LRP5蛋白在纤维化疾病中的作用及机制研究进展

谢莹综述 宋泽庆，2，王亚红，刘刚审校

1.广东医科大学，广东 湛江 524000；

2.广东医科大学附属深圳市龙华区中心医院，广东 深圳 518110；

3.广东医科大学附属医院，广东 湛江 524000

低密度脂蛋白受体相关蛋白5(low density lipoprotein receptor related protein 5，LRP5)是一种跨膜低密度脂蛋白受体，属于低密度脂蛋白受体家族(LDLR)成员之一，是由LRP5基因所编码的、定位于细胞膜表面的一种膜受体蛋白。已有研究表明，LRP5与多种疾病的发生发展密切相关。在机体内，LRP5主要作为Wnt/β-catenin信号通路的关键受体蛋白，是Wnt/β-catenin通路的公认激活剂，其可以激活经典Wnt/β-catenin信号通路的传导，进而参与肿瘤、纤维化等疾病的发生发展。近年来，对于LRP5在肺、肝、肾等纤维化疾病中的作用机制已有一定的研究，研究显示，LRP5在组织纤维化的发病机制中起着重要作用，今后可能成为一个延缓纤维化的新靶点。

1 LRP5的基本结构和功能

1.1 LRP5的结构和分布LRP5蛋白是1998年HEY等[1]通过DNA基因测序分析时发现的，LRP5由大约1 615个氨基酸组成，是一个具有多个结构域的单次跨膜蛋白，这1 615个氨基酸蛋白保留着低密度脂蛋白(LDL)受体家族所特有的模式，即一个蛋白质输出信号肽、四个相关区域表皮生长因子(EGF)重复序列、三个LDL受体(LDLR)重复序列结构，这些结构包裹在细胞膜外结构域、一个单一跨膜结构域和一个细胞质结构域[1]。LRP5蛋白存在特有的EGF和LDLR重复序列结构，这些结构使LRP5在LDL家族中显示出一个新类别。在LRP5的这1615个氨基酸中，大约有85%的氨基酸是位于细胞膜外的，LRP5蛋白N末端的前25个氨基酸为蛋白质跨质膜输出信号肽，成熟的LRP5蛋白是通过切除该信号肽而产生的。在细胞膜外，LRP5含有四个串联的酪氨酸-色氨酸-苏氨酸-天冬氨酸(YWTD)型β-螺旋桨(BP)结构域，每个结构域后带有一个EGF，从N端到C端分别命名为E1到E4。这些胞膜外结构域负责与Wnt配体及其抑制剂结合，如与Dickkopf相关蛋白1(DKK1)和硬化蛋白结合，从而发挥其相应的作用。在这些结构域之后是三个LDLR结构域[2]。一般来说，YWTD序列在LRP5中是高度保守的，而LDLR重复序列并不是高度保守的[1]。总之，LRP5的YWTD/EGF重复序列在LRP5蛋白的功能中起着非常重要的作用[2]。LRP5蛋白在人体的许多组织和细胞中都有广泛分布，它是组织和细胞分泌的单次跨膜蛋白[3-4]，研究表明，LRP5在肝脏中的表达含量是最高的。除此之外，LRP5在骨组织中的含量也很高，并且它具有调节骨生长和胆固醇代谢的作用[5]。LRP5在骨骼肌、胰腺、心脏、肺脏、肾脏、脾脏、胸腺、前列腺、胎盘和小肠等组织中也有表达，而在脑组织中的表达相对较低[2]。此外，有学者在肝库普弗细胞和肝星状细胞中也发现了LRP5的分布[6]。

