生长因子与晶状体的正常发育

文章来源：张夏茵,龙尔平,刘臻臻,吴晓航,林浩添.生长因子与晶状体的正常发育[J].中华眼视光学与视觉科学杂志,,18(10):-.

摘要

近年来通过胚胎晶状体的显微操作技术，人们发现有一系列生长因子在晶状体发育的不同阶段表达并发挥重要功能。不同生长因子间通过相互作用，维持着晶状体正常发育所需的平衡状态，一旦生长因子间平衡状态被打破，会引起严重的病理改变。现回顾近年来国内外对晶状体发育相关生长因子的研究成果，按生长因子作用部位总结晶状体正常发育相关生长因子的调控网络，为白内障发病机制、体内外晶状体再生培养和靶向药物的精准治疗提供参考。

关键词晶状体；胚胎发育；胞间信号肽类和蛋白质类；上皮细胞；细胞增殖

基金项目：广州市珠江新星项目（J）；广东省自然科学基金杰出青年项目（A）；广东省高层次人才特殊支持计划科技创新青年拔尖人才（TQ01R）

全文

晶状体的胚胎发育是一个多步骤的过程，分为晶状体板的内陷、分离，细胞的分化、迁移和凋亡（见图1）。随后位于前囊下上皮中心部的子细胞不断迁移构成上皮赤道部，并延伸分化为次级晶状体纤维，包裹在由初级晶状体纤维形成的晶状体核纤维部周围，构成皮质纤维部。上皮细胞不断增殖、迁移和次级纤维细胞不断分化的过程，贯穿了哺乳动物的一生[1]。

生长因子是一类多功能的分子信号多肽或蛋白，通常作为细胞间信号分子来调节多种细胞过程。已发现有多种生长因子参与调控晶状体的正常发育，包括成纤维细胞生长因子（fibroblastgrowthfactor，FGF）、表皮生长因子（epidermalgrowthfactor，EGF）、胰岛素样生长因子（insulin-likegrowthfactors，IGF）、转化生长因子-β（transforminggrowthfactorβ，TGF-β）、血小板源性生长因子（platelet-derivedgrowthfactor，PDGF）、肝细胞生长因子（hematopoieticgrowthfactors，HGF）等[2]，这些生长因子在时间和空间上相互协同，形成复杂而精细的发育调控网络。不同环境来源的生长因子分别作用于晶状体的不同部位，影响着晶状体上皮细胞和纤维细胞的形态发生、增殖和分化过程，并引导晶状体形成极性。如房水来源的生长因子可促进上皮细胞生长，而玻璃体来源的生长因子可促进纤维细胞分化[1]。年Khatami等[3]证实了用牛玻璃体液培养人脐带干细胞可分化为晶状体纤维细胞。

晶状体正常发育相关生长因子的调控网络与老年性白内障等晶状体疾病的发生与转归具有密切的关系，生长因子调控网络的紊乱会严重影响晶状体的极性，晶状体细胞的生长发育、形态行为及晶状体蛋白的表达[4]。晶状体内源性干细胞再生及白内障药物治疗均为目前白内障领域研究的热点问题，而控制晶状体发育的生长因子是探索白内障发病机制及防治研究的关键因素。

尽管新的信号分子作用方式不断被发现和报道，然而各类生长因子的作用部位及相互作用的机制缺乏归纳总结，关于晶状体正常发育过程中各部位相关生长因子网络调控的综述更是鲜见。基于此，本文回顾近年来国内外对晶状体发育相关生长因子的研究成果，按生长因子作用部位总结晶状体正常发育生长因子的调控网络，为白内障发病机制的研究、体内外晶状体再生培养和靶向药物精准治疗提供参考。

1晶状体胚胎发育相关生长因子

晶状体的胚胎发育是一个多步骤的过程，FGF、骨形成蛋白（bonemorphogeneticproteins，BMP）、Wnt传导通路等均对晶状体胚胎时期的诱导形成起重要作用。

Pax6基因是调控晶状体诱导发育公认的、不可或缺的内源分子，FGF和BMP7受体信号传导通路合作，共同促进转录因子Pax6的表达，从而引导晶状体的外胚层分化成为晶状体板[5]。Smad依赖BMP受体信号传导能够重组肌动蛋白细胞骨架，以拉动晶状体板的内陷，推动胚胎晶状体的发育进程[6]。

