Wnt信號通路

Wnt信號通路是一個複雜的蛋白質作用網路，其功能最常見於胚胎發育和癌症，但也參與成年動物的正常生理過程。

現在已鑑別出三種Wnt信號通路：經典Wnt通路（canonical Wnt pathway）、非經典Wnt/平面細胞極化通路（noncanonical Wnt/planar cell polarity pathway，PCP）和非經典Wnt/鈣離子通路（noncanonical Wnt/calcium pathway）。所有這三種Wnt信號通路都由Wnt蛋白配體與其受體捲曲受體的結合來活化，將信號傳給胞內的散亂蛋白。經典Wnt信號通路參與基因表達的調控，非經典平面細胞極化通路調控細胞骨架控制細胞形狀，非經典Wnt/鈣離子通路調控細胞內鈣離子的濃度。Wnt信號通路常用於臨近的細胞之間的通信（旁分泌）或同個細胞自身的通信（自分泌）。Wnt信號通路在動物中高度保守，從果蠅到人類都非常類似。

## 發現

Wnt得名於Wg (wingless) 與Int. wingless 基因最早在果蠅中被發現並作用於胚胎發育，以及成年動物的肢體形成 INT 基因最早在脊椎動物中發現，位於小鼠乳腺腫瘤病毒（MMTV）整合位點附近。Int-1 基因與 wingless 基因具有同源性。

果蠅中 wingless 基因突變可導致無翅畸形，而 小鼠乳腺腫瘤中MMTV複製並整合入基因組可導致一種或幾種Wnt基因合成增加。

## 機制

Wnt信號通路 包括許多可調控Wnt信號分子合成的蛋白質，它們與靶細胞上的受體相互作用，而靶細胞的生理反應則來源於細胞和胞外Wnt配體的相互作用。儘管反應的發生及強度因Wnt配體，細胞種類及機體自身而異，信號通路中某些成分，從線蟲到人類都具有很高的同源性。蛋白質的同源性提示多種各異的Wnt配體來源於各種生物的共同祖先。

經典Wnt通路描述當Wnt蛋白與細胞表面Frizzled受體家族結合後的一系列反應，包括Dishevelled受體家族蛋白質的激活及最終細胞核內β-catenin水平的變化。Dishevelled (Dsh) 是細胞膜相關Wnt受體複合物的關鍵成分，它與Wnt結合後被激活，並抑制下游蛋白質複合物，包括axin、GSK-3、與APC蛋白。axin/GSK-3/APC 複合體可促進細胞內信號分子β-catenin的降解。當「β-catenin 降解複合物」被抑制後，胞漿內的β-catenin得以穩定存在，部分 β-catenin進入細胞核與TCF/LEF轉錄因子家族作用並促進特定基因的表達。

非經典Wnt通路不涉及β-catenin。這類通路中的輔助受體不是LRP-5/6，而是NRH1, Ryk, PTK7 和 ROR2。當Wnt與Frizzled及輔助受體結合後，受體會招募Dsh，Dsh通過自身的PDZ和DIX結構域和散亂蛋白相關形態發生激活因子1（DAAM1）形成複合體。之後Damm1通過鳥嘌呤交換因子激活小G蛋白Rho。Rho會激活Rho相關激酶（ROCK），這種激酶是細胞骨架的一種主要調節因子。Dsh也和rac1形成複合體並介導前纖維蛋白（profilin）和肌動蛋白的結合。Rac1也通過激活JNK促進肌動蛋白的聚合。前纖維蛋白與肌動蛋白的結合可以引發細胞骨架的重組和原腸胚形成。

