SHH信號通路在海馬神經(jīng)可塑性及相關神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用

謝露露， 姚寶珍

武漢大學人民醫(yī)院兒科，武漢430000

音猬因子（sonic hedgehog，SHH）是一種分泌蛋白質(zhì)，在動物海馬的發(fā)育中起重要作用，且SHH 信號轉(zhuǎn)導對于海馬中神經(jīng)元的模式形成、軸突引導、增殖、存活和分化至關重要。SHH 的異常信號通路會導致多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生，如自閉癥［1］、抑郁癥［2］、神經(jīng)退行性疾?。?］等。因此，控制SHH信號通路轉(zhuǎn)導，如運用SHH通路抑制劑或激動劑可能有助于相關疾病的治療，但SHH 信號轉(zhuǎn)導的機制較復雜，目前尚未完全明確。本文綜述了SHH 信號通路的海馬神經(jīng)可塑性及其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和相關疾病中的影響，以期闡明SHH 信號轉(zhuǎn)導受損導致中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損和相關疾病的發(fā)病機制。

1 海馬的可塑性和脆弱性

海馬屬于大腦邊緣系統(tǒng)的一部分，主要負責長時記憶的存儲轉(zhuǎn)換和定向等功能。多個感覺關聯(lián)皮層傳遞的輸入信息匯聚于海馬回路的神經(jīng)元上，從而增強和激活突觸。海馬的神經(jīng)回路對環(huán)境變化會表現(xiàn)出明顯的適應性結(jié)構(gòu)和功能反應，如出現(xiàn)新的突觸形式，修剪現(xiàn)有突觸，或從海馬齒狀回亞顆粒區(qū)域的神經(jīng)祖細胞（neural progenitor cell，NPC）中產(chǎn)生新的神經(jīng)元［4］。當大鼠或小鼠執(zhí)行認知任務時（如迷宮學習），海馬錐體和齒狀顆粒神經(jīng)元的突觸數(shù)量會增加［5］。

海馬神經(jīng)元特別是CA1 和CA3 錐體神經(jīng)元，在阿爾茨海默氏?。ˋlzheimer's disease，AD）、抑郁癥和顳葉癲癇這3種主要的神經(jīng)系統(tǒng)疾病中易出現(xiàn)功能障礙和萎縮，其變性涉及谷氨酸受體的過度活化，生物能/線粒體缺陷，以及受損的細胞應激抗性和修復機制［6］。研究表明，在發(fā)育過程中激活促進神經(jīng)元可塑性和細胞存活的信號通路可保護海馬免受損傷，避免疾?。?-8］。在發(fā)育過程中，許多調(diào)節(jié)海馬神經(jīng)元回路形成的細胞信號通路也介導了成年海馬的結(jié)構(gòu)和功能可塑性，包括由神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子激活的通路［9］。SHH 在海馬神經(jīng)可塑性和脆弱性中具有重要作用，且在胚胎發(fā)育過程中可控制早期細胞模式和軸突生長［10-11］。

2 海馬中SHH信號轉(zhuǎn)導

SHH 是一種46 kD 的功能形態(tài)發(fā)生素，當SHH 肽合成和釋放后，其在成人神經(jīng)組織、大腦中樞系統(tǒng)的生理及病理中發(fā)揮重要作用。SHH與其跨膜受體補綴同源物（protein patched homolog，PTCH）結(jié)合后，使得細胞跨膜蛋白平滑蛋白（smoothened protein，SMO）游離并被激活，SMO 下游神經(jīng)膠質(zhì)瘤致病基因（glioma-associated oncogene homolog，Gli1）水平升高并從核外轉(zhuǎn)移到核內(nèi)，成為轉(zhuǎn)錄激活因子并與DNA 結(jié)合誘導目標基因的轉(zhuǎn)錄。