为引导人胚胎干细胞形成透镜状小体，Yang等[7]曾尝试利用FGF2、BMP4、BMP7和Wnt构成多种组合培养胚胎干细胞，发现任何不添加FGF2的培养基均不能成功刺激胚胎干细胞形成透镜状小体，若将FGF2与Wnt组合添加到培养基中，可以刺激胚胎干细胞产生比单独FGF2培养时更多的透镜状小体，而将FGF2与BMP4或BMP7组合培养胚胎干细胞只能得到比单独FGF2培养时更少的透镜状小体。表明FGF2是晶状体胚胎发育的必需因子，同时Wnt传导通路能够协助FGF2促进晶状体的胚胎发育，而BMP则发挥抑制FGF2刺激功能的作用。

2作用于晶状体上皮中心部的生长因子

2.1促进晶状体上皮细胞分化的生长因子

晶状体上皮细胞形态发生对维持晶状体极性至关重要，老年性、糖尿病性和外伤性白内障的发生均与晶状体上皮细胞的凋亡密切相关[8-9]。晶状体泡分化为上皮细胞的过程涉及起刺激作用的Wnt/β-catenin传导通路、Notch传导通路以及起抑制作用的分泌型卷曲相关蛋白（secretedfrizzled-relatedproteins，Sfrps）和Dickkopfs蛋白（Dkks）[1]。

Wnt传导通路的共同受体受低密度脂蛋白相关蛋白（low-densitylipoprotein-relatedprotein，LRP）基因编码，而LRP家族则通过与β-catenin通路的共同作用而在通路中发挥功能，发生Lrp基因突变的纯合子小鼠胚胎不能形成正常的晶状体上皮[1]。此外，β-catenin还可以通过与TCF/Lef转录因子作用，形成转录活跃的核复合物，促进前侧细胞分化为晶状体上皮细胞[1]。

在晶状体上皮细胞分化阶段，Sfrp2仅在晶状体形态发生的胚胎期出现，并在上皮细胞中局限表达，同时在晶状体发育期间可检测到Sfrps的特异抗体[2]。可以推测Sfrp2对调节上皮细胞分化有重要作用。Dkks通过阻碍LRP联合受体，特异性阻断β-catenin信号传导，当β-catenin信号传导被抑制的同时，替代的JunN-terminalkinase通路会被激活[2]。

2.2上皮细胞增殖所需的生长因子

整个生命过程中，晶状体上皮中心部的细胞不停地增殖。FGF、IGF-1、PDGF、EGF/TGFα和HGF等因子在上皮细胞增殖过程中均起刺激作用，而TGFβ家族则主要起抑制作用。

目前认为FGF是促使G0和G1期上皮细胞进入分裂前感受态的启动因子，而IGF-1则推动感受态细胞通过限制点进入S期，完成染色体DNA和相关蛋白质的合成，其在上皮细胞增殖过程中起协同作用[1]。虽然PDGF-A在正常晶状体发育过程中并不是必需因子，但转基因小鼠实验证实，晶状体上皮细胞中PDGF-A过度表达可促进细胞内DNA的合成[10]。同样在哺乳动物的房水中，EGF的浓度通常仅在1μg/L左右，但EGF在体外1~μg/L的浓度下，也可促进人晶状体上皮细胞增殖[11]。近年来有研究将角膜内皮细胞与晶状体上皮细胞在体外混合培养，发现角膜内皮细胞释放的生长因子HGF具有诱导晶状体上皮细胞增殖的功能，推测体内正常情况下来自角膜的调控信号可以通过房水为媒介进行传递[12]。

年Kurosaka和Nagamoto[13]在人房水中发现了TGFβ，证明TGFβ可以阻止晶状体上皮细胞的增殖，也可以修复受伤的上皮细胞，为进一步探索后发性白内障的药物治疗和预防带来启发。

2.3上皮细胞形成和维持所需的生长因子

晶状体上皮细胞的形态发生对于维持晶状体透明度有关键意义。后发性白内障是白内障摘除术最常见的术后并发症，筛选出抑制晶状体上皮细胞发生上皮-间质转化的生长因子可为后发性白内障的防治提供思路。在上皮细胞发育过程中起维持作用的主要有Wnt/β-catenin传导通路、酪氨酸激酶受体（receptortyrosinekinase，RTK）抑制剂、Crim1基因表达蛋白，阻碍上皮细胞形成和维持的生长因子包括TGFβ、Sfrps和Dkks。