1.2 LRP5在Wnt/β-catenin信号通路中的作用LRP5蛋白主要是通过与另一种受体蛋白Frizzled-4(由FZD4基因产生)共同作用，参与Wnt/β-catenin信号通路的传导，将细胞膜外的化学信号传递到细胞内，从而影响细胞和组织的生长发育。在经典Wnt/β-catenin信号通路中，细胞外的Wnt配体蛋白与细胞膜受体卷曲蛋白(Frizzled)以及它们的连接蛋白低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6(LRP5/6)三者结合形成Wnt-Fzd-LRP5/6多元复合体，这个多元复合体会促进支架蛋白Disheveled(Dvl)的募集和活化，活化的Dvl会破坏由酪蛋白激酶(CK1)、糖原合成激酶(GSK-3β)、结肠腺瘤息肉蛋白(APC)以及支架蛋白(Axin)所结合形成的Axin复合物，从而使细胞内的β-catenin无法被Axin复合物降解，导致β-catenin在细胞内大量积累，积累的β-catenin进入细胞核中，与T淋巴细胞因子/淋巴增强因子(TCF/LEF)转录因子结合形成复合体，从而驱动靶基因的转录。相反，如果细胞外缺乏Wnt配体蛋白，Dvl就不会被募集和活化，使得Axin复合物不会被破坏，CK1和GSK-3β就会依次磷酸化β-catenin的氨基末端区域，导致β-catenin的泛素化和被蛋白酶体降解，进而使胞质内的β-catenin浓度降低，因此不能进入核内启动靶基因转录。同理，如果细胞膜表面缺乏LRP5/6受体蛋白，Wnt/β-catenin信号通路同样无法启动[7]。此外，LRP5还具有重复的PPPSPxS基序(P，脯氨酸；S，丝氨酸或苏氨酸；x，可变残基)[8]，可以促进Wnt受体的活化，进一步激活Wnt/β-catenin信号通路的传导[9]。综上所述，LRP5在Wnt/β-catenin信号通路的传导中起着至关重要的作用，可以通过靶向LRP5受体蛋白来增强或减弱Wnt/β-catenin信号通路，从而在多种人类疾病中起到一定的治疗效果[10]。

2 LRP5在纤维化疾病中的作用

纤维化疾病的病理特征是正常的组织结构被破坏，过度的肌成纤维细胞增殖以及细胞外基质(ECM)大量沉积。组织器官的纤维化发生率目前在全世界范围内持续增加，并且是多种疾病死亡的主要决定因素。早已有研究表明，上皮-间质转化(epithelial mesenchymal transition，EMT)是组织器官纤维化发生的共同机制，其发生机制与Wnt/β-catenin信号通路、TGF-β信号通路、Notch信号通路、ERK1/2信号通路和RhoA信号通路等多种信号通路的异常激活相关[11]。Wnt/β-catenin信号通路的异常激活参与了EMT的发生发展，与纤维化疾病如肺纤维化、肝纤维化和肾纤维化等疾病的发展密切相关。而LRP5蛋白是经典Wnt/β-catenin信号通路中LRP5/Frizzled共受体的关键组成部分，显然对纤维化疾病的发生发展具有重要作用。

2.1 LRP5在肺纤维化中的作用

2.1.1 LRP5是特发性肺纤维化的驱动因素特发性肺纤维化(IPF)是一种慢性间质性肺疾病，呈进行性发展。随着我国人口老年化速度的加快，IPF的发病率在逐年升高。近年来IPF的死亡率超过了许多恶性肿瘤，目前除了肺移植以外，尚无其他的有效治疗手段。早期研究表明，IPF患者中的肺泡上皮细胞损伤凋亡以及上皮-间质转化与Wnt/β-catenin信号通路的异常激活有关[12]。有研究表明，在博来霉素诱导的小鼠肺纤维化模型中，学者们通过Masson和HE染色进行组织学分析发现，与野生型小鼠相比，LRP5敲除小鼠的肺组织损伤程度和胶原纤维的沉积都显著减弱，并且对支气管肺泡灌洗液(BAL)中的肺空腔内总蛋白质进行定量分析来评估肺组织损伤程度，他们发现，过表达LRP5显著增加了博来霉素诱导的小鼠肺组织中的可溶性胶原蛋白，而在LRP5敲除小鼠肺中是显著减弱的。以上结果证明了LRP5的缺失减弱了博来霉素诱导的肺纤维化程度[13]。其次，他们同样证明了LRP5的缺失可以通过降低转化生长因子TGF-β的功能来减轻肺纤维化的程度。TGF-β是成纤维细胞活化的关键介质，在纤维化疾病中TGF-β水平是明显升高的[14]。在博来霉素诱导的动物模型中，与从LRP5过表达小鼠分离的原代细胞相比，从LRP5敲除小鼠肺组织中分离得到的肺泡上皮2型细胞(AT2)和肺泡巨噬细胞都表现出TGF-β蛋白表达能力的降低。因此证明敲除LRP5对博来霉素介导的小鼠肺纤维化的保护作用可能是通过减少TGF-β的表达来实现的[13]。此外，学者们还分析了IPF患者外周血中单核细胞(PBMC)的基因表达差异，进一步探讨Wnt信号通路组分与IPF进展的相关性。他们选取了匹兹堡大学中74名IPF受试者进行队列研究，分析他们的PBMC的Wnt通路基因的表达差异。在他们的结果分析中显示，与IPF疾病进展相关性最高的Wnt信号通路组分是LRP5和LRP6。他们还发现LRP5表达水平的高低与就诊时疾病的严重程度密切相关，表明了LRP5表达的高低在不同严重程度的IPF患者中具有预后价值，因此，LRP5有可能作为IPF预后不良的标志物[13]。

