2016, Vol. 30
2. 滨州市中心医院耳鼻咽喉科, 山东 滨州 251700;
3. 山西医科大学第二医院耳鼻咽喉头颈外科, 山西 太原 030001
2. Department of Otolaryngology, Binzhou Central Hospital, Binzhou 251700, Shandong, China;
3. Department of Otolaryngology, Second Hospital of Shanxi Medical University, Taiyuan 030001, Shanxi, China
纤毛是以微管为结构基础的细胞器，广泛分布于人体消化道、生殖道、呼吸道等黏膜的表面。从纤毛的横切面可以看到，微管的排列呈9X2+2型，即9组由A、B管组成的二联微管排列周围，中央为一对微管，称为中央微管，外周二联微管中的A管伸出辐条结构与中央微管连接，此外，A管上伸出的外动力臂、内动力臂与纤毛的运动功能密切相关[1]。人体内的纤毛分为运动纤毛与初级纤毛，运动纤毛多具有运动功能，如呼吸道、脑室、输卵管等上皮分布的纤毛；初级纤毛具有感受各种外界刺激、配体等作用。纤毛的相应的功能与纤毛的结构密切相关，其中纤毛长度的恒定被认为是内环境稳态的表现，不同类型的细胞纤毛长度不同，从几个微米到几个毫米不等[2]，同种类型的纤毛长度也存在一定的差异，如鼻腔中下鼻甲纤毛最长，中上部次之，鼻腔最上部无纤毛分布[3]。纤毛的内部结构并非均一分布的，不同的长度区域存在不同的蛋白分布，此种极性分布与长度密切相关，长度的异常必然导致极性的紊乱，从而影响纤毛的结构与功能，导致相应疾病的发生[4]。目前研究较多的纤毛相关疾病中，如多囊肾病、巴德-毕氏综合征、慢性鼻炎、鼻窦炎等患者中，纤毛长度均出现明显的异常，PKD患者肾脏上皮纤毛明显短于正常人的纤毛，而BBS患者的原生纤毛长度长于正常值[5]。扫描电镜下观察鼻炎患者由于长期炎症刺激鼻黏膜可出现短纤毛、微绒毛增多[6]，故纤毛长度调控也成为纤毛疾病研究的热点之一，本文集中对纤毛长度的信号调节的研究进展进行综述。
1 NF-κB信号通路对纤毛长度的调节转录因子NF-κB家族包括NF-κB1(P50)、NF-κB2(p520)、REL、REL-A和REL-B。以上这些蛋白质二聚化后可形成有功能的NF-κB。但因其与细胞质中的抑制因子(IkBa、IkBβ、IkBε)的其中一个结合，故通常状态下不具有活性，多种信号通过降解IkBs，使NF-κB与抑制因子解离，后NF-κB活化入核，诱导靶基因转录。其中炎症因子TNF-α、IL-β等都可通过此种通路激活NF-κB[7]。近年来有关早产儿脑积水的研究显示，早产儿在炎性环境下NF-κB信号通路被激活，使脑室内的室管膜细胞表面的纤毛形成受阻，导致纤毛长度变短。室管膜上纤毛的功能及结构是否正常在脑脊液循环中发挥重要作用[8]。当纤毛形成受阻时导致纤毛长度异常，纤毛驱动脑脊液循环发生障碍，进而出现脑积水的表型。笔者参与的研究团队对鼻纤毛的研究表明，变应性鼻炎时NF-κB表达水平升髙,或短纤毛的出现增多与此相关[9, 10]。
2 Wnt信号通路对纤毛长度的调节Wnt信号通路在正常胚胎发育过程中起到重要作用，是一条高度保守的信号通路。在Wnt经典通路中，糖原合成酶激酶3β(Gsk-3β)可以调节β连环蛋白磷酸化，下调β-catennin，这便阻止了β-catenin的核内沉积[11]。通过用氯化物和锂抑制Gsk-3β可导致了衣藻的纤毛长度改变，出现纤毛变长的表型，也可使哺乳动物的细胞和组织的纤毛变长[12]。Caron等[13]研究发现：Wnt/β-catenin信号通路可直接调节纤毛生成相关的转录因子foxj1a的表达，从而调节纤毛的形成，抑制Wnt/β-catenin信号通路，出现纤毛变短、变少；同时，非经典的Wnt信号通路PCP(平面极细胞通路the planar cell polarity pathway)，此通路参与细胞骨架的重排，该通路相关基因与巴德-毕氏综合征(Bardet-Biedlsyndrome，BBS)蛋白复合体中几个纤毛相关蛋白有遗传互作现象，另外的研究发现，爪蟾Int和Fy蛋白缺失会抑制纤毛正常生长[14]。该通路的aPKC、par3、par6等信号分子位于纤毛的基底部，亦参与调节纤毛的发生[15]。
3 Shh信号通路对纤毛长度的调节Shh(Sonic Hedgehog)信号通路是Hh(Hedgehog)信号蛋白家族成员，Hh是英文“刺猬”(hedgehog)简写而来的，这类基因是最早被遗传学家纽斯兰－沃哈德维西毫斯在果蝇体内发现，后在其他生物中发现另外两个Hh基因—IHh、DHh,第一个被发现的基因被称作Shh。Hh之所以被称作“刺猬”基因，是由于果蝇身体分成多个节段，每个节段内一部分有毛、一部分无毛，Hh基因突变使无毛部分变成有毛部分，所以被称为“刺猬”。另外两个为Indian Hedgehog(IHH)和Desert Hedgehog(DHH)，分别编码Ihh和Dhh蛋白，Shh信号转导的受体为Patched(Ptch)和Smoothened(Smo)，其中Ptch起到抑制性作用，而Smo则是该信号通路正向激活因子，Shh一Patched一Smoothened信号通路在胚胎的发生以及正常发育过程中起了重要的作用。Shh受体蛋白 PTCH1位于纤毛膜上[16]，Shh信号通路转导相关的Gli转录因子位于纤毛的顶端。可以影响Shh信号通路的较多蛋白质对纤毛发生及纤毛长度的调节起到重要的作用。IFT-A 、Ift144基因的异常可导致IFT-A的缺失可下调Shh信号通路，从而影响纤毛的发生[17]。
