FGF10信號通路與肺發(fā)育及相關(guān)疾病機(jī)制的研究進(jìn)展

吳媛媛，蔡格甫，崇蕾，張金三,2(★通信作者)

（1.溫州大學(xué)生命科學(xué)研究院,浙江 溫州 325000；2.浙江省協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 溫州 325000;3.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院、育英兒童醫(yī)院 兒童呼吸科,浙江 溫州 325000）

0 引言

肺臟主要功能是將心血管系統(tǒng)中的二氧化碳與外界氧氣進(jìn)行交換，提供足夠的氧氣以供有機(jī)體進(jìn)行一系列氧化反應(yīng)。肺發(fā)育過程主要包括肺芽的形成（budding）、肺分枝形成（branching morphogenesis）和肺泡形成（alveologenesis）。這一過程涉及到細(xì)胞間信號分子、下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、細(xì)胞增殖、分化、細(xì)胞-細(xì)胞和細(xì)胞-基質(zhì)之間動態(tài)相互作用。在肺發(fā)育進(jìn)程中，有多條關(guān)鍵信號通路參與，包括Wnt、Bmp4和Fgf信號通路等。FGF家族成員在維持祖細(xì)胞及介導(dǎo)祖細(xì)胞的生長、分化、存活和穩(wěn)態(tài)方面具有重要作用，也可在成熟的組織中通過重新激活發(fā)育相關(guān)信號通路介導(dǎo)代謝功能、組織修復(fù)和再生。

FGF家族由22名成員組成，通過內(nèi)分泌或旁分泌機(jī)制發(fā)揮作用。同源FGF受體（FGFR）家族為受體絡(luò)氨酸激酶家族，由4個成員（FGFR1-4）組成，由于選擇性剪接胞外配體結(jié)合域，又可分為IIIb型和IIIc型受體[1]。當(dāng) FGF 配體與受體結(jié)合時，使其自身磷酸化，隨后激活MAPK信號通路進(jìn)行下游的信號傳導(dǎo)。FGFs是進(jìn)化保守的多肽，參與包括肺在內(nèi)的多個器官的發(fā)育。FGF10表達(dá)起始于肺發(fā)育早期，主要通過調(diào)控上皮以及間質(zhì)干細(xì)胞增殖，分化以及遷移，介導(dǎo)上皮間質(zhì)細(xì)胞間互作，促進(jìn)肺支氣管分枝形成及肺泡發(fā)育。有研究顯示,BPD患兒和高氧暴露的新生鼠肺組織中FGF10的表達(dá)顯著降低。另外，F(xiàn)GF10參與成年小鼠肺損傷的修復(fù)再生過程。諸多研究表明，無論在肺發(fā)育或疾病過程中，F(xiàn)GF10作為重要角色介導(dǎo)或受到其他信號通路調(diào)控。因此，詳細(xì)的總結(jié)FGF10在肺臟發(fā)育以及疾病階段的作用機(jī)制對其藥用價值探究具有深遠(yuǎn)的意義[2]。

1 FGF10參與肺發(fā)育進(jìn)程

1.1 FGF10在胚胎肺發(fā)育階段的時空性表達(dá)

FGF10在胚胎肺中的表達(dá)具有時間和空間特異性。小鼠胚胎肺的形成始于假腺期早期 (E9.5) 階段，通過腹側(cè)前腸中胚層周圍間質(zhì)細(xì)胞的增殖分化外翻形成肺芽。此時，與末端肺芽相鄰的間充質(zhì)細(xì)胞已開始表達(dá)FGF10，以旁分泌的方式作用并促進(jìn)上皮細(xì)胞的增殖分化，從而促使肺芽的融合。因此長期以來，發(fā)育生物學(xué)家通過定位FGF10的表達(dá)位點來確定早期肺芽萌發(fā)的位置。在E10.5期間，僅在肺葉分枝末梢以及支氣管間質(zhì)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)FGF10的表達(dá)，其表達(dá)量受到來源于肺原基中胚層的 Tbx4調(diào)控。Tbx4低表達(dá)會降低FGF10的轉(zhuǎn)錄水平進(jìn)而使肺芽形成受阻[3]。而在E11.5至E12.5時期,FGF10的轉(zhuǎn)錄水平在胚胎肺附屬葉、右中葉、右下葉以及肺左葉的末梢間質(zhì)細(xì)胞中達(dá)到峰值。FGF10持續(xù)表達(dá)直至胚胎發(fā)育假腺期末期(E16.5),在此之后至出生階段，F(xiàn)GF10的表達(dá)水平逐漸回落并維持一定水平的表達(dá)以支持出生后肺泡發(fā)育、肺內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)以及肺損傷修復(fù)。此時，F(xiàn)GF10主要由位于氣道軟骨環(huán)之間的基底細(xì)胞以及與AT2細(xì)胞相鄰的脂原型成纖維細(xì)胞(Lipofibroblasts,LIFs)分泌[4-5]。FGF10時空特異性的表達(dá)格局表明了FGF10在胚胎肺發(fā)育早期對肺上皮芽的定向生長和誘導(dǎo)以及組織結(jié)構(gòu)功能完善尤為重要。

