Hedgehog信号通路在肾间质纤维化中作用的研究进展

周兰琪 周建华

430030 武汉，华中科技大学同济医学院附属同济医院儿科

Hedgehog(Hh)基因于1980年在筛选影响果蝇发育的基因突变体实验中首次被发现，其Hedgehog这个名字来源于果蝇基因突变胚胎的外形，呈多毛团状。12年后发现它是一种分泌型信号蛋白通路[1-2]，进化上保守，在组织发育、内环境稳态和细胞修复中起重要作用，同时具有促有丝分裂的作用。所以，Hh信号通路的异常是多器官系统发育异常的基础。在哺乳动物中存在着3条Hh信号通路，即Sonic Hedgehog(SHh)、Desert Hedgehog(DHh)和Indian Hedgehog(IHh)信号通路[3-4]，其中研究最多且作用机制较为清楚的是SHh信号通路。现已发现SHh 信号通路对人体的作用广泛，其异常激活影响中枢神经系统的发育以及癌症的发生[5-6]，且在消化管和支气管树的形成中具有重要作用[2]。此外，在脏器纤维化疾病如肺纤维化、肝纤维化、肾纤维化等的发生中也起重要作用。DHh信号通路表达主要限于性腺，包括睾丸中的睾丸支持细胞，对性细胞分化也起关键作用[7]。IHh 信号通路则与骨软骨细胞的发育和软骨内骨的血管化有关[8]。本文就Hedgehog信号通路的研究进展及对肾间质纤维化的作用做一综述。

一、Hedgehog信号通路的主要组成与调节

在哺乳动物中，Hh信号通路主要由3种配体即Sonic hedgehog (Shh)、Desert hedgehog(Dhh)和Indian hedgehog (Ihh)，两种跨膜受体即Ptch和Smo，下游的核转录因子(Gli)及Gli的核心调节蛋白Sufu和Kif7组成。Hh信号通路的传导也有纤毛的参与。纤毛是突出于细胞表面、由微管构成的亚细胞结构，蛋白质沿着纤毛双向运输，通过调节多种信号转导通路，影响细胞功能和细胞周期[9-11]。最近的证据表明，纤毛独特的脂质膜组成对纤毛的功能和Hh信号转导有着重要作用，尽管原纤毛与Hh信号转导关系密切，但目前关于Hh信号对常染色体显性多囊肾病在内的肾囊性疾病作用的信息仍然有限[12]。

在肾脏中，Shh在乳头状集合管和输尿管上皮中表达，Ihh主要在髓内皮质和髓外皮质交界处表达。Shh调控邻近间质细胞的增殖和分化，生殖细胞Shh缺失或集合管细胞Shh缺失均可导致严重的肾脏发育不全或发育不良[13]。Ptch是12次跨膜蛋白受体，定位于纤毛。有Ptch1和Ptch2两种亚型，Ptch1是该通路的负调节因子，并且Ptch1表达增加是Hh通路激活的标志[6，8]。有研究表明，小鼠发育过程中，Ptch1缺失使Hh信号通路激活，导致皮质间质细胞异位至输尿管与肾盂交界处，引起尿流出受阻，肾盂扩张[14]。Smo是7次跨膜蛋白受体，Ptch1通过抑制Smo 阻断Hedgehog信号通路的激活。在有hh配体的情况下，hh与细胞表面Ptch1结合，Ptch1离开纤毛，解除对Smo的抑制，使Smo在纤毛上聚集，激活Gli，Gli迁移到细胞核内从而激活Hh靶基因的表达[9，15]。虽然Hh通路的激活与Smo、Gli在纤毛上定位相关，但尚缺乏明确的证据证明Hh信号转导需要他们在纤毛定位和其他途径成分。最近的一项研究显示，在某些条件下，Smo没有在纤毛中积聚，也可以激活Hh信号通路[16]。