4 Notch信号通路对纤毛长度的调节Notch信号通路在进化上高度保守，广泛的参与调节细胞、组织、器官的分化和发育，近年来，发现其与纤毛形成和纤毛长度的调节有关，Notch信号通路对纤毛形成和纤毛长度的调节是通过对中心粒的调控实现的。有研究表明，非洲爪蟾属的胚胎表皮细胞内，Notch信号通路被小干扰RNA抑制后可促进中心粒的复制，从而使细胞纤毛增多成为多纤毛细胞[18]。另外，抑制石斑鱼的Kupffer囊泡的Notch信号通路，可出现短纤毛，Notch信号通路的过度活动可以导致纤毛变长[19]。
5 ERK信号通路对纤毛长度的调节胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)是丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases，MAPKs)家族的一员，涉及调节细胞生长、发育及分裂的信号网络的核心，是发现的第1个MAPK。ERK信号级联反应能够特异地介导广泛的生物学过程，主要是通过信号的反馈调控机制,与支架蛋白的相互作用，亚细胞定位的改变等来实现的[20]。Shaldla等[21]研究发现，ERK可通过激活PKC和cAMP等第二信使来发挥其调节纤毛长度的作用。人们发现生长因子与NIH3T3的纤毛上存在有PDGF受体,结合后,激活MAPK信号途径，在细胞分裂时,参与纤毛形成的IFT驱动蛋白的亚基KAP迁移到细胞核中，从而调节纤毛的形成。
6 FGF信号通路对纤毛长度的调节成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)家族是一类具有23个成员的多肽类生长因子，在胚胎发育、细胞分化、凋亡及促进上皮修复、伤口愈合等多个方面发挥着重要作用。其中，FGF-10作为其中一员，是最近研究较多的一类成纤维细胞生长因子[22]。FGF-10可以被ISL1、TGFB、SP1等因子激活，与HS(硫酸乙酰肝素)结合后作用于受体FGFR2，发挥其在内耳、肺形态的调控作用，有研究表明，FGF10可调控内耳及肺纤毛的长度。Neugebauer等[23]研究发现，通过应用SU5402(FGF受体抑制剂)抑制FGFR1表达使其下游因子rfk2和Foxjl表达降低，最终出现纤毛长度变短的表型，我们参与的前期研究发现鼻黏膜上皮纤毛细胞上亦有FGF10的表达，提示FGF10对鼻纤毛的长度或有调节作用[9, 10]。
7 第二信使对纤毛长度的调节调节纤毛长度信号较多，大多通过共同的第二信使启动下游的因子从而起到相应的作用，cAMP、PKA、PKC、MAPK等第二信使对纤毛长度均有调节作用。cAMP含量增加时，纤毛长度增长[24, 25]。激活PKA及PKC时纤毛的长度亦变长，抑制MAPK的活性时纤毛的长度变短。而PKA的激活能显著的提高cAMP的含量，提示在调节纤毛长度方面两者有协同作用；但PKC的活化并不能提高cAMP的含量，抑制PKC及MAPK的含量都可导致纤毛长度变短，但两者都不能使cAMP的含量升高，提示PKC及MAPK为纤毛调节的下游因子，或通过与cAMP信号不同的另外的信号途径[26]；另有研究表明,MAPK亦可通过PP-I来调节丝切蛋白的活性，而丝切蛋白可以调节肌动蛋白的解聚，从而对纤毛的长度进行调节[27, 28]，推测MAPK通过PP-I途径来实现对纤毛的调控。PKC可以激活MAPK，MAPK激活PP-I，PP-1为丝氨酸/苏氨酸磷酸酶，与肌动蛋白的重组有关。丝切蛋白作为肌动蛋白相关蛋白，与肌动蛋白的重组有关，作为PP-I的底物，丝切蛋白易被招募到肌动蛋白的边缘，从而导致纤维的重组调节纤毛长度。研究表明：PKC可以与多种PDES相互作用并且激活，PDES可以分解cAMP，从而降低其含量[29]，所以我们推测在调节纤毛长度方面，PKA/PDE/cAMP是一个次级的信号通路，而PKC/MAPK/PP-I是主要的信号通路，对纤毛形成的信号调节可以总结为：多种信号通路可以通过PKC/MAPK/PP-I/丝切蛋白来调节纤毛长度，也可通过cAMP/PKA/MAPK/PP-I/丝切蛋白来调节纤毛长度。
随着对纤毛结构、功能及相关疾病了解的深入，越来越多的研究者开始关注纤毛长度的调控在治疗纤毛相关疾病中的作用。根据目前的研究，我们或许可以通过干预NF-κB、Wnt、Shh、Notch、ERK、FGF、第二信使等信号途径来实现对纤毛长度的调节，从而达到治疗疾病的目的。但尚有许多具体的调节机制不明确，需要我们更进一步的研究。目前关于纤毛方面研究多在气管、肾脏等其他器官组织上完成，关于鼻黏膜的纤毛长度信号调节方面的研究较欠缺，这可成为我们进一步的研究方向。
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