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1、初级纤毛与Hedgehog信号通路相关性研究CHINESEJOURNAL0FANATOMYV0I.34No.42011解剖学杂志2011年第34卷第4期TakehashiM,Kanatsu-ShinoharaM,InoueK,eta1.AdenovirusmediatedgenedeliveryintomousespermatogonialstemcellsEJ.ProcNatlAcadSciUSA,2007,104(8):25962601.HuaJ,SidhuKS.Recentadvancesinthederivationofgermceilsfromtheembryonicstemcell
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3、(2):238249.4O李巍,窦忠英,华进联,等.Stra8基因的激活与精原干细胞的特异性分化研究EJ.生物工程,2007,23(4):639644.41刘文强,曹晖,殷吉庆,等.小鼠生殖细胞特异基因Oct4启动子片段克隆及报告载体构建J.农业生物技术,2010,18(1):6165.42SilvaC,WoodJR,SalvadorL,eta1.Expressionprofileofmalegermcell-associatedgenesinmouseembryonicstemcellculturestreatedwithalltransretinoicacidandtestoster0ne
4、J.MolReprodDev,2009,76(1):1121.(编辑:黄会龙)初级纤毛与Hedgehog信号通路相关性研究黄家责任俊伟杨琴(重庆医科大学附属第一医院神经内科,重庆400016)早在2O世纪中期以前,初级纤毛被认为是没有任何功能的原始运动纤毛的退化器官.但是近年发现初级纤毛参与了细胞内信号传导等一系列细胞过程,从而调控动物的发育和各种器官的正常生理功能.Hedgehog信号通路对胚胎发育,器官形成具有重要作用.而Hedgehog信号的传导需要初级纤毛的参与,两者中任何一个异常将导致许多人类疾病.因此,本文对这一领域近年来的研究进展综述如下.1纤毛的结构和功能1.1纤毛的结构纤毛是
5、一种非常保守的来源于细胞基体,突出于细胞表面,由细胞微管为主形成的细胞器;由纤毛膜,中央轴丝和基质组成基本结构,长度从几个微米到2个毫米不等,直径约0.25/2m;从原生生物到脊椎动物细胞都存在.纤毛可分成3大类:运动纤毛,节点纤毛和静止纤毛或初级纤毛_1j.运动纤毛由9组外周二联微管包绕中央2条单独微管构成(9+2结构),每个细胞可有多根运动纤毛,执行细胞的运动功能;初级纤毛和结点纤毛无中央微管(9+0结构),每个细胞仅有1根初级纤毛l_2一.初级纤毛很小(直径0.2/,m,长O.5m),通常在电子显微镜下才能观察到_1.它是从休眠或者已分化的有核细胞表面发出的”天线样”的细胞器,由微管基础
6、上的轴丝和纤毛膜包绕组成.纤毛膜由细胞体浆膜延神而成.纤毛膜上有很多涉及信号传导的亚单位受体和蛋白质l_3.在细胞分裂间期,中心体迁移到浆膜下并改造成为生成初级纤毛的模板一基体4.纤毛颈是分隔纤毛膜和浆膜的部位_5,它通过纤维与基体的转换区相链接.这些纤维是”纤毛孔复合物”组成部分之一,是蛋白质选择性进入纤毛内的门控装置口.纤毛底部有1个独特的浓缩脂质区域,这可能与浆膜和纤毛膜之间的扩散屏障有*国家自然科学基金(81071119)重庆市卫生局科研基金(2OO92359)第1作者Email:shjwhg126.corn通讯作者,E,mail:xyqh200收稿日期:20100214;修回日期:2