完整的Wnt信号传导通路对正常晶状体上皮的形成具有不可替代的作用。而TGFβ则是引起上皮-间质转化最关键的细胞因子[1]。最新研究发现，C-末端结合蛋白2（C-terminalbindingprotein2，CtBP2）在TGFβ2引导的晶状体上皮间叶细胞化生过程中发挥了重要作用，该蛋白作用于晶状体上皮细胞中Jagged/Notch信号传导通路，破坏上皮表型，导致后发性白内障的发生[14]。但在体内晶状体上皮细胞的正常发育过程中，TGFβ的行为是被精确调控的。RTK抑制剂与Crim1基因表达蛋白均在晶状体上皮的形态发生过程中高度表达，可抑制TGFβ引导上皮间叶细胞化生[2]。Sfrps家族和Dkks阻滞Wnt信号传导通路的机制与上述相同。

3作用于上皮赤道部的生长因子

上皮赤道部可分为增殖区和转变区。增殖区位于前侧，是晶状体纤维细胞分化前必经的区域，晶状体上皮细胞从上皮中心部迁移进入增殖区标志着纤维细胞分化的开始。转变区位于晶状体上皮赤道部增殖区的后侧，晶状体上皮细胞终止细胞周期，进入分化阶段都发生在这一区域。

3.1作用于增殖区的生长因子

在晶状体发育过程中位于赤道部增殖区的细胞具有自分泌功能，刺激性生长因子包括FGF、IGF-1、PDGF、EGF/TGFα、HGF，抑制性因子包括TGFβ家族。其中FGF在上皮细胞的增殖和移行过程中起至关重要的始动作用[15]，但IGF-1、PDGF、EGF/TGFα、HGF等生长因子在活体内的作用机制及不同生长因子在增殖区内共同调控细胞周期的信号传导网络尚不清楚，仍有待进一步研究[2]。TGFβ家族抑制上皮细胞增殖，与在上皮中心部的作用机制相同。

增殖区内细胞分裂增殖非常活跃，同时细胞外信号调节激酶（extracellular-regulatedkinases，ERK）在胚胎晶状体赤道部也保持高度表达的状态。研究发现，使用FGF、EGF等生长因子处理晶状体细胞之后，在诱导上皮细胞增殖的同时也可以引发ERK的显著激活，但生长因子促进增殖区细胞增殖的机制是否依赖于ERK目前仍存在争论[2]。

3.2作用于转变区的生长因子

晶状体上皮细胞终止细胞周期，进入分化阶段都发生在转变区，参与作用的刺激性因子主要有FGF、BMP、IGF-1、Wnt传导通路、细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependentkinase，CDK）阻滞剂、Rb家族蛋白等，抑制性因子有FGF拮抗剂、BMP配体抑制剂noggin等。

FGF是晶状体上皮细胞纤维分化初始阶段必需的生长因子[16]。多项研究表明，低浓度FGF促进大鼠原代晶状体上皮细胞增殖，中浓度FGF可促进晶状体上皮细胞迁移，而高浓度FGF能够促进晶状体上皮细胞纤维分化[17]。但在晶状体次级纤维细胞分化形成过程中仅有高浓度的FGF并不够，BMP同样起着关键作用。转基因小鼠实验发现，BMP配体抑制剂noggin可阻滞上皮细胞向次级纤维细胞分化，导致晶状体后部覆盖多层上皮细胞，而不能形成正常纤维细胞，证明了次级纤维细胞的分化依赖于FGF和BMP的协同作用[2]。IGF-1同样参与晶状体次级纤维上皮的分化过程，IGF-1能够引导产生晶状体分化特异性中间丝蛋白CP49和δ晶状体蛋白，但均需要通过ERK通路介导；相比而言，FGF引导产生CP49需要ERK通路激活，但引导生成β/δ晶状体蛋白并不需要激活ERK[1]。

晶状体纤维细胞的分化还涉及Wnt传导通路的介入，刺激性生长因子FGF与Wnt/PlanarCellPolarity传导通路的联系尤其紧密，但转变区内FGF和Wnt/PlanarCellPolarity传导通路交叉作用的具体机制尚不清楚[18]。

