陳奕嘉，李金燕，歐陽帥，羅莉霞

0引言

細胞極性(cell polarity)是指細胞中的亞細胞(subcellular)結構或者分子沿著某個或某幾個軸向呈不對稱分布，包括頂端-基底極性(apico-basal polarity，ABP)和平面細胞極性(planar cell polarity，PCP)[1-2]。晶狀體發(fā)育早期，胚胎細胞不同的分化命運賦予了晶狀體特殊的“細胞極性”，這種細胞極性在晶狀體的發(fā)育過程中起到了重要的作用。在晶狀體發(fā)育過程中，PCP的形成是決定晶狀體正常形態(tài)和透明度的關鍵環(huán)節(jié)，其對晶狀體上皮細胞的延長和纖維細胞的規(guī)律排列起重要作用[3]。本文結合目前該領域研究進展就PCP在維持晶狀體的正常發(fā)育中的作用進行詳細綜述。

1 PCP的建立

PCP指極性細胞在同一組織平面上統(tǒng)一的規(guī)則排列，其方向與ABP方向垂直[2]。PCP主要由兩個分子系統(tǒng)調控，包括“核心(core)”和“Fat-Dachsous(Ft-Ds)”PCP通路[4]。近幾年來，普遍認為PCP的建立由三個部分組成：(1)整體的極性信號；(2)特異性極性蛋白的不對稱分布；(3)極性信息的輸出[4-5]。最新的一項假設提出，與ABP僅涉及單個細胞內分子的分布調控不同，PCP通路導致細胞內的分子不對稱分布，結果進一步影響相鄰細胞的極性方向，從而使多個細胞間極性方向一致[6]。

1.1 PCP成分的不對稱性PCP成分的不對稱分布是建立PCP的基礎。PCP成分的不對稱性一旦消失或隨機排列，可使細胞極性紊亂、細胞結構沿組織軸錯位[7]。這種不對稱分布在脊椎動物的器官發(fā)生過程中表現(xiàn)并不總是那么明顯，但在個別器官如腎臟中仍然可以觀察到[8-9]。

“核心”PCP通路由多通道跨膜蛋白Frizzled(Fz)、Van Gogh(Vang；脊椎動物中為Vang-like/Vangl)和Starry night(Flamingo/Fmi；脊椎動物中為Celsr)以及胞質成分Dishevelled(Dsh；哺乳動物中為Dvl)、Diego(Dgo；脊椎動物中為Inversin/Diversin)和Prickle(Pk)組成，它們的分布呈高度保守，即細胞的一側分布Fz、Dsh和Dgo，另一側分布Vang和Pk[10-12]，F(xiàn)mi位于細胞兩側，并在相鄰細胞之間形成二聚體連接Fz和Vang[13]。眾所周知，極性蛋白的不對稱分布是細胞極性形成的必要條件。在細胞中，上述蛋白質分別組合為Fz-Dsh-Fmi和Vang-Pk-Fmi兩種復合體，呈不對稱分布。這種不對稱分布依賴于它們在細胞內的相互排斥以及在細胞間的相互作用[14]。

Ft-Ds通路的成分包括鈣粘蛋白Fat(Ft)和Dachsous(Ds)以及高爾基體固有跨膜激酶Four-jointed(Fj)[15]。Ft和Ds分別聚集在細胞的對立兩側，也呈不對稱分布。與Wnt/PCP系統(tǒng)不同的是，Ds和Fj在果蠅翅膀上的分布呈相反的濃度梯度，F(xiàn)j在翅原基(wing disc)濃度最高，并隨徑向距離線性減少，而Ds的分布濃度隨成形素(morphogen)濃度變化而變化，但始終在翅膀最狹窄的部位保持最高濃度[16]。

1.2整體極性信號整體的極性信號是形成PCP的前提，但它們的性質以及在組織中如何協(xié)調極性等關鍵問題一直尚未解決[5，17]。有證據(jù)表明，組織中的機械力以及細胞重排可引起細胞沿組織軸規(guī)則排列[18-19]。此外，極性信號分子濃度梯度的形成在提供極性信號方面也起著關鍵作用[5，20]。