在通路激活過程中，SHH 作為配體與受體PTCH1、PTCH2 結(jié)合并激活它們，可減輕對SMO的抑制，最終導致鋅指家族轉(zhuǎn)錄因子Gli 的激活［12］。果 蠅 的Gli 轉(zhuǎn) 錄 因 子 有3 個 同 源 物，即Gli1、Gli2 和Gli3。Gli2 和Gli3 是具有C 端激活域和N 端抑制域的雙功能轉(zhuǎn)錄因子，可以作為激活子或阻遏物發(fā)揮作用，而Gli1缺乏N端抑制域，僅作為轉(zhuǎn)錄激活子發(fā)揮作用［12］。進入細胞核后，Gli轉(zhuǎn)錄因子的激活可促進各種靶基因的轉(zhuǎn)錄，包括參與SHH通路反饋的基因GLI1和PTCH1，促增殖基因Cyclin-D1和MYC，細胞周期調(diào)節(jié)劑CCND2和CCNE1，凋亡調(diào)節(jié)器bcl2以及參與血管生成ANG1/2，上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化SNAIL和干細胞自我更新NANOG和SOX2［13-14］。該途徑的最終結(jié)果取決于GLI蛋白的激活劑和阻遏物形式之間的平衡。

目前對從SMO到GLI蛋白的信號轉(zhuǎn)導級聯(lián)的確切分子機制尚未完全闡明，但研究表明，哺乳動物SHH 信號轉(zhuǎn)導激活需要初級纖毛的參與，SMO和其他下游通路組件必須通過易位來完成Gli 轉(zhuǎn)錄［15］。在哺乳動物中，PTCH1 和PTCH2 存在于初級纖毛和周圍部位，在與配體結(jié)合時，這些受體消散并被SMO 取代［16］。SMO 被蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）和酪蛋白激酶1 磷酸化并轉(zhuǎn)移至纖毛［17］。作為SHH 信號轉(zhuǎn)導激活步驟之一，SMO定位于初級纖毛是必需的，此外作為響應，與抑制融合蛋白（suppressor of fused，SuFu）復合的GLI轉(zhuǎn)錄因子被轉(zhuǎn)運至初級纖毛的尖端［18］；然后，Gli-Su-Fu 復合物解離，激活Gli，并轉(zhuǎn)入細胞核，在細胞核內(nèi)誘導靶基因的轉(zhuǎn)錄。驅(qū)動蛋白超家族7（kinesin superfamily7，Kif7）協(xié)調(diào)纖毛尖端的SHH 信號轉(zhuǎn)導，并防止Gli3 在SHH 刺激下裂解為阻遏物形式［19］。

在無配體結(jié)合的情況下，細胞質(zhì)中的細胞內(nèi)囊泡中存在的SMO 及其向初級纖毛的易位被PTCH 受體抑制。在這些條件下，Kif7主要定位于初級纖毛的基體，其是一種富含蛋白酶體的結(jié)構(gòu)。Gli2 和Gli3 被蛋白激酶A、糖原合酶激酶和Kif7 磷酸化后，可通過蛋白水解過程轉(zhuǎn)化為阻遏物形式，從而阻止轉(zhuǎn)錄［20］。SuFu 是該途徑的強負調(diào)節(jié)劑，其直接與Gli 蛋白結(jié)合，防止它們易位到細胞核中［21］。SuFu 也可以進入細胞核，并與DNA中的Gli 結(jié)合序列結(jié)合并抑制基因轉(zhuǎn)錄［22］。音猬因子相互作用蛋白（sonic hedgehog interacting protein，HHIP）是另一個重要的跨膜蛋白，其功能是減弱SHH 信號，可與SHH 配體結(jié)合，并通過內(nèi)吞作用促進HHIP 的吸收，從而使溶酶體降解［23］。SHH信號通路關閉和開放狀態(tài)如圖1所示。

圖1 SHH信號通路圖Fig.1 SHH signaling pathway diagram

3 SHH在海馬中的功能

SHH 可介導海馬的結(jié)構(gòu)和功能可塑性，包括神經(jīng)發(fā)生、軸突伸長和突觸可塑性。

3.1 SHH可影響海馬神經(jīng)發(fā)生

SHH 信號在很大程度會影響胚胎發(fā)育過程中部分神經(jīng)的發(fā)生。胚胎發(fā)育后期在腹側(cè)海馬中產(chǎn)生的NPCs會在出生后遷移至背側(cè)海馬，這一過程可能受到SHH 的調(diào)節(jié)，而SHH 是由海馬內(nèi)神經(jīng)元的不同亞群和投射到齒狀回的內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層神經(jīng)元產(chǎn)生的［24］。在胚胎發(fā)育末期大腦中選擇性敲除SHH 可導致NPC 增殖減少、神經(jīng)發(fā)生減少及新皮層中神經(jīng)元的異常定位［25］。當從NPC 中敲除轉(zhuǎn)錄因子性別決定區(qū)Y 框2（sex determining region Y-box 2，SOX2）時，大腦在出生時可能未顯示異常，但后期可能表現(xiàn)出干細胞丟失和嚴重的發(fā)育不全［26］。研究表明，用SHH 途徑激動劑（SHH pathway agonists，SAG）治療可部分挽救SOX2 缺陷小鼠的海馬發(fā)育不全，證明SOX2 下游的SHH在海馬發(fā)育中起關鍵作用，且SHH基因是SOX2的靶標［27］。