3种核转录因子(Gli)即Gli-1、Gli-2和Gli-3。Gli-1和Gli-2仅在肾脏的间质细胞中表达，Gli-1是组成型激活物，主要作为转录激活因子，在通路激活后起正反馈作用，Gli-2和Gli-3具有C端转录激活结构域和N端转录阻遏结构域，因此他们在通路中既有正向调控作用也有负向调控作用，主要取决于转录与翻译的过程。Gli-2、Gli-3与调节蛋白Sufu分离后激活成为Gli-2A、Gli-3A，Gli-2A是Hh信号通路的主要激活物。泛素化和磷酸化后的Gli-2和Gli-3转化为转录抑制因子即Gli-2R、Gli-3R，其中Gli-3R是Hh信号通路的主要抑制物[17-19]。在最近的研究中，Rauhauser等[20]报道了对基因修饰后Gli-similar 2+/mut杂合子小鼠、Gli1lacZ/lacZ纯合子小鼠以及对表达神经元胶质蛋白2(NG2)的周细胞敲除Hh信号通路Smo激活子的小鼠进行单侧输尿管结扎，验证了Hedgehog -Gli1信号通路的激活加重了小鼠单侧输尿管梗阻后肾间质纤维化和肾小管扩张。Pallister-Hall综合征是由Hh信号通路的Gli-3突变所致，导致转录因子Gli-3功能丢失，患者出现多指(趾)、下丘脑错构瘤、呼吸道和肾脏发育异常，表明Hh信号通路异常与肾脏畸形有关，说明Hh参与了人类肾脏的发生[13]。

Sufu和Kif7是哺乳动物Gli核转录因子的两个核心调节蛋白，Sufu通过与细胞质内的Gli-1、Gli-2、Gli-3转录因子相互作用负向调控Hh通路。在没有配体的情况下，Sufu直接与Gli转录因子结合，将其锚定在细胞质中从而抑制Gli相关靶基因的激活[15]。Sufu也可形成一种复杂的抑制物与DNA结合的Gli-1相互作用从而抑制Gli-1诱导基因表达。Kif7是一种驱动蛋白，定位在纤毛的基部，在纤毛未受刺激的状态下，起顺向转运的作用，可防止Gli-2与Gli-3在纤毛上聚集[9]。在通路激活过程中，纤毛中Ptch1的丰度降低，Smo聚集使Gli蛋白与Sufu分离，在Kif7的转运作用下，使Gli-2和Gli-3迁移到纤毛的顶端，抑制Gli-2R和Gli-3R的形成，促进Gli-2A和Gli-3A激活。他们转位到细胞核内启动Hh信号通路靶基因的转录[21]。

二、Hedgehog信号通路与肾间质纤维化

信号传导通路在胚胎发育过程中控制着细胞的增殖、迁移、分化，当肾脏受损时信号通路被激活，参与肾脏损伤的修复，而上皮间质转化是管状上皮细胞和成纤维细胞/间质细胞串扰影响肾脏生理和病理的重要机制。一般来说，虽然上皮间质转化短期内对肾脏起保护作用，但在慢性进行性损伤中，也可能促进肾间质纤维化和慢性肾脏病(CKD)的发展[22]。Hh信号通路导致肾间质纤维化过程如下：当配体如Shh与膜受体Ptch1结合时，使得Smo释放产生级联反应，最终将转录因子Gli转移到细胞核内，通过调节纤维化基因的表达如α-SMA，激活肌纤维母细胞，导致过量的细胞外基质的沉积和成纤维细胞的聚集[23]。Fabian等[13]通过对 Ptch1-nLacZ、Gli1-nLacZ、Gli2-nLacZ、Shh-GFPCre基因敲入的小鼠进行单侧输尿管结扎及单侧缺血再灌注，发现α平滑肌肌动蛋白(α-SMA)、I型胶原蛋白(Collagen1)、Ptch1、Gli-1 、Gli-2、Ihh表达均增加，证明了Hh信号通路在肾纤维化中被激活，并且Ihh是慢性肾损伤诱导的主要Hh配体。