1.2 FGF10控制肺芽形成以及肺形態(tài)分枝

早在20世紀(jì)90年代，諸多研究成果已證實FGF10基因缺失導(dǎo)致胚鼠肺發(fā)育異常并在圍產(chǎn)期死亡。在FGF10-/-小鼠胎兒中，主氣道發(fā)育正常，然而卻不能形成細(xì)支氣管和肺泡，使小鼠在出生不久后因呼吸衰竭而死亡；利用條件型轉(zhuǎn)基因敲除小鼠模型在孕鼠胚胎期E12.5時阻斷FGFR2b信號通路，導(dǎo)致胚胎鼠肺支氣管出芽以及分支形成進(jìn)程被阻斷，表明FGF10對于主氣道發(fā)育無影響，但是對支氣管分枝以及肺泡組織功能完善尤為重要。并且，在FGF10的高親和受體FGFR2b基因敲除小鼠中表型同樣如此，而FGFR2b在肺泡上皮細(xì)胞中是高度表達(dá)的，這間接表明FGF10通過作用于肺泡上皮細(xì)胞，影響其增殖與分化進(jìn)而影響肺泡的形成[6]。

肺發(fā)育和肺的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)由不同的生長因子如Fgf、Shh、Bmp、Tgf-b，Wnt等相關(guān)蛋白家族和各種轉(zhuǎn)錄因子信號通路調(diào)控。FGF10在胚胎肺的時空性分布及其信號通路的激活與抑制受到多條信號通路相互調(diào)節(jié)，在胚胎肺發(fā)育早期（E11.5），Bmp4在內(nèi)胚層間質(zhì)細(xì)胞動態(tài)表達(dá)，并且在末端芽抑制FGF10誘導(dǎo)的上皮趨化性增殖。另外，F(xiàn)GF10能夠上調(diào)Bmp4轉(zhuǎn)錄水平，控制上皮-間質(zhì)細(xì)胞間“信息交流”從而促進(jìn)氣道平滑肌細(xì)胞（Airway smooth muscle cells，ASMCs）形成。Tbx4表達(dá)受抑可促使FGF10表達(dá)水平降低，導(dǎo)致Nkx2.1表達(dá)水平下降，最終不能形成正常的肺芽[7]。視磺酸（Retinoic acid，RA）通過Wnt和Tgfβ信號通路間接介導(dǎo)FGF10信號通路。RA通過抑制Wnt信號通路拮抗因子Dkk1的表達(dá)，同時上調(diào)Wnt2a/b配體表達(dá)水平并且抑制間質(zhì)細(xì)胞Tgfβ信號通路，從而促進(jìn)了FGF10的表達(dá)，介導(dǎo)早期肺芽形成過程。FGF10與Sprouty2（Spry2）也形成負(fù)反饋調(diào)節(jié)，在小鼠肺發(fā)育早期（E12.5），Spry2產(chǎn)生于FGF10表達(dá)陽性(FGF10pos)間質(zhì)細(xì)胞周圍的外周內(nèi)胚層細(xì)胞；E14.5時，Spry2在臨近氣管芽末端表達(dá)量增加，抑制Spry2表達(dá)會刺激支氣管分支并誘導(dǎo)上皮增殖[8]。外源重組人FGF10可刺激離體培養(yǎng)的胚胎肺形成更多的分枝，Spry2 mRNA水平升高，Spry2高水平表達(dá)反過來抑制FGF10信號通路過度激活，表明FGF10/FGFR2/spry2通路參與肺發(fā)育的精細(xì)化調(diào)控。