研究表明，SHH 信號轉(zhuǎn)導也能夠調(diào)節(jié)成年海馬NPC 的增殖和分化，海馬NPC 可表達PTCH，當從海馬中分離出NPC 并將其保留于細胞培養(yǎng)物中時，SHH 會刺激其增殖［28］。此外，腺相關病毒介導的SHH 在海馬中的過表達刺激了體內(nèi)NPC的增殖，而環(huán)巴胺抑制了它們的增殖。成年海馬在齒狀回的亞顆粒區(qū)域內(nèi)存在NPC，這些NPC 可以整合到齒狀回中的神經(jīng)元，并從其他海馬神經(jīng)元以及內(nèi)嗅皮層、中隔和丘腦的神經(jīng)元中接收突觸輸入［29］。海馬神經(jīng)發(fā)生在空間模式分離中具有重要作用，這種模式的學習和記憶對于產(chǎn)生認知圖（人經(jīng)歷的神經(jīng)元網(wǎng)絡編碼模式，包括圖像和聲音序列）至關重要［30］。成年小鼠基礎海馬神經(jīng)發(fā)生需要SHH 信號轉(zhuǎn)導，因為表達巢蛋白NPC 中SHH的條件性缺失會導致神經(jīng)發(fā)生減少［31］。

3.2 SHH可刺激軸突伸長

研究表明SHH 可以直接作用于軸突來調(diào)節(jié)其生長［32-33］，但最近有研究表明，胚胎大鼠海馬神經(jīng)元軸突的生長不受SHH 的影響，而是樹突中SHH 信號的激活刺激了海馬神經(jīng)元軸突的伸長［34］。PTCH 和SMO 存在于海馬神經(jīng)元的樹突狀區(qū)室中，其中SMO 的局部激活可誘導軸突前纖維蛋白的表達，而前纖維蛋白的突變可消除SHH 對軸突生長的促進作用［34］。此外，與NPC 中的SHH信號不同，即使在缺乏初級纖毛的胚胎海馬神經(jīng)元中，SHH 的軸突伸長促進作用也可能發(fā)生。以上研究表明，樹突中SHH 信號的激活可增強軸突在同一神經(jīng)元上的生長，從而加快其與靶神經(jīng)元樹突的相互作用和突觸連通性。

3.3 SHH可調(diào)節(jié)突觸可塑性

免疫電子顯微鏡顯示，PTCH 和SMO 聚集于未成熟的胚胎海馬神經(jīng)元的樹突狀生長錐中以及成年海馬的樹突和樹突棘中，SHH 信號在突觸可塑性調(diào)節(jié)中具有潛在作用［35］。據(jù)報道，SHH 會增加海馬神經(jīng)元突觸前末端的大小，這與微型興奮性突觸后突觸電流頻率的增加有關［36］。但目前尚未明確調(diào)節(jié)海馬軸突生長和突觸可塑性的SHH的來源。然而，研究表明，SHH 存在于突觸前和突觸后末端，可能與突觸囊泡和小體有關［37］。要充分了解SHH 的具體位置、何時以及如何影響突觸可塑性和相關功能（學習、記憶等），還需要進一步深入研究。

4 SHH 信號轉(zhuǎn)導異常可引起多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病

SHH 信號轉(zhuǎn)導的遺傳缺陷會在動物和人的神經(jīng)系統(tǒng)中引起嚴重的發(fā)育異常。SHH 信號的改變也可能導致其他神經(jīng)發(fā)育障礙。