7、0110422552关.因此,初级纤毛内环境完全与胞质隔离,胞质物质选择性进入纤毛内.1.2初级纤毛的组装,维持和解聚鞭毛内运输鞭毛内运输(IFr)是多亚单位蛋白复合物(IFT颗粒)在纤毛膜下沿着轴丝微管的双向物质运输6.它是第1次在衣藻的鞭毛内观察到的,故得其名;IFT在真核生物高度保守.初级纤毛不能合成其组装和维持所需的蛋白质,因此,IFT是初级纤毛的组装,维持以及解聚所必须的7.过程可以分为6步:I盯颗粒成分的招募和组装,顺向运输(从纤毛底部到纤毛尖端),IFT颗粒的解散和重新组装,逆向运输,IFT颗粒成分的再循环8,这个过程和血红蛋白运输氧气和COz过程相似.因此,基体和纤毛尖端调节I
8、Fr颗粒运输货物,并控制纤毛尖端轴丝的装配和解聚,进行纤毛的生长,稳定或重吸收的过程,但纤毛尖端如何进行装配与解聚则需进一步研究.沉淀分析确认IFT颗粒至少由21种多肽组成2种复合物,复合物A(IFT-A)和复合物B(IFT-B).IFT-B负责蛋白的顺向运输,IFT-A负责逆向运输.BBS蛋白复合物是纤毛病一巴德一毕德氏综合症(BBS)基因所编码的,它可以促进IFT颗粒组装和纤毛的生成l_g.另外,I丌需要驱动蛋白一II家族和动力蛋白作为分子动力2.驱动蛋白一II全酶复合体由3个不同的亚单位组成,即异源二聚体运动蛋白KIF3A,KIF3B和非动力亚单位KAP,它们结合并调节IFT颗粒在微管上
9、的顺向运输.现已确认,IFT的膜相关蛋白与以纤毛为基础的信号通路有关6.1.3初级纤毛的功能长期以来,初级纤毛被认为是没有任何功能的退化器官_】.近年研究表明初级纤毛不是一个退化的器官,而是单根不动的突出细胞表面的细胞”天线”,称为”细胞全球定位系统”_4.初级纤毛膜上分布着大量的受体和离子通道,包括血小板源性生长因子受体(PDGFR),生长激素抑制激素受体,3,5一羟色胺受体,黑色素聚集激素受体1,多囊蛋白1(PC1)和2(PC2),以及Hedgehog(Hh)和wnt信号通路的组成部件.初级纤毛突出细胞表面,长度可随环境变化而改变,因而更易感受细胞外阳环境信号;体形细长,提供了更大的表面体
10、积比,促使跨膜受体更易于与下游信号分子相互作用.因此,初级纤毛是理想的机械和化学信号的感受器,感知细胞外机械或化学刺激,调节钙的动态平衡,启动细胞内信号传导等一系列细胞过程,从而调控动物的发育和各种器官的正常生理功能.2Hedgehog(Hh)信号通路Hedgehog(Hh)基因是1980年在果蝇体内发现的体节极性基因,从果蝇到哺乳动物具有较高的保守性.其编码的分泌性信号蛋白对胚胎发育,器官形成具有重要作用.果蝇只有一个Hh基因,而在高等脊椎动物中,Hh基因家族至少含有Shh(Sonichedgehog),Ihh(Indianhedgehog),Dhh(Deserthedgehog)3种成分,
11、分别编码Shh,Ihh和Dhh3种蛋白.Shh蛋白是早期胚胎发育的成行素,与左右不对称,中枢神经系统和体节的背腹模式及肢体和其他器官的发育有关.Ihh蛋白主要来源于生长板中的软骨细胞,与Shh蛋白具有相似的生理作用,可引起同样的下游信号反应,在胚胎发育中主要调节软骨形成;也可诱导骨领处原始间充质细胞核心结合因子cbfal表达,触发这些细胞向成骨细胞分化,最终形成骨领.Dhh蛋白是睾丸发育所必须的一种胚胎发育调控因子,维持着睾丸精母细胞的活性.Hh信号通路需要5个关键元素:配体,受体,效应器,校正器和转录因子_1.在哺乳动物,Hh信号通路有3个配体:Shh,Ihh和Dhh.膜受体是Patched