目前認為，Wnt蛋白家族為其中一種整體極性信號分子，但仍有很多尚未解決的問題。Wnt蛋白家族與Fz家族受體(以及其他受體)結合，使膜受體Fz形成活性梯度，為PCP提供方向信息[21]?，F(xiàn)已證實，Wnt5a、Wnt7a和Wnt11可以調控脊椎動物的PCP[22-23]，但這一過程是否具有必要性尚不清楚。最新研究表明，在同一水平面上，Wnt5a沿前-后極形成從低到高的濃度梯度，可使細胞極化，從而引導細胞內PCP蛋白的極性分布[24]。

Ft-Ds-Fj和核心PCP信號是平行關系還是上下游關系一直存在爭議[25-26]。研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動物中Dchs1和Fat4的同源基因都可以影響PCP通路[27]，人類Fat4甚至可以挽救因果蠅Ft突變產生的PCP異常表型[28]。以上觀點表明，F(xiàn)t-Ds-Fj也為PCP提供了整體的極性信號。但最新研究表明，在果蠅腹部雖然發(fā)現(xiàn)Ft-Ds-Fj和核心PCP通路之間存在共同調控基因，但這兩個通路是互相獨立的，不存在上下游關系[29]。

1.3極性信息的輸出通常細胞的信號輸出需要依靠核糖核酸(ribonucleic acid，RNA)的轉錄，但目前尚未發(fā)現(xiàn)PCP信號的效應依賴于轉錄過程。目前研究認為，極性信息可通過對細胞骨架動力和頂端肌動球蛋白收縮力的調控、驅動細胞運動從而產生效應。

Wnt蛋白家族至少可以通過兩條途徑來激活下游效應分子(包括小G蛋白、Rac、Rho、JNK等)，從而調動骨架蛋白。Wnt配體與細胞表面的Fzd受體結合后，Dvl被招募到細胞膜[30]。隨后，Dvl繼續(xù)招募細胞質蛋白(如Daam)，這些蛋白促進GTPases的激活，并通過Rho激酶(ROCK)使得肌球蛋白輕鏈(pMLC)激活肌球蛋白，使肌球蛋白相關的粘著連接沿著一定方向開始收縮，引起細胞的定向運動[31]。此外，在Wnt5a誘導下，F(xiàn)zd與Ror2形成復合物，Dvl2磷酸化并聚合，隨后激活JNK磷酸化關鍵肌動蛋白調節(jié)因子，從而引起細胞的定向運動[32-33]。

然而，F(xiàn)t-Ds-Fj究竟是如何建立極性，目前尚不清楚。有研究認為，F(xiàn)t可通過調控非經典肌球蛋白Dachs的膜定位而建立極性[34]。此外，F(xiàn)t還可以和Atrophin結合，共同調節(jié)微管組織中心的平面排列，使極化細胞定向遷移[35-36]。

2 PCP在晶狀體發(fā)育中的作用

現(xiàn)已證實，PCP在晶狀體發(fā)育中起重要作用[37]。研究表明，在無脊椎動物和脊椎動物中，中心粒/纖毛的不對稱分布是PCP通路在晶狀體生長發(fā)育中起作用的有力證據(jù)[38]。晶狀體的發(fā)育分為晶狀體泡的產生和晶狀體纖維的分化兩個階段。其中，晶狀體細胞形態(tài)的分化依賴肌動蛋白、微管等多種細胞骨架成分的參與[39]。在脊椎動物中，盡管Ft-Ds-Fj在某些器官(如腎臟)形態(tài)形成方面起作用，但其在PCP過程中是否真正發(fā)揮作用的證據(jù)相當有限[40-41]，尚需進一步探索。

