芳香烃受体与Wnt在心脏发育中的作用*

夏 颖， 刘甜甜， 滕忠坤， 王建茗， 陈 涛， 姜 岩△

（1苏州大学基础医学与生物科学学院，江苏苏州 215123；2苏州大学公共卫生学院，江苏苏州 215123）

我国每年有近120 万出生缺陷的新生儿，大部分的先天性心脏病病因仍无法确定，但目前认为遗传与环境互作为重要因素［1］。心脏发生是基因网络精确互作和调控的产物，影响着细胞的分化，迁移，增殖和凋亡等方面生理状态［2］。心脏作为胚胎发育过程中最先形成的器官，其发育受到繁杂的信号网络 调控，其中Wnt（wingless-type MMTV integration site）及芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）信号通路的调节尤为重要［3-4］。抑制Wnt信号通路会导致人多能干细胞分化早期心脏发育的阻断［5］。在AhR基因敲除模型中，小鼠显示出心血管发育异常，同样用AhR 外源性配体激活也会引起心血管发育毒性［6-7］。不仅如此，研究表明，2 种信号通路之间的相互作用也会对心脏发育造成影响。本文就Wnt 和AhR 信号通路单独及两者相互作用对心脏发育的影响进行综述。

1 Wnt及其生理功能简介

Wnt 蛋白是与细胞表面G 蛋白偶联受体家族蛋白的Frizzled 受体结合的糖蛋白，参与细胞分化、增殖和迁移等重要生物学功能的调控［8］。Wnt 信号通路主要有2种：经典Wnt通路（Wnt/β-catenin 途径）和非经典Wnt通路（包括Wnt/Ca2+途径和Wnt/平面细胞极性途径）［9］。

关于经典Wnt 通路的研究较为深入。Wnt 与配体结合，形成卷曲蛋白-脂蛋白受体的复合物，并将Dishevelled 蛋白募集到细胞质膜上，抑制降解复合物功能，导致胞质内β-catenin 积累，迁移至细胞核，与转录因子结合，激活基因表达。当缺乏Wnt 配体时，β-catenin 不断被降解复合物磷酸化，进而被降解，Wnt 信号被抑制［10］。Huelsken 等［11］的研究显示，在中胚层形成的过程中，Wnt/β-catenin 信号的激活会促进心脏分化，在心脏发育过程中必不可少，缺乏β-catenin 的小鼠中胚层发育受损。Klaus 等［12］的研究显示，Wnt/β-catenin 信号可激活心脏前体细胞中的心脏特异基因。缺乏β-catenin 将导致心脏特异基因无法正常激活，Nkx2.5缺失的心肌细胞具有异常的生理状态、非同步收缩和动作电位改变［13］。与经典Wnt 通路相比，关于非经典Wnt 通路的研究相对较少，但其在心脏发育中的作用不可或缺。研究表明，Wnt11 是通过非经典Wnt 通路介导信号传导的［14］。Wnt11 在非洲爪蟾外植体中的过度表达诱导了具有收缩表型的细胞的形成。小鼠胚胎细胞中心肌细胞的终末分化与Wnt11 表达的显著增加有关，向培养的胚胎干细胞中添加Wnt11 可导致跳动细胞比例增加［15］。

2 AhR及其生理功能简介

AhR是一种多功能、由配体激活的碱性螺旋-环-螺旋转录因子，是Per-Arnt-Sim 家族中一个高度保守和广泛分布的成员，通过介导外源性信号或内源性信号转导以增强靶基因的表达，其靶基因包括药物代谢的细胞色素P450 1A1（cytochrome P450 1A1，CYP1A1）、环氧合酶2、尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶1 等［16］。正常情况下，AhR 与热休克蛋白90、乙型肝炎病毒X 相关蛋白2 和热休克蛋白23 的复合物以休眠状态存在于细胞质中，当AhR 与配体结合时，暴露AhR核定位信号，AhR转位到细胞核中，与AhR核转运蛋白形成异二聚体，与下游靶基因效应元件结合，调控相应基因表达［17］。AhR 的配体包括外源性配体苯并芘（benzo［a］pyrene）、2，3，7，8-四氯二苯并二噁英（2，3，7，8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin，TCDD）和氯化联苯。此外，还有研究报道了多种内源性配体，包括色氨酸代谢物，如6-甲酰吲哚［3，2-b］咔唑（6-formylindolo［3，2-b］carbazole，FICZ）、酪蛋白和膳食吲哚衍生物，以及胆红素和二十碳烯酸［18］。

AhR 除了参与内源和外源性代谢外，在心脏发育毒性中发挥着重要作用［19］。研究表明，AhR 可调节重要的心脏发生基因的表达，通过基因敲除或在发育早期暴露激动剂，对内源性AhR 功能进行干扰，均可引发心脏结构和功能异常，导致胎儿心脏生理改变，包括心率增加、右心室和左心室扩张、射血分数减少等［20］。长期流行病学研究表明多环芳烃在心肌细胞发育过程中不恰当地激活AhR，导致心脏发生室循环不良和心肌细胞增殖减少等障碍，这种形式的毒性完全依赖于AhR，并被AhR基因敲除所阻止［21］。除了环境中的污染物可以导致心肌发育毒性之外，临床药物也会有相似的副作用。高效化疗药物阿霉素（adriamycin/doxorubicin，DOX）显著的副作用即为累积的剂量依赖性心脏毒性。心肌细胞中，DOX 代谢产生的活性氧通过激活caspase-3 和caspase-9 凋亡通路导致细胞凋亡［22-23］。Volkova 等［24］的研究显示，DOX 可激活心脏AhR，药物代谢基因CYP1A1表达上调，产生抗氧化特性，AhR 的激活可对抗DOX 对心肌细胞的毒性。总之，心脏发育需要AhR信号通路的精确调控。

