道壁平滑肌增生和細胞外基質(Extracellular matrix ECM)沉積等氣道細胞及結構的變化。肺成纖維細胞通過調節(jié)ECM轉換在氣道重塑中起著重要作用。研究發(fā)現[22]在COPD患者的肺成纖維細胞中β-catenin信號通路的激活促進了TGF-β誘導肺成纖維細胞分化為成肌纖維細胞的能力和α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)、纖維連接蛋白和Ⅰ型膠原蛋白α的表達，用siRNA沉默成纖維細胞中β-catenin蛋白的表達使TGF-β誘導的α-SMA、纖維連接蛋白和Ⅰ型膠原蛋白α的表達下調，這表明WNT/β-catenin途徑通過調節(jié)TGF-β參與了成纖維細胞ECM的合成。此外，上皮間質轉化(endothelial to mesenchymal transitionEMT)也被認為是COPD氣道重塑的重要過程。支氣管上皮細胞的體外研究表明CS的主要成分尼古丁以Wnt3A/β-catenin依賴的方式誘導了EMT的發(fā)生[23]。RYK是WNT蛋白的輔助受體，屬于非典型受體酪氨酸激酶家族,可調節(jié)經典和非經典的WNT信號傳導途徑。Kim等[24]研究發(fā)現在杯狀細胞化生的COPD患者中，RYK在氣道上皮的表達明顯降低(P<0.05)，通過體內和體外研究均發(fā)現RYK的缺乏增加了杯狀細胞增生相關的基因表達，可引起杯狀細胞化生和粘液分泌過多，提示激活Wnt/ RYK可能對COPD肺中的杯狀細胞化生具有保護作用。目前關于Wnt信號通路在COPD氣道平滑肌細胞(Airway smooth muscle cells ASMC)的研究較少，但在支氣管哮喘中的研究表明Wnt通路參與了ASMC的發(fā)育、增殖和分化。Nunes等[25]發(fā)現β-catenin 參與ASMC 有絲分裂的過程，使用外源性生長因子可誘導體外ASMC 增殖,同時細胞核內β-catenin 的數量也增加。Gosens 等[26]進一步證實在ASMC 的增殖過程伴有β-catenin 蛋白及 mRNA表達的增高，經使用GSK-3 抑制劑后，細胞內β-catenin mRNA 的含量下降而β-catenin 蛋白含量正常,提示β-catenin通過從頭合成參與ASMC 的增殖。另外Wnt5a和Wnt7b可通過調節(jié)ASMC 膠原和纖連蛋白的表達、促進平滑肌前體細胞的發(fā)育參與氣道重塑[26-27]。目前關于Wnt信號通路在COPD氣道重塑中的研究尚少，未來仍需更多研究證實Wnt信號通路在COPD氣道重塑中的具體作用及表現特點，為臨床治療氣道重塑提供新的思路和靶點。

三、Wnt信號通路與肺氣腫

肺泡空隙增大和肺實質組織破壞是肺氣腫的主要病理生理特征，其與蛋白酶-抗蛋白酶失衡和肺泡上皮細胞損傷后修復異常有關。因此尋找可誘導肺泡上皮細胞損傷后修復和再生的通路是目前治療肺氣腫的潛在靶點。Wnt/β-catenin信號通路在肺發(fā)育過程中至關重要。據報道缺乏Wnt2A/2B可導致小鼠肺發(fā)育不全，敲除小鼠中WNT5a的表達可使肺遠端氣道過度擴張及間質增加[28]。另外β-catenin的持續(xù)激活可引起Ⅱ型肺泡細胞(Type Ⅱ alveolar epithelial cells，AECII)在氣道內異位分化、杯狀細胞增生和氣道腔隙擴大[29]。其他研究陸續(xù)發(fā)現肺惡性腫瘤及肺間質纖維化等增生性疾病與Wnt/β-catenin信號通路的過度激活相關，提示Wnt/β-catenin通路可能通過促進肺泡上皮細胞的增殖與再生，而改善肺泡上皮細胞損傷后修復和再生的能力。肺泡上皮主要由Ⅰ型肺泡上皮細胞(Type Ⅰ Alveolar epithelial cells AECI)和AECII組成，其中AECII可分化為AECI。AECII在維持肺內穩(wěn)態(tài)、重塑和肺損傷修復中起著重要作用[30]。