12、(Ptc),效应器是Smoothened(Smo),转录因子是Gli家族(Glil,2,3)E.Glil,Gli2是转录激活因子,Gli13是转录抑制因子.主要的校正器是suppressoroffu(Sufu)11.2.1Hh信号通路的激活和抑制在没有配体Hh时,12次跨膜蛋白Pte抑制7次跨膜蛋白Smo的纤毛转移和下游的Hh信号传导_1.Hh信号通路的Gli家族通过泛素一蛋白酶体途径而被负性调控.蛋白激酶A(PKA)可引发一连串的Gli3被CKI和GSK3磷酸化,磷酸化的Gli3与TrCP结合进而被SC泛素化,从而Gli3被切去羧基末端激活域变成抑制因子;Gli2也会经历相似的蛋白水解过程,
13、但主要是被蛋白酶体完全降解_l.同时,PKA可以将Glil扣留在胞质,阻止其核转移_1.当配体Hh与Ptc结合,Ptc解除对Smo的抑制,Smo转运到初级纤毛上,同时Ptc从纤毛上移出.Smo通过尚不明确的途径使Gli3被蛋白水解为抑制物和Gli2被降解的过程被抑制1.因此,Gli2转移到细胞核并于Gli启动子结合,进而激活靶基因GLI1,PTCH】,HHJP的转录“.完整的Gli3也在某些情况下发挥催化作用.Hh信号通路激活后,完整的Gli3很快就被SPOP/Cul3复合物降解_1,Gli2也可通过IFT逆向转运到胞质Ei8J,从而适时终结Hh信号通路.2.2Hh信号通路的调控2.2.1Pt
14、c对Smo的调控在没有Hh时,Ptc可以调控Smo拈抗剂一环巴胺以及3羟基类固醇(如:维他命D3)与Smo7次跨膜螺旋束的结合,改变Smo的构象,抑制其活性_】.Ptc也可能直接或间接地抑制磷脂酰肌醇一4磷脂的聚集来调节Smo的活性”.-arrestin是Smo转运过程的调控者,它通过调节KIF3A与Smo之间的相互作用来参与Smo的转运l2,Ptc可抑制-arrestin和Smo融合凹,抑制其向纤毛转运.2.2.2Smo的活化Smo是Hh信号通路的关键成分,在纤毛膜上富集还不足以使之传递Hh信号,还必须要完全活化L2.Smo的活化依靠Hh诱导的Smo羧基末端多个Ser/Thr残基的磷酸化,磷
15、酸化作用可中和Smo胞质尾部多个精氨酸束分子问的静电作用,从而使Smo胞质尾二聚化,二聚化的Smo进一步传递Hh信号2.Hh可以诱发G蛋白偶联受体激酶一2(Gprk2/GRK2)的表达,Gprk2可通过激酶依赖和不依赖激酶两种方式来调节Smo的构象从而表达高水平的Hh信号.Gprk2一方面通过磷酸化Smo羧基末端Ser741/Thr742来促进Smo的激活,同时,Gprk2形成二聚物/低聚体,通过不依赖激酶的方式结合到Smo羧基末端从而稳定已激活的Smo的构象,并促进其二聚化/寡聚化_2.也有报告称,Smo蛋白是作为G蛋白偶联受体(GPCR)发挥作用的.当配体作用于GPCR时,GPCR通过催化
16、a-亚单位(Ga)的GDP与GTP交换,进而招募并激活异源三聚体G蛋白,并导致G蛋白的解体,激活的Ga抑制腺苷酸环化酶(AC)活性,进而抑制PKA的活成|2.依赖环一磷酸腺苷(cAMP)的PKA是通过型PKA调节亚单位(RIHKA)和A_激酶抛锚蛋白(AKAPs)的特殊结合而锚定于纤毛底部的,当Shh信号消退,胞质中的cAMP水平升高时,促使PKA催化亚单位(c_PKA)和PKA调节亚单位(R-PKA)分离,从而纤毛底部PKA处于激活状态,C-PKA磷酸化胞质和胞核底物Ee7.当Hh存在时,激活的Smo抑制PKA的活性.激活的Smo也可促进Gli2从胞质转运到纤毛内,进而进入细胞核发挥转录功能