2.1晶狀體泡的形成從胚胎第22d開始，小鼠間腦前部兩側的神經褶不斷內陷形成視泡(optic vesicle)；胚胎第31d左右，視泡與表皮外胚層接觸，接觸部位的表皮外胚層增厚形成晶狀體板(lens placode)；隨后晶狀體板內陷，形成晶狀體杯(lens pit)，并逐漸脫離表皮外胚層；胚胎第33d，晶狀體杯完全脫離表皮外胚層，形成晶狀體泡(lens vesicle)[37，42]。晶狀體板內陷的分子機制已經有了不少相關研究。在晶狀體杯中發(fā)現(xiàn)了細胞粘著連接復合物(adherence junction complexes，AJC)，其由參與肌動球蛋白收縮的分子RhoA、Rock、Shroom3和p120-catenin組成，上述分子與肌動球蛋白和鈣粘蛋白連接，通過磷酸化并激活非肌球蛋白，導致頂端細胞間的連接長度減少，最終引起晶狀體杯頂端收縮(apical constriction)。另外，AJC在晶狀體杯中呈平面極性分布[43]，與晶狀體基板的形態(tài)發(fā)生有關。Muccioli等[44]發(fā)現(xiàn)在晶狀體板開始內陷時，基板細胞極性方向一致，統(tǒng)一朝向晶狀體板的中心點，共同拮抗Cdc42介導的連接收縮(junctional contraction)。

2.2晶狀體纖維細胞的分化晶狀體泡形成后，前部細胞逐漸分化為晶狀體上皮細胞。后部上皮細胞向前部伸長，分化成初級晶狀體纖維，從而逐漸將晶狀體泡填滿[45]。在出生后的晶狀體中，只有在赤道部生發(fā)區(qū)的上皮細胞才有增殖和分化能力，這些細胞可以不斷增殖并分化成次級晶狀體纖維[42]。成熟晶狀體的前部覆蓋著一層單層上皮細胞，其余部位均分布不同分化階段的纖維細胞。次級晶狀體纖維在伸長和分化過程中，逐漸失去所有細胞器，形成高度對稱的細胞結構[46]。

晶狀體上皮細胞的正常形態(tài)是其分化為晶狀體纖維細胞的基本前提條件。同時，上皮細胞在維持晶狀體形態(tài)和透明度中也起關鍵作用。有研究發(fā)現(xiàn)，在Sfrp2過表達小鼠的晶狀體中，呈六邊形的正常中央上皮細胞減少，方形或三角形排列的上皮細胞增多。Smurf可以調節(jié)核心PCP通路，其中Smurf2在調節(jié)PCP方面的作用更為顯著[47]。Narimatsu等[48]發(fā)現(xiàn)Smurf2敲除后，小鼠出現(xiàn)一系列PCP缺陷的現(xiàn)象，包括上皮細胞六邊形形態(tài)的破壞。最新研究表明，F(xiàn)mi對于上皮細胞正常形態(tài)的形成也是必不可少的[49]。此外，Chauhan等[50]發(fā)現(xiàn)，PCP通路效應分子Rac1和RhoA的相互拮抗作用決定了小鼠晶狀體發(fā)育模型中上皮細胞的形狀和晶狀體曲率，RhoA和Rac1分別平衡調節(jié)細胞的寬度和長度，共同決定了晶狀體上皮細胞的形態(tài)。