成纖維細(xì)胞包括FGF10表達(dá)陽性和表達(dá)陰性兩個亞群，在小鼠肺發(fā)育過程中，F(xiàn)GF10陽性的成纖維細(xì)胞是LIFs的祖細(xì)胞來源，F(xiàn)GF10的表達(dá)降低或FGFR2b的活性降低均可導(dǎo)致脂質(zhì)生成蛋白(Adipose differentiation-related protein,ADRP)的表達(dá)顯著降低，這也是LIFs的重要標(biāo)志蛋白[9]。將FGF10+/-新生鼠暴露于高氧環(huán)境（支氣管肺發(fā)育不良模型建立方法）后，F(xiàn)GF10+/-小鼠在8天內(nèi)全部死亡，而野生型新生鼠雖表現(xiàn)為肺發(fā)育不良、肺泡簡單化，卻均可存活，表明FGF10信號通路對于肺功能完善至關(guān)重要。近年來的研究表明，F(xiàn)GF10信號通路與Erk1/2信號通路的相互作用影響上皮細(xì)胞有絲分裂紡錘絲極性運動，進(jìn)而影響上皮細(xì)胞的增殖分裂以及凋亡，控制肺分枝形態(tài)的形成，因此，對于FGF10信號通路作用的深層機(jī)制還有待更進(jìn)一步的探索[10-11]。

1.3 FGF10信號通路維持肺臟干（祖）細(xì)胞穩(wěn)態(tài)

FGF10在維持肺臟干（祖）細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中也具有重要作用。上皮干細(xì)胞/祖細(xì)胞存在于特定的干細(xì)胞壁龕中，其通常與細(xì)胞外基質(zhì)、間質(zhì)細(xì)胞以及其存在的微環(huán)境相互作用而進(jìn)行具有指導(dǎo)性的增殖、分化和遷移。在過去的20年的研究中，F(xiàn)GF10不僅被認(rèn)為是肺發(fā)育早期遠(yuǎn)端肺間質(zhì)細(xì)胞的標(biāo)志物，而且對維持上皮干細(xì)胞壁龕微環(huán)境穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。FGF10以旁分泌方式作用于臨近上皮細(xì)胞，刺激Bmp4的表達(dá)，而上皮細(xì)胞產(chǎn)生的Bmp4對FGF10pos間質(zhì)細(xì)胞分化為ASMCs 以及血管平滑肌細(xì)胞(Vessel smooth muscle cells,VSMCs)具有促進(jìn)作用[12]。

FGF10的表達(dá)水平對上皮祖細(xì)胞的增殖分化至關(guān)重要，其表達(dá)缺失導(dǎo)致Nkx2.1/Sftpb表達(dá)陽性的上皮祖細(xì)胞減少[13]。在小鼠肺發(fā)育后期（E15.5-E18.5），隨著肺芽的生長，遠(yuǎn)體端上皮祖細(xì)胞遷移至近體端分化為支氣管上皮細(xì)胞，此過程中，遠(yuǎn)體端間質(zhì)祖細(xì)胞分泌的FGF10激活上皮β-catenin信號通路而抑制Sox2的表達(dá)，維持Sox9表達(dá)陽性(Sox9pos)特性，從而阻止上皮祖細(xì)胞分化為 Sox2表達(dá)陽性(Sox2pos)氣道上皮細(xì)胞，表明FGF10在肺發(fā)育中參與調(diào)節(jié)上皮祖細(xì)胞由近體端向遠(yuǎn)體端分化遷移過程。有趣的是，一旦上皮細(xì)胞祖細(xì)胞分化為Sox2pos上皮細(xì)胞，F(xiàn)GF10進(jìn)一步引起近體端氣道Sox2pos的上皮細(xì)胞向p63/krt5pos基質(zhì)細(xì)胞分化，同時限制了Foxj1pos纖毛細(xì)胞的形成[10]。FGF10-Hippo信號通路介導(dǎo)的上皮-間質(zhì)相互作用招募肺基質(zhì)干細(xì)胞并維持其干細(xì)胞特性[14]。這些證據(jù)表明肺上皮祖細(xì)胞的維持與分化與FGF10/FGFR2b信號通路介導(dǎo)的上皮-間質(zhì)細(xì)胞相互作用是密不可分的。