2.1.2 LRP5/β-catenin信号传导影响肺巨噬细胞分化目前已有大量研究支持，Wnt/β-catenin信号可能对肺损伤后的先天性免疫细胞的分化起着重要的作用。在这些免疫细胞中，巨噬细胞已被证明有助于抑制肺纤维化的发生发展[15-16]。巨噬细胞不仅是先天性免疫系统的重要贡献者，也是组织正常发育和修复的主力军[17]。研究表明，单核巨噬细胞谱系的免疫细胞在组织损伤期间被募集，被招募的单核细胞可以通过多种潜在机制抑制纤维化疾病的发生发展，包括分化为调节性巨噬细胞以及抑制T淋巴细胞和成纤维细胞的增殖和促进成肌纤维细胞凋亡，还可以通过基质金属蛋白酶(MMP)来降解间质胶原蛋白以及吞噬细胞外基质和细胞碎片来抑制纤维化疾病的发生[18]。在上述观点中提到，Wnt共受体蛋白LRP5的缺失可减轻博来霉素诱导的肺纤维化。所以，为了进一步研究免疫细胞的Wnt共受体蛋白LRP5是否会影响肺纤维化的进展，学者们使用骨髓细胞LRP5敲除鼠，他们观察到在小鼠第3周时表现出胶原蛋白合成的显著减少，因此证实缺乏LRP5的免疫细胞可以改善肺纤维化的程度[13]。Wnt/β-catenin信号在巨噬细胞中的潜在作用可能是细胞自主和细胞非自主产生的，这反映了复杂的巨噬细胞-上皮细胞和巨噬细胞-间充质细胞之间的相互作用，这需要进一步研究[19]。总之，这些数据表明LRP5/β-catenin信号传导对免疫细胞具有重要作用，可以通过促进骨髓来源的肺泡巨噬细胞分化来抑制肺纤维化的发生发展。因此，未来可以通过调节单核-巨噬细胞中Wnt/β-catenin信号通路来干预肺纤维化的发生发展。

