Hedgehog信号通路

Hedgehog信号通路在哺乳动物生殖系统中的作用

1. Hedgehog信号通路

Nusslein-Volhard 和Wieschaus在对果蝇进行影响幼虫表皮层图式形成的突变体筛选时发现了 hedgehog基因(hh)，果蝇和其他动物一样身体分成多个节段，幼虫的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，所以被戏称为“刺猬”基因，随后 Hedgehog信号通路的组成成分和具体途径在果蝇中被确定。果蝇 Hedgehog信号通路中的组成成分(主要包括hh、 ptch和Gli 家族转录因子ci)及其功能被高度保守和复杂化的存在于哺乳动物中。果蝇只有一个hh基因，哺乳动物中发现其同源基因有3个，分别为Sonic hedgehog(Shh)、Indian hedgehog (Ihh) 和 Desert hedgehog (Dhh)，研究较多的是 Shh，因其在哺乳动物中作用最为广泛[2]。经典的哺乳动物Hedgehog信号通路是由 Hh配体、跨膜蛋白质受体 Patched(Ptch1 和Ptch2) 和Smoothened(Smo)组成的受体复合物、下游转录因子Gli蛋白(Gli-1 、

Gli-2、Gli-3)组成以及最近被克隆和阐述的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶Fuesd(Fu) 和Fu 抑制剂(SuFu)的脊椎动物同源物。

Hh蛋白家族成员是一类具有自我剪切功能的分泌性信号蛋白，均由氨基端 (Hh-N)和羧基端(Hh-C)两个结构域组成，其中Hh-N具有Hh蛋白的信号活性，而 Hh-C则具有自身蛋白水解酶活性和胆固醇转移酶功能。Shh Ihh和Dhh的共同

点是由这三种基因编码而成的信号都激动同样一条信号级联放大通路。Hh编码

的前体蛋白合成后并无生物学活性，只有前体蛋白C末端的一部分氨基酸自身磷酸化切除了 C末端后，剩下的N末端片段再经双重脂质修饰后才有活性，这可能与Hh蛋白在细胞内的极性分布有关，并可能影响到它与受体的结合。修饰后的 Hh配体在类似于转运子功能的跨膜蛋白Dispatched(Disp)的帮助下，从胞内释

放出来，具有短距离和长距离信号传递功能特点，不仅影响紧邻其分泌细胞的效

应细胞的基因表达，而且还可作用于距离其分泌细胞较远的效应细胞膜上的两种受体：Ptch和Smo

受体Ptch由肿瘤抑制基因Patched编码，由12个疏水跨膜区和两个较大的胞外环状结构构成的单一肽链构成，能与配体直接结合，对Hedgehog信号通路

起负调控作用。在哺乳动物中，Ptch受体有两种：Ptch1和Ptch2，均在Hh效应细

胞中表达。Ptchi受Hedgehog信号通路调节，但Ptch2转录不受其调节。受体Smo

由原癌基因Smoothened编码，与G蛋白偶联受体同源，是由7个跨膜区单一肽链构成的跨膜蛋白，N端位于细胞外，C端位于细胞内，Smc是 Hedgehog 信号传递所必须的受体，在整个信号转导通路中起“枢纽”的作用，当其发生功能获得性突变(非配体依赖性激活)或Hh解除了 Ptch对其的抑制作用(配体依赖性激活)时，会引起这个信号通路的活化。目前，有关Ptch和Smo的作用机制存在四种解释：

(1)Ptch通过下游信号抑制Smo Hh蛋白与Ptch结合后通过构象改变减轻了对 Smo的抑制，使之可以调控下游信号分子；

⑵(2)假设Hh是通过引起Ptch/Smo复合物分裂来激活Smo

⑶(3)Ptch通过一种可播散的媒介来抑制 Smo Hh结合到Ptch后改变了媒介的活性，使Smo激活；

⑷⑷Ptch 通过一种小分子物质催化来抑制 Smo Hh结合Ptch后，Smo与 Ptch 和小分子物质分离从而被激活。总的来说，在不存在 Hh配体的状态下，Ptch与 Smo形成复合体,Smo的活性被Ptch抑制，下游的信号转导处于抑制状态； Hh 配体存在时，Ptch与Hh配体结合，从而解除Ptch对Smo的抑制，弓I起Hedgehog 信号通路的激活［10］。