4.1 SHH信號轉(zhuǎn)導異常與唐氏綜合癥密切相關

唐氏綜合癥（Down's syndrome，DS）是由21號染色體重疊造成的發(fā)育畸形。DS 患者表現(xiàn)出認知能力和運動協(xié)調(diào)能力發(fā)育受損，并且還可發(fā)展為阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）神經(jīng)病理特征，包括海馬中的淀粉樣斑塊和神經(jīng)原纖維纏結(jié)［38］。在DS小鼠模型中，SHH信號在神經(jīng)細胞中減少，PTCH 表達增加［39-40］。SAG 治療DS 小鼠模型中Ts65Dn新生小鼠可改善小腦發(fā)育缺陷，有效恢復顆粒細胞前體庫。在DS 模型Ts65Dn 小鼠中海馬神經(jīng)發(fā)生受到損害，當采用γ-分泌酶抑制劑治療小鼠后，神經(jīng)發(fā)生恢復正常［41］。SHH 信號是恢復神經(jīng)發(fā)生所必需的，原因為采用環(huán)巴胺治療小鼠時，γ-分泌酶的抑制作用不能恢復神經(jīng)發(fā)生。SAG 對新生Ts65Dn 小鼠的治療還可以挽救包括認知缺陷在內(nèi)的海馬表型［42］，證明大腦區(qū)域/神經(jīng)回路中的SHH 信號與DS 密切相關［43］。但Ts65Dn 小鼠出生后SAG 治療并不能緩解小腦內(nèi)關于運動、學習、任務（相逆適應和前庭眼反射的鞏固）的缺陷。有研究將Ts65Dn 小鼠與PTCH 表達降低（增加SHH 信號轉(zhuǎn)導）的小鼠雜交，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DS小鼠中的部分大腦結(jié)構(gòu)和行為表型趨于正?；?4］。

4.2 SHH信號轉(zhuǎn)導異?？赡芘c自閉癥的發(fā)生有關

雖然異常的SHH 信號可能會導致DS 神經(jīng)表型，但尚不清楚SHH 信號是否參與其他常見發(fā)育性神經(jīng)疾病的發(fā)生。SHH 信號受損可能導致自閉癥的發(fā)生，原因為膽固醇生物（7-脫氫膽固醇還原酶）合成的突變會導致常染色體隱性遺傳疾病，即史密斯-萊姆利-奧提茲綜合癥，該病具有自閉癥特征。有研究表明，膽固醇水平降低會削弱該疾病的SHH信號轉(zhuǎn)導［45］；此外，由編碼PTCH 同源物的基因缺失引起的X連鎖遺傳性神經(jīng)發(fā)育障礙的特征為智力低下和自閉癥樣行為［46］。NPCs 的纖毛中發(fā)現(xiàn)了高水平的磷酸磷脂酰肌醇4-磷酸酯（phosphatidylinositol 4-phosphate ester，PI4P），而肌醇多磷酸5-磷酸酶E 的失活使纖毛中的PI4P耗盡，減少了SHH 信號轉(zhuǎn)導并損害了海馬神經(jīng)的發(fā)生［47］。

4.3 SHH信號轉(zhuǎn)導異?？赡軐е履X缺血

SHH 可能在成人腦損傷反應和與年齡有關的神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮作用。在局灶性缺血性中風大鼠模型中，鞘內(nèi)注射SHH 或在腦梗死區(qū)上方的腦表面局部應用SHH 可以改善功能結(jié)局，減少神經(jīng)元變性并增加神經(jīng)發(fā)生［48］。同時，實驗性局灶性腦缺血后短時間即用SMO 激動劑嘌嗎啡胺治療小鼠，可改善功能結(jié)局，并減輕中風模型的腦損傷和神經(jīng)炎癥［49］；相反，環(huán)巴胺治療會損害小鼠局部缺血性中風后間充質(zhì)干細胞（mesenchymal stem cell，MSC），影響神經(jīng)突生長、突觸形成以及髓鞘再生和功能恢復的能力［50］。研究表明，MSC 促進神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞中SHH 和組織纖溶酶原激活物生成，進而促進神經(jīng)突向外生長、突觸形成和髓鞘形成。在腦缺血性中風的動物模型中，海馬NPC 增殖增加，且SHH 信號在這種對神經(jīng)元損傷的適應性反應中起關鍵作用［51］。SHH可能在黑素皮質(zhì)素對缺血的神經(jīng)源性反應的下游起作用，原因為選擇性地阻斷SHH 信號轉(zhuǎn)導可以阻止黑素皮質(zhì)素4 受體激動劑誘導的神經(jīng)發(fā)生［52］。星形膠質(zhì)細胞可能是對腦損傷產(chǎn)生SHH的主要來源。有研究表明，響應實驗性興奮毒性癲癇發(fā)作，小鼠海馬中反應性星形膠質(zhì)細胞中SHH 表達上調(diào)，并且星形膠質(zhì)細胞產(chǎn)生的SHH 可能刺激星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞的增殖［53］。除對NPC 和神經(jīng)元的潛在直接影響外，SHH 信號還可以刺激腦血管生成［54］，這可能有助于改善中風和慢性神經(jīng)退行性疾?。ㄈ鏏D）。