17、_l.2.2.3校正器Sufu的功能Sufu对哺乳动物Hh信号的调节至关重要,Sufu功能的丢失会导致不依赖配体的强有力的Hh通路的激活.Sufu的主要功能是抑制Gli在细胞核的转录E.Sufu也通过对抗Spop(1个保守的Gli转录因子降解因子)作用来保存完整的Gli2和Gli3的稳定性L2,Sufu与Spop竞争性的结合Gli3的氨基或羧基末端区域和Gli2的羧基末端区域,但Gli3抑制因子的功能不依赖于sufuCa0.3初级纤毛与Ith信号通路的关系很多研究表明初级纤毛与Hh信号通路关系密切.在哺乳动物细胞中,Hh信号通路成分Ptc,Smo及其下游转录因子Glil,Gli2和Gli3均存
18、在于初级纤毛上.在没有Hh时,Ptc集中在初级纤毛,防止Smo在初级纤毛内积聚.当有Hh时,Hh与Ptc结合,Ptc离开初级纤毛,导致Smo在初级纤毛内积聚,从而启动下游基因的表达.而IFT则是Shh信号通路成分在初级纤毛内进出所必须的EJ.因此,初级纤毛就像化学敏感器,检测细胞外的Hh.当初级纤毛结构或功能异常,则导致Hh信号通路不能发挥正常作用,出现发育异常或其他疾病.4初级纤毛和Hedgehog(Hh)信号与人类发育,健康和疾病的关系越来越多的研究表明初级纤毛和Hh信号与人类发育,健康和疾病有密切的关系.现已确认初级纤毛和Hh信号通路成分缺陷或异常与许多人类疾病有关.如:常染色体显性多囊
19、肾病(ADPKD),隐性多效性疾病一Bardet-Biedl综合症(BBS),Joubert综合症,Meckel综合症,多指畸形,乳腺癌,基底细胞癌,髓母细胞瘤等多种癌症以及其他疾病.ADPKD是一种常见的单基因遗传性全身性疾病,其主要表现为双肾出现许多大小不等的液性囊泡,囊肿进行性长大,破坏肾结构和功能,最终导致终末期肾功能衰竭,也可表现为肝,胰,553大脑等畸形或这些病变的联合_3.现已确认PKD1和PKD2基因编码的跨膜蛋白一多囊蛋白1和多囊蛋白2存在初级纤毛上并与ADPKD密切相关.多囊蛋白可调节细胞内的钙离子水平,进而在钙相关性信号通路中发挥作用.但是钙信号的调节异常与多囊肾的关系仍
20、不清楚.BBS是一种基因变异导致的慢性,晚期肾功能衰竭疾病,其多系统功能障碍包括肥胖,认知障碍,泌尿生殖管道的畸形以及肢体的畸形l_3.目前14个BBS基因已被证实,任何1个基因的变异都会导致BBS特征,而BBS基因编码的蛋白参与到IFT,可能与I的货物装载以及逆向运输过程有关.因此,BBS蛋白功能障碍会影响初级纤毛的组装以及功能,从而导致疾病.Joubert综合症(JS)是一种常染色体隐性疾病,其临床特征为肌张力减退,共济失调,眼球运动障碍,中一后脑畸形等,”磨牙标记”为其MRI特征_3.目前已明确7个JS基因与初级纤毛/基体的功能相关,JS相关蛋白不同程度的定位于初级纤毛上,这些蛋白可能参
21、与到初级纤毛的构建以及信号通路的调节.JS基因的变异会导致初级纤毛数量或形态学上的改变,进而导致早期神经管背一腹侧模式的异常.乳腺癌,基底细胞癌,髓母细胞瘤等多种癌症与Hh信号通路不适当的激活有关.Smo拮抗剂环王巴明可以阻止胰腺癌的浸润和转移_3.Hh依赖的髓母细胞瘤同种异体移植模型在口服环王巴明类似物IPI-926以及GDC-0449后可以观察到肿瘤完全的消退38-36.成年髓母细胞瘤患者在服用GDC-0449后也可以看到非常显着但不完全,快速而短暂的肿瘤消退_3.Gli3可以调节肿瘤细胞抵抗肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(TRAIL)诱导的细胞凋亡,阻断Hh通路可以恢复肿瘤细胞对TRAIL