非經典Wnt/鈣離子通路也不涉及β-catenin。這一通路的作用是幫助調節內質網的鈣離子釋放，以控制細胞內的鈣離子濃度。和其他Wnt通路一樣，當有配體結合時，活化的Frizzled受體直接與Dsh互作並激活Dsh蛋白的特定結構域，包含PDZ和DEP結構域。與其他Wnt通路不同的是，Frizzled受體也直接和一種G蛋白三聚體作用。Dsh和G蛋白的共同興奮可以激活磷脂酶C或cGMP特異性磷酸二酯酶。如果磷脂酶C活化，細胞膜中的磷脂醯肌醇二磷酸會被酶切為甘油二酯和三磷酸肌醇。三磷酸肌醇和它在內質網上的受體結合，引發鈣離子釋放。鈣離子和甘油二酯的濃度升高會通過蛋白激酶C激活Cdc42。Cdc42是胚胎發育過程中腹側模式建立的重要調節因子。鈣離子濃度的升高也激活鈣調磷酸酶和鈣/鈣調素依賴性蛋白激酶II（CaMKII）。鈣調磷酸酶活化轉錄因子NFAT，NFAT調控細胞粘附，遷移和組織分離。CaMKII活化TAK1和NLK激酶，這兩種激酶可以阻礙經典Wnt通路中的TCF/β-Catenin信號。但是，如果磷酸二酯酶是激活的，會通過抑制蛋白激酶G抑制內質網釋放鈣離子。

## Wnt介導的細胞反應

經典Wnt信號通路介導的重要細胞反應包括：

胚胎發育

Wnt信號在胚胎發育中起著至關重要的作用。它存在於脊椎動物和無脊椎動物中，包括人類、青蛙、斑馬魚、秀麗隱杆線蟲、果蠅等。它首先在果蠅的節段極性中發現，它有助於建立前極和後極性。它與其他發展過程有關。正如它在果蠅中的功能所表明的那樣，它在體軸形成中起著關鍵作用，特別是前後軸和背腹軸的形成。它參與誘導細胞分化，以促進肺和卵巢等重要器官的形成。Wnt通過適當調節細胞增殖和遷移進一步確保這些組織的發育。Wnt信號轉導功能可分為軸模式化、細胞命運規律、細胞增殖和細胞遷移。

體軸形成

在早期胚胎發育中，主要身體軸的形成是建立生物體整體身體計劃的關鍵步驟。軸包括前後軸、背腹軸和左右軸。Wnt 信號轉導與前後軸和背腹軸 （DV）軸的形成有關。在哺乳動物、魚類和青蛙中可以看到前後發育中的 Wnt 信號轉導活性。在哺乳動物中，原始條紋和其他周圍組織產生形態發生化合物 Wnts、BMPs、FGFs、Nodal 和視黃酸，以在胃晚期建立後部區域。這些蛋白質形成濃度梯度。最高濃度的區域表示後部區域，而最低濃度區域表示前部區域。在魚類和青蛙中，由經典 Wnt 信號轉導產生的β連環蛋白導致組織中心的形成，這些組織中心與 BMP 一起引發後部形成。Wnt 參與 DV 軸形成可以在 Spemann 組織者的形成活動中看到，它建立了背側區域。典型的 Wnt 信號轉導β連環蛋白的產生通過激活雙胞胎和 siamois 基因誘導該組織者的形成。同樣，在禽類原腸胚形成中，科勒鐮狀細胞表達不同的中胚層標記基因，這些基因允許細胞在原始條紋形成過程中進行不同的運動。由 FGF 激活的 Wnt 信號是這種運動的原因。

Wnt 信號轉導還參與發育後期特定身體部位和器官系統的軸形成。在脊椎動物中，shh和 Wnt 形態發生信號梯度在神經管軸向模式化過程中建立中樞神經系統的背腹軸。高 Wnt 信號轉導建立背側區域，而高 Shh 信號轉導指示腹側區域。Wnt 通過參與軸突引導參與中樞神經系統的 DV 形成。Wnt 蛋白在前後方向引導脊髓軸突。Wnt 還參與肢體 DV 軸的形成。具體來說，Wnt7a有助於產生發育中肢體的背側圖案。

在胚胎分化波發育模型中，Wnt作為準備分化的感受態細胞中的信號複合物的一部分起著關鍵作用。Wnt對細胞骨架的活動做出反應，穩定由收縮或膨脹波產生的初始變化，同時通過使用其不同的信號通路向細胞核發出信號，表明單個細胞參與了哪個波。因此，Wnt活性放大了發育過程中發生的機械信號。