間質(zhì)祖細(xì)胞通常表達(dá)特定的蛋白如Wnt2/Gli1/Isl1、Pdgfrα、Vegfr2、Prox1等；這些祖細(xì)胞通過定向分化產(chǎn)生各種細(xì)胞類型，如ASMCs、VSMCs、間質(zhì)干細(xì)胞（Mesenchymal stem cells,MSCs）、LIFs、肌成纖維細(xì)胞（Myofibroblasts，MYFs）等[4,15-16]。FGF10pos間質(zhì)細(xì)胞為多潛能定向祖細(xì)胞,為肺間質(zhì)干細(xì)胞的一個亞群。一方面，F(xiàn)GF10pos祖細(xì)胞受到Wnt/β-catenin信號通路調(diào)節(jié)而保持自我增殖并產(chǎn)生Axin2pos祖細(xì)胞，進(jìn)一步分化為ASMCs以及VSMCs，分別構(gòu)成氣管以及血管平滑肌組織；另一方面，Bmp4信號通路參與調(diào)節(jié)FGF10pos間質(zhì)祖細(xì)胞分化為支氣管旁以及血管平滑肌細(xì)胞。FGF10的表達(dá)缺失導(dǎo)致Pecampos和αSmapos間質(zhì)干細(xì)胞數(shù)量明顯下降[13]。在肺損傷修復(fù)過程中，Pparγ信號通路介導(dǎo)FGF10pos祖細(xì)胞分化形成LIFs，LIFs通常分布在Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞（alveolar epithelial type Ⅱcell,AT2）附近，以上皮-間質(zhì)互作的方式來維持AT2的干性。這在成年鼠肺臟疾病以及損傷修復(fù)過程中具有重要意義[17]。

2 FGF10與肺疾病

2.1 FGF10與慢性阻塞性肺疾病

慢性阻塞性肺疾?。–hronic obstructive pulmonary disease,COPD）是一種與衰老相關(guān)的慢性呼吸系統(tǒng)疾病，主要表現(xiàn)為進(jìn)行性不可逆的氣流受限，最終導(dǎo)致肺氣腫，位居慢性呼吸系統(tǒng)疾病死亡原因之首[18]。FGF10或FGFR2b基因表達(dá)缺失患者表現(xiàn)出不可逆轉(zhuǎn)的氣道阻塞，表明影響FGF10信號通路的基因變異是影響COPD發(fā)生發(fā)展的重要決定因素[19]。Yap-Wnt7b-FGF10信號級聯(lián)調(diào)控肺損傷再生途徑，以維持氣道上皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，阻斷氣道重塑過程；在COPD患者氣道鱗狀化分生區(qū)上皮細(xì)胞中Yap表達(dá)量增高并入核調(diào)控，促使FGFR2b以及Wnt7b表達(dá)增加，表明COPD中Hippo信號通路受到抑制而Yap介導(dǎo)的FGF10表達(dá)增加促進(jìn)了基質(zhì)干細(xì)胞增殖，促進(jìn)氣道上皮細(xì)胞再生修復(fù)，因此Yap蛋白也可以作為治療COPD的一個有效藥物靶點[14]。

2.2 FGF10與支氣管肺發(fā)育不良

支氣管肺發(fā)育不良(Bronchopulmonary dysplasia，BPD)多見于早產(chǎn)兒（尤其是小于28周的早產(chǎn)兒），也是早產(chǎn)兒致死的主要原因，其主要癥狀為囊狀氣道分支減少，肺泡較少而大導(dǎo)致氣體交換面積減少，細(xì)支氣管及血管發(fā)育不良等[20]。FGF10的表達(dá)水平在BPD患兒肺組織中顯著降低，提示FGF10對肺泡發(fā)育至關(guān)重要，可能與Toll-like receptor 2（TLR2）以及Toll-like receptor 4（TLR4）的異常激活有關(guān)。而降低的FGF10表達(dá)破壞了肺泡MYF在囊狀氣道周圍的正常定位，次級肺泡間隔（secondary separation）形成障礙，導(dǎo)致肺泡發(fā)育不全[21]。在FGF10雜合缺失小鼠BPD模型中，由于高濃度氧氣的暴露而導(dǎo)致新生鼠的AT2形成受阻而死亡。另外，阻斷FGFR2b信號通路且暴露于高濃度氧氣環(huán)境中亦導(dǎo)致AT2標(biāo)志物Sftpc表達(dá)降低，并最終導(dǎo)致顯著的致命性，表明FGF10-FGFR2b信號通路對新生小鼠肺高氧暴露后的修復(fù)具有重要意義[22]。FGF10還受到microRNA（miR）-421的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，miR-421與FGF10基因的3’端UTR結(jié)合，進(jìn)而抑制FGF10轉(zhuǎn)錄。在BPD小鼠模型中miR-421表達(dá)明顯升高，而FGF10表達(dá)量顯著降低，抑制miR-421轉(zhuǎn)錄能促進(jìn)FGF10的表達(dá)進(jìn)而抑制BPD小鼠肺泡細(xì)胞凋亡，降低炎癥因子水平，從而改善BPD小鼠病理狀態(tài)[23]。