22、介导的细胞毒性_3.随着对初级纤毛结构和功能以及Hh信号通路的不断认识,在发育过程和组织平衡中,初级纤毛和Hh信号通路的作用越来越受到关注.特别是近年来通过靶向抑制Hh信号通路途径来治疗癌症取得的成就更加体现了其重要性.但是,目前对初级纤毛和Hh信号通路关系的研究还需要进一步的深入探讨.参考文献1MichaudlEJ,YoderBK.TheprimaryciliumincellsignalingandcancerJ.CancerRes,2006,66(13):64636467.2SatirP,ChristensenST.StructureandfunctionofmammalianciliaJ
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39、伤性股骨头坏死.激素已成为国人非创伤性股骨头坏死发病的主要原因之一_1.非典期间,激素作为不可替代药物应用于传染性非典型肺炎的治疗,造成了大量患者的股骨头坏死,激素与股骨头坏死的关系再次引起了医学界的广泛重视_2.目前,对于激素性股骨头坏死(steroid-inducedavascularnecrosisofthefemoralhead,SANFH)的发病机制尚未完全明了,建立与SANFH病程相似的动物模型对研究SANFH的发病机制及治疗方法非常重要.现就近年来国内外建立SANFH动物模型的方法做一综述.1制模动物的选择对于动物模型的选择,除了要求与人类SANFH有相似性和可比性外,还应包括以
40、下4个方面3:(1)符合人类SANFH病变的客观规律;(2)良好的可重复性;(3)动物的解剖和生理特点应尽可能与人类相似;(4)经济可行性.灵长类动物解剖及生理特点与人类近似,是用于SANFH制备最理想的动物模型.但由于灵长类动物驯养困难,加之费用高,实验周期长等,影响了它们的使用.股骨头坏死动物模型的研究大多集中在四足动物包括鼠,兔,狗,猪,绵羊,马等,两足动物包括鸡,鹅,食火鸟等.近几年,国内外学者主张用兔,鸡,鼠做模型l4.由于兔的国家自然科学基金(81O6O148/HO6O6)第1作者E-mail:1021637954通讯作者,E-mail:oceanzt收稿日期:20100903;修
41、回日期:20110120经济性和易操作性等特点,成为最常见的选择对象.许多学者5认为用兔制备动物模型在发病机制和组织病理学上与人类SANFH有很多相似处,实验也证实了兔制备SANFH动物模型的可行性和可靠性.有学者_7认为兔的承重条件不如人,机械负重差,与人类股骨头负重程度不一致,制备的模型大多关节面完整,不易出现碎裂,塌陷,多呈股骨头坏死早期病变特点.鸡为双下肢负重动物,与人类直立行走的生物力学特性一致,坏死的进程也与人类相似,病理变化比较接近人类,易出现股骨头塌陷,且死亡率低.但鸡与人类亲源性较远,激素对其作用机制不详,激素是否存在其他影响尚不确切.大鼠负重方式与人类虽然有一定差距,但90
42、的基因与人类一致,价格相对低廉,喂养方便,发生骨坏死的病理特征与人类相近,并且从解剖因素考虑大鼠与人类的股骨头形状有着较为类似的前倾角和颈干角,力学性能较兔和鸡可能更接近人类.但激素使用时间相对较长,较难出现股骨头塌陷是大鼠做动物模型的劣势l3.此外,有学者将鼠,兔,犬等进行适应性训练,制备为强迫立位动物,提出了一种新型的SANFH动物模型制备方式,此类模型加强了股骨头的机械应力作用,使它更接近于人类股骨头机械应力特点.Mihara等l_8将515周龄的Wistar大鼠分别放在高,低笼中饲养,高笼中的大鼠需双后腿站立才能进食,低笼中的大鼠正常进食.15周时组织学结果显示,高笼中的大鼠4O发生股骨头坏死,而低笼大鼠则极少出现.这表明立位可成为股骨头坏死的诱发因素.Suehiro等_g选用日本魏氏鼠迫使其站立,使其髋关节机械压力增高,同样较易出现股骨头坏死.牛敬才等1o将出生后4周的幼兔辅以悬吊使其两后腿负重行走,以增加髋关节的压力,成功制备了”直立行走兔”模型.齐振熙等m通过强迫sD大鼠间断立位,加强了股骨头的机械555阳力