2.2 LRP5在肝纤维化中的作用肝纤维化是慢性肝损伤后常见的病态修复反应，它是许多慢性肝病的共同终点，目前仍缺乏确切的治疗手段。在过去的几年里，肝纤维化发病机制的研究有了显著的进展，对该疾病的治疗产生了重大影响。肌成纤维细胞转分化(MTD)是肝纤维化发生过程中的关键事件。肝星状细胞(HSC)是能够发育成为内皮细胞和肝细胞谱系的未分化细胞，在肝脏再生中起重要作用[20]。HSC的一个特有的特征是其可以在细胞质中储存维生素A脂质，在肝损伤时，HSC失去储存维生素A脂质的能力，使得HSC从静止状态转变为激活状态，从而合成并表达促炎细胞因子和细胞外基质蛋白[21]。并且，有研究证实，在肝脏损伤中，活化的HSC促进MTD，分泌细胞外基质，进而参与肝纤维化的发生发展。因此，HSC的激活被认为是肝纤维化过程中的中心事件[22-23]。Wnt信号通路已被证实在肝纤维化过程中发挥着重要作用[24]。最近的研究证实，脂肪细胞的分化和HSC的分化之间存在调节共性，而从成脂向成肌的转变是MTD的特征，这一转变的核心主要是成脂调节因子过氧化物酶体增殖物激活受体g(PPARg)表达的丧失，恢复PPARg和其他成脂转录基因的表达可以将HSC逆转为未分化细胞，并且使用DKK1阻断Wnt信号通路可恢复PPARg的表达和HSC的逆分化。综上，Wnt信号通路可以通过增强HSC的激活和转分化来促进肝纤维化的进展，调节PPARg的表达和HSC的转分化可以作为肝纤维化和肝脏再生的一个新的治疗方法[25]。此外，有研究表明，在啮齿动物的HSC和干细胞样细胞(TIC)中，硬脂酰辅酶A去饱和酶(SCD)的表达是升高的。SCD可以产生单不饱和脂肪酸(MUFA)，其有助于细胞生长、存活、分化、代谢和信号转导，并且SCD是产生活性棕榈油酸Wnt蛋白所必需的酶[26]。有文献报道，SCD可以通过稳定HSC和TIC中的LRP5和LRP6来增强Wnt信号通路的传导，从而促进肝纤维化的发生[26-27]，并且SCD的表达受Wnt/β-catenin信号调节，从而起到正反馈调节的作用。综上所述，Wnt信号通路在肝纤维化的发展中起着至关重要的作用，Wnt信号通路可以通过促进HSC的激活和转分化，以及促进HSC的SCD表达来影响肝纤维化的进展，而LRP5是Wnt信号通路的关键蛋白，将来可以通过调节LRP5的表达从而调控Wnt信号通路的状态来影响肝纤维化的进展[28]。

2.3 LRP5在肾纤维化中的作用

2.3.1 LRP5通过激活TGF-β/Smad信号通路在肾小管间质纤维化中的作用肾纤维化是一种慢性肾小管间质纤维化疾病，各类慢性肾脏病(CKD)进展到终末期肾衰竭时，最终都会发展为肾小管间质纤维化。肾小管间质纤维化是由各种致病因素引起的进行性肾损害，其主要的特征为正常肾单位被破坏、成纤维细胞和成肌纤维细胞过度增殖以及ECM的异常沉积[29]。在CKD的发病机制中，肾内肾素-血管紧张素系统(RAS)的异常活化与CKD的发展密切相关[30]，RAS中起主要作用的成分是血管紧张素Ⅱ受体(AngⅡ)。肾脏损伤后，AngⅡ分泌增多，它可以结合肾素/肾素受体(PRR)，触发细胞内信号转导、诱导转化生长因子β1(TGF-β1)和基质基因表达，进而引发肾纤维化[31]。最近有研究报道LRP5在肾纤维化中发挥确切的作用。在他们的研究中，观察到在1型和2型糖尿病以及阻塞性肾病模型中肾小管的LRP5是上调的，同时伴随着纤维蛋白成分在肾脏表达水平的增加[32-34]。为了进一步评估LRP5在肾纤维化中的作用，学者们使用LRP5敲除小鼠，在单侧输尿管阻塞的肾脏(UUO)模型中，他们发现LRP5敲除小鼠肾脏中的纤维蛋白成分的表达是显著降低的，这发现表明敲除LRP5显着改善了肾小管间质纤维化和肾小管损伤。令人意外的是，LRP5被称为Wnt/β-catenin通路的共受体，但在UUO模型中，敲除LRP5并没有显著改变Wnt/β-catenin信号通路的激活状态，这提示LRP5在肾脏中的促纤维化作用是独立于Wnt/β-catenin信号通路实现的。相反，在敲除LRP5的肾脏中检测到了与TGF-β/Smad信号通路相关的TGF-β1和TGF-β受体(TβRs)的水平是显著降低的，这与IPF中总TGF-β1水平降低是一致的[13，34]。以上结果表明敲除LRP5可显着减弱UUO诱导的TGF-β/Smad信号通路。这提示LRP5可以促进肾小管上皮细胞中的TGF-β/Smad信号传导。此外，他们还发现，LRP5与TGF-β受体Ⅰ和Ⅱ(TβRⅠ和TβRⅡ)存在相互作用，可以促进TβRⅠ/TβRⅡ异二聚体的形成，这是激活TGF-β/Smad信号通路的关键步骤[34]。综上所述，LRP5可以通过直接调节TGF-β/Smad信号来促进肾小管间质纤维化，这表明LRP5可以作为CKD进展的预后标志物，为CKD的进展提供新致病机制。