2.3 FGF10與特發(fā)性肺纖維化

特發(fā)性肺纖維化（Idiopathic pulmonary fibrosis，IPF）由諸多因素引起，如肺損傷、吸煙、空氣污染、有毒藥物等。這些因素導(dǎo)致肺泡上皮細(xì)胞受損而發(fā)生氧化應(yīng)激、炎癥、凋亡等反應(yīng)，使MYF呈激活狀態(tài)快速增殖，隨后大量合成細(xì)胞外基質(zhì)（extra cellular matrix,ECM)，包括膠原蛋白并沉積，在損傷部位形成肌肉化纖維灶，使肺泡結(jié)構(gòu)遭到破壞，最終導(dǎo)致呼吸衰竭。IPF發(fā)生機(jī)制由多條信號通路控制，如Tgf-β,Wnt,Notch以及FGF10信號通路等,雖然這些通路都是通過它們各自的同源受體和信號中間體發(fā)揮作用的，但重要的是它們不是孤立地起作用，而是通過不同信號通路之間的相互作用共同調(diào)節(jié)，促進(jìn)或逆轉(zhuǎn)纖維化進(jìn)程[24]。Tgfβ1能夠促進(jìn)上皮-間質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)化（Epithelial-mesenchymal transition，EMT），是主要的促纖維化因子。IPF中Tgfβ1表達(dá)水平迅速增高，這加速了EMT進(jìn)程，同時，也促使LIFs轉(zhuǎn)分化為MYFs，MYFs向胞外分泌大量的ECM并沉積[25-26]。Tgfβ1已被證明與Wnt/β-catenin信號通路協(xié)同作用，誘導(dǎo)EMT[27]。在IPF中，Wnt1、Wnt7b和Wnt10b、及其受體Frizzled 2、Frizzled 3在IPF的表達(dá)顯著增加，促進(jìn)β-catenin進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)控轉(zhuǎn)錄進(jìn)程，抑制Wnt/β-catenin信號通路可促進(jìn)肺纖維化的消退[28-29]。ICG-001，一種抑制Tcf/β-catenin結(jié)合轉(zhuǎn)錄的小分子抑制劑也能抑制Tgfβ1誘導(dǎo)的小鼠EMT和逆轉(zhuǎn)肺纖維化，這表明Wnt信號通路靶向抑制可能是一種有效的IPF治療策略[30]。Notch信號通路在IPF中也同樣被激活，Notch/CSL激活刺激血管平滑肌細(xì)胞中的α-SMA表達(dá)，發(fā)生EMT[31]。Lgr6pos間質(zhì)細(xì)胞在氣道損傷修復(fù)中受到FGF10信號通路激活而增殖，并分化為ASMCs,調(diào)節(jié)氣道損傷修復(fù)[32]。最近的研究表明，與正常肺相比，IPF肺中，隨著Tgfβ1以及Shh表達(dá)激活，F(xiàn)GF10表達(dá)量特別是在Acta2pos纖維密集組織中顯著降低。FGF10pos的LIFs能夠在Tgfβ1信號通路誘導(dǎo)下形成激活態(tài)的MYFs,而在Pparγ個信號通路誘導(dǎo)下，MYFs去分化重新形成LIFs,纖維化組織得到分解，表明FGF10pos的LIFs在IPF修復(fù)過程中扮演了重要角色[33]。表達(dá)FGF10的LIFs能夠維持AT2干細(xì)胞特性，而AT2在損傷后能夠激活A(yù)xin2表達(dá)并在短時間內(nèi)快速增殖以彌補因損傷而丟失的肺泡細(xì)胞，F(xiàn)GF10信號通路在此過程是否發(fā)揮作用還需要進(jìn)一步的研究[34]。

3 結(jié)語

從肺發(fā)育的最初階段起，F(xiàn)GF10呈時空性表達(dá)模式，并以旁分泌的方式介導(dǎo)間質(zhì)-上皮細(xì)胞間的信息交流而控制肺芽的形成、分枝的發(fā)生以及肺泡的發(fā)育，并且維持肺干（祖）細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)與自我更新以及分化、遷移。FGF10陽性的間質(zhì)干細(xì)胞能夠分化為LIFs，作為肺泡的重要結(jié)構(gòu)維持祖細(xì)胞壁龕內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。在成年小鼠以及成人肺疾病中，F(xiàn)GF10對維持成年肺臟內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)以及損傷后修復(fù)也具有重要意義。FGF10以及Wnt,Hippo,Tgfβ信號通路之間的反饋調(diào)節(jié)是肺損傷后修復(fù)機(jī)制的重要步驟，重組FGF10（rFGF10）有望作為藥物治療肺損傷和肺纖維化，尚需更多的基礎(chǔ)試驗以及臨床試驗進(jìn)一步探索FGF10功能和機(jī)制。