晶狀體上皮細胞分化為纖維細胞的過程由許多生長因子誘導，其中成纖維細胞生長因子(FGF)是關鍵的誘導因子，其在整個生命過程中負責建立并維持晶狀體的細胞極性[51-52]。FGF主要通過與特定的細胞表面受體酪氨酸激酶(RTK)結合而發(fā)揮作用。Sef、Sprouty(Spry)和Spred都是關鍵的RTK拮抗劑，因此可作為FGF的抑制劑[53]。研究指出，Sef、Spry和Spred可通過影響FGF信號轉導而影響晶狀體纖維細胞的分化，從而影響后續(xù)PCP的建立和晶狀體的正常發(fā)育。晶狀體中過表達Sef后，初級和次級纖維細胞伸長過程被破壞，使晶狀體表型變小[54]。同樣，Spry過表達影響了小鼠晶狀體纖維細胞的分化，從而導致晶狀體變小[55]。另外，絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細胞外調節(jié)激酶1/2(ERK1/2)信號通路的磷酸化及激活是FGF誘導的晶狀體纖維分化所必需的。研究發(fā)現(xiàn)，Spred和Spry激活可以抑制ERK1/2的磷酸化，以阻斷FGF在晶狀體細胞中的信號傳導[56-57]。由此推測，當纖維細胞需要激活更多ERK1/2來進行分化時，會下調或減少纖維細胞中Spred的表達，以繼續(xù)細胞極性的形成以及晶狀體的發(fā)育[57]。

晶狀體上皮細胞和纖維細胞的分布區(qū)域受到嚴格的調控，以維持晶狀體在生長和老化期間的大小。正常晶狀體上皮細胞必須局限于晶狀體的前表面[58]。Jones等[59]選擇性敲除小鼠睫狀體色素上皮中原纖蛋白Fbn1后，在異位晶狀體中發(fā)現(xiàn)，上皮細胞過度生長，分布于整個晶狀體，且前后表面均覆有增殖能力的細胞，認為異位晶狀體的組織極性受到干擾，同時所有突變小鼠中的晶狀體均小于同年齡匹配組。提示我們極性與晶狀體大小之間可能存在關系。

2.3細胞骨架的調控PCP下游信號分子Rho GTPase家族分子(如Rho、Rac、Cdc42)是調節(jié)細胞遷移的核心元件[60]，在小鼠晶狀體中敲除RhoA和Rac1會引起纖維肌動蛋白細胞骨架的紊亂，從而干擾晶狀體細胞極性信號的輸出，使得晶狀體出現(xiàn)發(fā)育缺陷。Maddala等[61]發(fā)現(xiàn)，Rac1敲除的小鼠晶狀體形態(tài)嚴重異常，其中肌動蛋白細胞骨架缺陷伴有Rac GTPase效應蛋白表達下調，提示Rac GTPase通過調控肌動蛋白細胞骨架，在晶狀體形態(tài)的建立和維持中起重要作用。Sahu等[62]成功構建了Rac/Rho下游效應器RLIP76過表達小鼠，發(fā)現(xiàn)小鼠晶狀體的正常發(fā)育受損，體積較正常晶狀體小，猜想是由于肌動蛋白細胞骨架被破壞而引起。由此可見，PCP下游信號分子在晶狀體的發(fā)育和成熟過程中起著重要作用。

3問題與展望

晶狀體細胞的增殖和分化是一個受到各通路精細調控的復雜生物學過程，多種信號分子及其構成的通路網絡參與調控。隨著對關鍵生長因子信號通路及其在晶狀體發(fā)育過程中的認識不斷加深，我們面臨著尋找新的角度來解讀這些信號通路的挑戰(zhàn)。然而，目前對晶狀體中PCP信號通路的研究較少。PCP信號通路對晶狀體細胞的規(guī)則排列起著重要作用，對晶狀體的透明度、曲率、大小的維持起到關鍵作用。晶狀體透明度和正常形態(tài)都是形成良好視覺質量的必要前提。由于PCP信號通路對晶狀體發(fā)育的每一個過程都有著精確調控作用，所以對PCP信號通路中各種蛋白相互作用的分子機制仍需進一步探索闡明。PCP信號轉導通路下游效應分子之間是如何協(xié)同或獨立發(fā)揮作用？Wnt/PCP信號通路如何與其他信號通路協(xié)同作用，調控晶狀體正常發(fā)育？整體極性信號的具體調控機制有哪些？上述問題均需要深入研究，從而在更深層次闡明PCP對晶狀體發(fā)育的調控機制。這些問題對于解決晶狀體疾病有著重大意義，同時，也有望成為研究如何完善再生晶狀體的新方向。