在哺乳动物中，Hedgehog信号通路末端的胞内信号分子为 Gli基因家族，其成员是分子量较大的多功能转录因子(1 000个氨基酸以上)，属于C2H2型锌指结构蛋白。目前已鉴定出3个成员，分别为Gli1、Gli2和Gli3，他们的结构与功能有所不同，转录调控过程比较复杂，是Hedgehog信号通路不同水平激活的最后共同通道，可直接调控下游靶基因的转录和表达［11］。这三种Gli蛋白均含有高度保守的形成锌指结构域的 DNA结合区和C末端的激活区，但只有Gli2和 Gli3具有N末端的抑制区。目前研究认为Gli1是一种具有很强活性的转录激活因子［12,13］，这可能与Gli1不含有N末端的抑制区及不会被蛋白酶水解等有关。 Gli3主要是转录抑制因子；Gli2兼有转录激活与抑制的双重功能，但主要以转录激活因子形式存在,其转录激活功能比Gli3强，但比Gli1弱；由于Gli2和 Gli3含有N末端的抑制区，只有将N末端蛋白酶解掉或使之发生磷酸化修饰后，才会产生转录激活形式的 Gli2、Gli3蛋白［14,15］。因此，在三种转录因子中

Glil是一种直接的转录激活因子，其激活调控发生在转录水平；而Gli2和Gli3 则是潜在的转录激活因子，故 GlilmRNA的表达水平是反映Hedgehog信号通路活性的一

个可靠指标。Hedgehog信号传导直接影响Gli蛋白的命运。目前发现参与Hedgehog 信号转导的核内因子主要包括转录因子 Ci/Gli、Fu、SuFu类运动蛋白Costal-

2(Cos2)、蛋白激酶 A(PKA)等,其中Ci/Gli、Fu起正调控作用， Cos2、PKA起负调控作用。实验证明，在缺少配体时，Gli通过与Cos2、Fu、SuFu 形成一个大的蛋白复合物，并同时与 Sm(和微管组织结合，Gli蛋白经蛋白酶剪切，C端片段转运到细胞核内，执行转录抑制子功能；配体存在时，配体与 Ptch 结合，G蛋白偶联的受体激酶2(GRK2)使 Smo的C末端发生磷酸化，从而解除了对Smo的抑制，Gli从大的复合物中释放出来，只有维持全长的 Gli转移到细胞核内，才能启动下游靶基因的转录(见图1)。

总之，在Hedgehog信号通路中，Hh配体是该信号通路的起点，而 Gli蛋白作为转录因子是该信号通路的终点；Hh配体与Smo g白作为激动因子，受体Ptch作为抑制因子，调控着该信号通路的活性。

图X I｛前甜h昭们号通貉在修惟动物中的传导途栓

2 Hedgehog信号通路在生殖系统中的作用

从果蝇到人类，Hedgehog信号通路广泛存在并高度保守，主要存在于肺、

前列腺、胰腺、睾丸、视网膜、肾、味乳头、牙齿、骨骼等多种器官，在多种动物门系的发展中起着至关重要的作用。早期研究认为Hedgehog信号通路与机体内许多器官、组织的发生、生长发育以及一些先天性畸形有关；目前研究发现，在哺乳动物胚胎发育和组织发生过程中，三种Hh配体及其下游的相关分子共同影响着细胞的多种生理过程，可调控细胞生长、细胞存活、细胞命运等哺乳动物几乎所有模式形成过程中的各个方面，这是因为细胞对Hedgehog信号通路的响应依赖于不同细胞种类、不