Kneidinger[31]等人研究發(fā)現在CS和彈性蛋白酶誘導的肺氣腫模型及COPD患者中Wnt/β-catenin信號通路相關因子表達下降，使用LiCl激活Wnt /β-catenin可明顯減弱CS和彈性蛋白酶誘導的肺氣腫程度及肺功能的損傷。Uhl等[32]在小鼠和COPD患者來源的三維體外肺組織培養(yǎng)模型中，進一步證實激活的Wnt/β-catenin信號可誘導肺泡上皮細胞標志物表達增加，MMP12表達減少以及巨噬細胞活性和彈性蛋白重塑改變。Skronska-Wasek等[33]進一步發(fā)現CS通過抑制FZD4在實驗性肺氣腫和COPD患者中的表達而抑制Wnt/β-catenin信號活性，進而降低肺泡上皮細胞的創(chuàng)傷修復能力，同時在全肺勻漿中彈性成分的表達減少，且FZD4活性的喪失影響了ATII向ATI細胞的分化，且ATII細胞中細胞器數量明顯減少，提示FZD4也可能是COPD中肺泡上皮細胞損傷修復中的潛在調節(jié)因子。另有研究證實非經典的Wnt通路也參與了肺氣腫的發(fā)生過程。Baarsma等[34]研究發(fā)現Wnt5A在COPD患者的原代肺成纖維細胞中表達增加，過表達的Wnt -5A加劇了彈性蛋白酶所致肺氣腫的嚴重程度。同時他們分析后發(fā)現Wnt -5A可觸發(fā)非經典WNT途徑，并通過降低Lrp6的活性對Wnt/β-catenin的信號通路發(fā)揮負性調控作用，進而阻礙了肺上皮細胞的創(chuàng)傷修復和再生能力。采用Wnt-5A中和抗體或Wnt-5A拮抗劑BOX5處理后使經典WNT信號和肺泡細胞功能增強、肺組織的破壞減弱、β-catenin驅動的靶基因和肺泡上皮細胞標記物的表達恢復。后來研究還證實了Wnt-5A /5B可通過抑制Wnt/β-catenin信號而阻礙肺泡上皮祖細胞的生長和分化[35]。綜上所致肺組織中經典和非經典的WNT信號轉換，有助于肺氣腫的發(fā)生和進展，其中Wnt/β-catenin及Wnt-5A/5B和FZD4可能是治療肺氣腫的潛在靶點。

四、Wnt信號通路與COPD易感因素

遺傳因素在COPD的發(fā)病中起著重要作用。近年來在全基因組關聯研究中發(fā)現家族序列相似性13A (FAM13A) 基因是COPD 的易感基因[36]。Jiang等在實驗中發(fā)現FAM13A缺陷的小鼠對CS和彈性蛋白酶誘導的肺氣腫產生保護作用，隨后在HBECs中發(fā)現FAM13A通過調節(jié)PP2A /β-catenin/GSK-3β復合物中PP2A的磷酸酶活性使GSK-3β激活，進而促進β-catenin 降解，影響氣道及上皮細胞損傷后修復及再生的能力而增加對肺氣腫的易感性[37]，提示干預FAM13A /β-catenin可能是COPD發(fā)生和進展中的潛在修復途徑。

小結與展望

綜上所述，WNT信號通路與COPD的慢性氣道炎癥、氣道重塑及肺氣腫的發(fā)生發(fā)展密切相關，其中非經典的Wnt信號通路主要與氣道炎癥及氣道重塑的發(fā)生有關，而經典的WNT信號通路則在肺氣腫及氣道炎癥中具有保護作用。但WNT信號通路復雜多變，涉及多種配體、受體及下游轉錄分子，使其在COPD中的作用機制仍未完全明確，未來需要更多研究來闡明COPD中Wnt信號通路的具體調控機制和特異性分子標志物，為治療COPD提供更系統(tǒng)的理論基礎及更安全的治療靶點。另外需特別注意Wnt信號通路在全身多系統(tǒng)惡性腫瘤的發(fā)生中扮演著重要角色，使得探索Wnt信號通路特異性激活劑或抑制劑成為治療COPD的靶點仍面臨著巨大的困難與挑戰(zhàn)。