SHh信号通路的失调和肾纤维化的发生有着内在联系，在Hh信号通路的3种配体中，Shh被认为与肾脏的发育和各种损伤后组织修复有关。有研究表明，单侧输尿管结扎术后的小鼠，其Shh在肾小管上皮细胞中表达上调，Gli-1的表达也上调，并通过Gli1-LacZ小鼠，验证了Shh作用于间质成纤维细胞，体外实验中用重组Shh蛋白孵育正常大鼠肾间质成纤维细胞(NRK-49F)，发现Gli-1、α-SMA、CollagenI表达上调，这些结果表明SHh信号直接促进肾间质成纤维细胞的活化和基质的生成。肾小管来源的Shh作为间质成纤维细胞生长因子，控制纤维化相关基因的表达，这就导致了过多的细胞外基质在肾间质沉积[24-25]。但是Shh在肾脏疾病中表达有改变还存在着争议。Zhou等[26]报道在缺血/再灌注、阿霉素和肾部分切除术诱导的慢性肾脏病的动物模型中，验证了肾小管上皮细胞Shh表达有增加，并且在膜性肾病、IgA肾病、局灶节段性肾小球硬化的CKD患者肾活检标本中，Shh蛋白主要表达于肾小管上皮细胞，肾小管腔内的液体Shh呈阳性染色比较少见，提示Shh可由肾小管细胞分泌；除肾小管细胞外，部分肾小球足细胞Shh染色阳性。然而，肾间质细胞Shh染色几乎为阴性，表明小管来源的Shh选择性靶向作用于间质成纤维细胞，导致它们的增殖和活化，并且在CKD的发病机制中发挥作用。

越来越多的证据表明，很大比例的肾成纤维细胞可能起源于分化的肾小管上皮细胞即上皮间质转化[27]。上皮间质转化是肾小管上皮细胞对肾脏持续性损害一种调节性应答。有多种信号通路参与，包括Wnt/β-catenin、Notch、TGF-β和Hh信号通路等均参与上皮间质转化，这些信号通路间可以相互作用促进肾间质纤维化[28]。Hh信号通路和TGF-β1在参与肾小管上皮间质转化上或许存在着某种联系。Lu等[23]在对单侧输尿管结扎和缺血再灌注诱导的肾纤维化小鼠模型的研究中比较了梗阻损伤后不同时间点Shh分泌量与TGF-β1水平的差异，分析显示梗阻损伤后Shh水平随时间升高，与TGF-β1水平呈正相关。采用基因芯片技术分析单侧输尿管结扎组与假手术组的基因表达差异，表明Hh信号通路和TGF-β1均参与了损伤诱导的肾小管上皮细胞转分化和肾间质纤维化，并且激活Hh信号通路可以诱导TGF-β1的表达，TGF-β1也可以通过诱导Smo和Gli-1表达来激活Hh信号通路。这些结果表明，Hh信号通路与TGF-β1之间存在着相互作用，可以形成一个正反馈环，并协同诱导肾小管上皮细胞转分化，促进肾间质纤维化的发生。激活的Hh信号通路通过诱导肾小管上皮细胞转分化，参与肾间质纤维化，抑制该通路可抑制肾小管上皮细胞转分化和肾间质纤维化的发生[22-23]。此外，SHh信号可以上调Wnt2b[29]和Wnt5a[30]表达，成纤维细胞或周细胞中的Shh/Gli激活也可能直接诱导这些细胞中Wnt的表达和释放，Wnt分泌增加会反过来作用于肾小管细胞，刺激肾小管细胞分泌更多的Shh以激活成纤维细胞，造成促纤维化信号周而复始的恶性循环，阻断这种循环可能是治疗慢性病的有效途径，有待进一步研究。Hh信号能够增加癌细胞中的Wnt，但在肾脏成纤维细胞中这种作用尚待验证[28]。

三、展望

Hedgehog信号通路有望成为肾间质纤维化乃至其他脏器纤维化及相关疾病的新的治疗靶点。调控Hedgehog信号转导提供了治疗纤维化疾病的思路，Hedgehog信号通路抑制剂可能对肾间质纤维化起到一定的治疗作用，从Gli 水平上抑制该通路能影响纤维化过程。有研究表明，直接抑制Gli蛋白可抑制细胞增殖和肌成纤维细胞分化，改善器官纤维化。但抑制Hedgehog-Gli上游信号传导(例如通过抑制Smo)未能改善肺纤维化和肾纤维化，Gli拮抗剂61对Gli蛋白的抑制能改善两个器官的纤维化[31]，不过这些抑制剂仍停留在动物实验水平，还有许多问题有待解决，Hedgehog信号通路传导详细的机制和以及这些抑制剂对肾间质纤维化的有效性仍需进一步的研究。