2.3.2 Wnt/β-catenin信号通路在肾间质纤维化中的作用Wnt信号通路广泛参与肾脏疾病的发生发展，尤其是在肾间质纤维化的发生中。有研究表明，在正常的肾脏中，Wnt/β-catenin信号通路是处于关闭状态的；当肾脏受到损伤后，Wnts和Fzd受体的表达上调，这导致β-catenin的大量积累，引发Wnt/β-catenin信号通路的异常激活[35]。在UUO模型小鼠中，Wnt/β-catenin信号通路相关蛋白FZD4、LRP5/6、β-catenin的基因表达与肾小管间质纤维化的程度呈正相关，而GSK-3β、Axin、APC、CK1与肾小管间质纤维化的程度呈负相关[33]。近年来有研究发现，Wnt/β-catenin信号通路的激活可引起RAS的多个基因表达上调，RAS基因为Wnt/β-catenin信号通路的下游基因，通过靶向阻断Wnt/β-catenin信号通路可抑制RAS基因的表达，从而改善肾纤维化[30]。LRP5是Wnt信号通路中的核心受体，对于Wnt/β-catenin信号通路的启动是必不可少的，由此可见，LRP5在肾纤维化的发生发展中起着重要作用。

2.4 LRP5在其他纤维化疾病中的作用有研究表明，LRP5基因突变可能会引起常染色体显性家族性渗出性玻璃体视网膜病变(FEVR)和常染色体显性家族性新血管炎性视网膜病变(VRNI)[36]。FEVR是一种遗传性的视网膜血管系统致盲性疾病，其主要病理过程是视网膜新生血管形成或视网膜血管分化的过早停止，常表现为周边部纤维血管增生和牵拉性视网膜脱离，进一步发展可致玻璃体纤维化。在FEVR患者中均发现了FZD4和LRP5基因的突变，FZD4和LRP5的突变和功能丧失是FEVR发生最常见的原因[37]。此外，在骨髓细胞中，骨髓间充质干细胞(BMSC)在组织修复中起重要作用，但是，如果用BMSC来治疗相关疾病可能会导致血管内皮生长因子(VEGF)和成纤维细胞的增加，进而促进骨髓纤维化的发生。有研究表明，使用Wnt通路相关抑制剂DKK1可以通过结合LRP5/6受体蛋白来阻断Wnt/β-catenin的信号，从而抑制BMSC所导致的纤维化的作用[38]。

3 结语

在已有的研究中，对于组织器官纤维化的发病机制尚未完全明确，组织器官纤维化的其发病率和死亡率仍较高，预后极差。在肺纤维化的临床治疗中，虽然已有抗纤维化药物，但只能改善轻、中度肺纤维化患者肺功能的下降，不能阻止或逆转肺纤维化的发生。目前有很多研究证实，Wnt/β-catenin信号通路是纤维化疾病发生中最重要的通路之一，而LRP5是Wnt信号通路中的核心受体，在纤维化疾病的发生发展中起着重要的作用。LRP5可以调节β-catenin的信号传导，从而影响纤维化疾病的发生发展，因此，LRP5作为Wnt/β-catenin信号通路的辅助受体，可能成为阻断Wnt/β-catenin信号通路治疗肺纤维化的新靶点，但是对于其具体的分子机制仍有待进一步研究。