4.4 SHH信號紊亂可能參與AD的發(fā)病機制

AD 的發(fā)生與海馬突觸和神經(jīng)元退化相關，SHH 信號紊亂可能參與AD 的發(fā)病機制。研究表明，AD 患者的腦組織樣本中PTCH 的水平明顯降低［55］。淀粉樣蛋白β 肽（amyloid β peptide，Aβ）的自聚集是AD 患者海馬的突出特征，對AD 的試驗細胞培養(yǎng)和動物模型進行研究表明，Aβ會損害海馬神經(jīng)發(fā)生和突觸可塑性，并可能引發(fā)興奮性中毒神經(jīng)元鈣超載［56］。在AD 試驗模型中，SHH 或SHH 激動劑是否能保護腦細胞尚不清楚，但有研究認為，SHH 可以通過誘導BDNF 的產(chǎn)生保護海馬神經(jīng)元免受Aβ 毒性的影響［57］，且在AD 試驗模型中已證明BDNF 具有神經(jīng)保護作用［58］。SHH 可能增強變性中神經(jīng)元抵抗力的另一種機制是增強自噬。自噬受損與AD 中細胞毒性蛋白Aβ 的積累和線粒體功能障礙有關［59］，通過增強線粒體生物能、增強自噬作用可以減輕AD 模型小鼠的AD樣Aβ 病理變化［60］。SHH 信號轉(zhuǎn)導可以刺激神經(jīng)元的自噬［61］，但尚不清楚SHH 信號轉(zhuǎn)導是否可以保護神經(jīng)元免受AD 或神經(jīng)退行性疾病的功能障礙和變性。未來可采用藥理或分子遺傳技術對AD 動物模型的SHH 信號操縱進行分析，以增加對疾病的了解，并開發(fā)預防和治療的新方法。

4.5 SHH信號轉(zhuǎn)導異?？赡軐е乱钟舭Y發(fā)生

抑郁是一種常見的精神疾病，發(fā)病率和死亡率均較高。動物模型研究表明，抑郁癥的認知缺陷是由BDNF 信號缺陷、突觸喪失和神經(jīng)發(fā)生受損引起的，而SHH 可能具有抗抑郁作用［62］。電痙攣性休克（electroconvulsive shock，ECS）治療通常在重度抑郁癥患者中較有效。ECS誘導大鼠海馬NPC 增殖，而用環(huán)巴胺阻斷SHH 信號可完全阻止ECS 誘導的NPC 增殖［63］。目前，尚不明確在抑郁癥中SHH 信號轉(zhuǎn)導是否受損，或者SHH 激動劑（如SAG）是否表現(xiàn)出抗抑郁作用。SHH 誘導BDNF 表達為抑郁模型中的SHH 信號調(diào)節(jié)劑的臨床前研究提供了理論依據(jù)。

5 展望

近年來，研究發(fā)現(xiàn)，SHH 信號可以通過調(diào)節(jié)軸突的生長、突觸發(fā)生和突觸可塑性，進而在整個生命過程中調(diào)節(jié)海馬神經(jīng)元回路的形成及適應性和可塑性。目前，SHH 信號是否以及如何通過運動、飲食能量限制和從事智力挑戰(zhàn)性活動來增強海馬神經(jīng)可塑性的機制尚需更深入的研究［64］。由于異常的SHH 信號轉(zhuǎn)導可能導致發(fā)育缺陷，并且也可能導致一系列成人發(fā)作性神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)?。?1，47，54，61，63］，因此，可開發(fā)針對SHH 途徑的干預措施。臨床前研究結(jié)果表明，在與唐氏綜合癥和AD 相關的小鼠模型中，SHH 激動劑SAG 可以逆轉(zhuǎn)海馬突觸可塑性和空間學習與記憶的缺陷［42］。在AD、抑郁、癲癇、腦缺血等海馬疾病的動物模型中，進一步研究SHH 信號轉(zhuǎn)導干預潛在治療效果可能為將來在相關疾病患者中進行SHH 修飾干預的臨床試驗提供理論依據(jù)。