細胞命運調控

細胞命運調控或細胞分化是未分化細胞可以成為更特化的細胞類型的過程。Wnt 信號轉導誘導多能幹細胞分化為中胚層和內胚層祖細胞。這些祖細胞進一步分化為細胞類型，例如內皮細胞、心臟細胞和血管平滑肌譜系。Wnt信號誘導幹細胞造血。具體來說，Wnt3 導致具有造血潛力的中胚層承諾細胞。Wnt1 拮抗神經分化，是神經幹細胞自我更新的主要因素。這允許神經系統細胞再生，這進一步證明了在促進神經幹細胞增殖方面的作用。Wnt 信號轉導參與生殖細胞測定、腸道組織規範、毛囊發育、肺組織發育、軀幹神經嵴細胞分化、腎單位發育、卵巢發育和性別決定。Wnt信號還拮抗心臟形成，Wnt抑制被證明是發育過程中心臟組織的關鍵誘導劑，和小分子Wnt抑制劑通常用於從多能幹細胞產生心肌細胞。

細胞增殖

為了使形成不同生物體的特定細胞組織所需的細胞大規模分化，必須進行胚胎幹細胞的增殖和生長。該過程通過經典的 Wnt 信號傳導介導，其增加細胞核和細胞質β-連環蛋白。增加的β-連環蛋白可以啟動細胞周期蛋白 D1 和 c-myc 等蛋白質的轉錄激活，這些蛋白質控制細胞周期中的 G1 到 S 相變。進入 S 期會導致 DNA 複製並最終導致有絲分裂，這是細胞增殖的原因。這種增殖的增加與細胞分化直接相關，因為隨著幹細胞的增殖，它們也會分化。這允許在胚胎發育過程中特定組織系統的整體生長和發育。這在循環系統等系統中很明顯，其中 Wnt3a 導致紅細胞形成所需的造血幹細胞的增殖和擴增。

癌症幹細胞的生物化學與其他腫瘤細胞的生物化學有細微的不同。這些所謂的Wnt成癮細胞劫持並依賴Wnt通路的持續刺激來促進其不受控制的生長，存活和遷移。在癌症中，Wnt信號轉導可以通過下游癌基因和腫瘤抑制基因的突變變得獨立於常規刺激，即使正常受體尚未接收到信號，這些基因和抑癌基因也會被永久激活。β-連環蛋白與轉錄因子（如蛋白質 TCF4）結合，這些分子結合激活必要的基因。LF3在體外、細胞系中強烈抑制這種結合，並減少小鼠模型中的腫瘤生長。它阻止了複製並降低了它們的遷移能力，所有這些都不會影響健康的細胞。治療後沒有癌症幹細胞殘留。這一發現是「合理藥物設計」的產物，涉及AlphaScreens和ELISA技術。

細胞遷移

胚胎發育過程中的細胞遷移允許建立身體軸、組織形成、肢體誘導和其他幾個過程。Wnt 信號轉導有助於介導這一過程，尤其是在收斂擴展期間。在原腸胚形成過程中，需要來自 Wnt PCP 通路和典型 Wnt 通路的信號轉導才能進行適當的收斂延伸。收斂延伸受 Wnt/鈣通路的進一步調節，該通路在激活時會阻斷收斂延伸。Wnt 信號轉導還通過控制神經母細胞、神經嵴細胞、肌細胞和氣管細胞的遷移行為，在發育的後期誘導細胞遷移。

Wnt 信號轉導參與另一個稱為上皮-間充質轉化 （EMT）的關鍵遷移過程。這個過程允許上皮細胞轉化為間充質細胞，使它們不再被固定在層粘連蛋白上。它涉及鈣粘蛋白下調，以便細胞可以從層粘連蛋白中分離並遷移。Wnt 信號轉導是 EMT 的誘導劑，尤其是在乳腺發育中。

胰島素敏感性

胰島素是一種肽類激素，參與某些生物體內的葡萄糖穩態。具體來說，它導致細胞膜中葡萄糖轉運蛋白的上調，以增加血液中葡萄糖的攝取。該過程部分由Wnt/β-catenin信號傳導的激活介導，這可以增加細胞的胰島素敏感性。特別是，Wnt10b 是一種 Wnt 蛋白，可增加骨骼肌細胞的這種敏感性。

## 外部連結

- very detailed Wnt site from Nusse Lab, Stanford
- Drosophila Wnt pathway from KEGG
- mouse Wnt pathway from KEGG
- humanα Wnt pathway from KEGG
- Wnt+Proteins