随着Wnt及AhR 信号通路在心脏发育中的作用的深入研究，越来越多证据表明Wnt 与AhR 之间存在联系，进而共同影响心脏发育［3-4］。

3 Wnt对AhR信号通路的影响

3.1 影响效应 Braeuning［25］认为β-catenin 可能从不同的机制对AhR 产生正向影响。在稳定表达CTNNB1（β-catenin 是其编码产物蛋白）的细胞中，TCDD 激活AhR报告基因表达的程度明显更高，也说明了Wnt信号对AhR 的激活作用［26］。胚胎干细胞分化过程中持续的AhR 激活破坏了心脏中胚层个体发育过程中的信号的表达，并导致心肌细胞谱系收缩力的丧失［27］。而AhR 受体的过早激活会导致复杂的调控网络的失调，进而使心肌发育异常，导致先心病的发生［28-29］。

3.2 影响机制 Wnt 信号通路对AhR 的作用可以表现为调节其信使RNA 以及蛋白质的表达，这通过β-catenin 与AhR 相互作用或在DNA 结合水平的干扰，在小鼠的肝细胞中充当AhR 的协同激活剂来实现［30-33］。β-catenin 是通过Wnt/β-catenin 途径介导转录调控的关键整合子，占有重要地位［34］。Mathew等［35］通过mRNA 表达数据及微阵列结果显示，AhR对β-catenin 信号产生正反应，即Wnt 信号能够激活AhR相关信号通路的表达。在人胚胎肾细胞293中，AhR 的表达在β-catenin 过度表达突变体及Wnt3a 处理后显著升高。在高表达β-catenin 的细胞中，AhR也呈高水平表达，而不表达β-catenin 的细胞其AhR水平较低［25，36］。综上说明，Wnt 能够调节AhR 信号通路。在我们实验室的斑马鱼心脏发育模型的研究显示，Wnt 可能通过诱导AhR 的抑制剂AhRRb 的表达进而抑制AhR 靶基因的表达［4］。目前，关于Wnt对AhR 影响的研究大多选用的是肝细胞模型，在心肌细胞中的研究较少，而Wnt 对AhR 的调节是否存在组织特异性还不得而知，Wnt 信号通过调控AhR进而影响心脏发育还需要进一步研究。

4 AhR对Wnt信号通路的影响

4.1 AhR 上调Wnt 信号通路 当AhR 内源性配体FICZ 和抗氧化剂镉共同处理小鼠胚胎，CTNNB1和Nkx2.5的mRNA 表达水平明显升高，心脏体积显著增加［37］。在小鼠胚胎癌细胞系心肌定向分化过程中，敲减AhR会通过干扰β-catenin 的转录而抑制心脏发育［38］。以上研究提示，AhR 可能通过上调Wnt信号因子或调控β-catenin 的转录激活经典Wnt信号通路，但AhR 对经典Wnt 信号通路的上调机制尚不清楚。

4.2 AhR 下调Wnt 信号通路 PM2.5 有机提取物（extractable organic matter，EOM）、TCDD等AhR激活物质暴露可导致心脏发育异常，与经典Wnt 信号的下调有关［39］。Zhang 等［40］的研究显示，PM2.5 中的EOM 通过激活AhR，抑制经典Wnt信号通路，导致斑马鱼胚胎心脏畸形。TCDD 暴露激活的AhR 通过结合和促进β-catenin 的泛素化来下调β-catenin［41］。另外，AhR 与Wnt 信号间的相互作用涉及AhR 对R-海绵蛋白（R-spondin，Rspo）水平的影响［42］。Rspo 是一种分泌因子，可通过阻止Wnt 受体降解而发挥Wnt激动剂作用，其缺少会导致心脏发育过程中右心室畸形［43-44］。在斑马鱼中，TCDD 诱导Rspo1 再生的作用依赖于低密度脂蛋白受体相关蛋白6（low-density lipoprotein receptor-related protein 6，LRP6），与Rspo相关的Wnt共受体［45-46］。另外，Schneider等［47］的研究提示，TCDD诱导的小鼠胚胎AhR信号激活下调了体内Rspo2 和Rspo3，而Rspo2 和Rspo3 的补充能部分对抗TCDD的毒性作用。

5 总结与展望

AhR 和Wnt 信号通路除独立调控心肌特异基因来影响心脏发育外，这2 种信号通路之间的相互作用业已成为心脏发育研究的另一突破口。在不同模型中，Wnt 信号不仅能够激活AhR 相关信号通路的表达，也可能通过诱导AhR 抑制剂AhRRb 的表达而抑制AhR 靶基因的表达。AhR 对Wnt 信号通路也具有两方面的影响，既能激活也能抑制经典Wnt 信号通路。但Wnt-AhR 相互作用的组织特异性，以及具体的调控模式均有待进一步探索。