CDK阻滞剂如p27和p57，能够通过影响特定细胞周期蛋白-细胞周期蛋白依赖激酶复合物的功能终止细胞周期，阻止晶状体上皮细胞继续增殖。同样Rb家族蛋白也可以阻止晶状体上皮细胞再次进入细胞周期[2]。

晶状体纤维细胞分化是一个需要多种因子和多种细胞信号通路精密协作的复杂过程。参与体内晶状体细胞诱导分化的生长因子种类远远超过其本身所需要的数量，保障了晶状体发育的顺利进行。

4作用于皮质纤维部和核纤维部的生长因子

整个生命过程中，晶状体纤维不停生长，旧的纤维不断被挤向晶状体的中心，硬化成为晶状体核纤维部，包裹晶状体核外较新的纤维为晶状体皮质纤维部。纤维产生的晶状体蛋白是晶状体的重要结构蛋白，其特殊的空间结构和丰富的含量对维持晶状体透明度有着举足轻重的作用。

在晶状体后部，玻璃体液中的FGF-1和FGF-2是引导晶状体纤维细胞的分化、结构形成以及晶状体蛋白的基因表达必需的刺激性因子[2]。体外实验发现，BMP在晶状体早期发育过程中能够引导纤维细胞的延伸以及αA晶状体蛋白的产生，同时BMP配体抑制剂noggin可以抑制晶状体纤维细胞在玻璃体液环境下的延伸生长[6]。

Chen等[18]和Sugiyama等[19]均发现Wnt/PlanarCellPolarity传导通路可影响晶状体纤维细胞的延伸生长和定位排列。Wnt传导通路拮抗剂Sfrp2过度表达时，能够导致局部晶状体纤维细胞的异常排列，提示Wnt传导通路在晶状体纤维细胞的有序生长和极性排列过程中发挥了重要作用。

近年来发现一种RNA颗粒能够调节纤维细胞晶状体蛋白的表达，这种颗粒是由蛋白质和RNA共同组成的一种细胞质复合物，可以通过影响晶状体蛋白相关RNA的降解、稳定及RNA亚细胞定位来调节基因表达，影响晶状体蛋白的生成[20]。

5晶状体发育相关生长因子的精准医学转化应用

近年来，激光捕获显微切割技术（lasercapturemicrodissection，LCM）[21]及单细胞测序技术等[22]最新分子生物学研究方法的发展为研究晶状体发育相关生长因子的调控网络提供了新方法。利用LCM技术结合下游基因组学、转录组学、蛋白质组学等分子生物学研究方法已逐渐应用于生命科学的各种领域，如前列腺癌[23]、肾癌[24]以及晶状体疾病[25]的研究中，但探索晶状体发育相关生长因子方面的研究较少。

如果我们在晶状体相关生长因子调控网络的研究中结合LCM和测序技术，就能够尝试定位相关生长因子的基因并确定其转录及表达机制，为进一步调控生长因子的表达，改变各区域生长因子浓度以及防治晶状体疾病提供理论基础。晶状体正常发育与晶状体再生涉及的生长因子和信号传导通路高度相似[26]，我们甚至可以通过分析不同部位相关生长因子基因的表达来确定干细胞的所在位置，模拟体内正常环境加速培养干细胞，并利用干细胞再造晶状体替代人工晶状体在白内障治疗中的应用。

近期，笔者所在研究团队发明了一种全新超微创白内障手术方法，首次动员内源性干细胞再生出有功能的晶状体，并成功应用于临床治疗先天性白内障，更好地重建了患儿视功能，开辟了干细胞修复组织器官的临床治疗新方向[27]。自体干细胞再生晶状体技术是国际上干细胞技术和再生医学的重大突破，但仍有困难亟待解决，在使用这种方法治疗的婴儿中，一个新的晶状体的生长也需要6个月以上的时间，对干细胞再生能力明显减退的老年白内障患者，单纯的手术治疗无法实现晶状体再生需求。然而，如果我们能够联合使用相应的刺激性生长因子促进晶状体细胞再生，则可能缩短功能性晶状体再生所需的时间，扩大自体干细胞再生晶状体技术的应用范围。

年Makley等[28]和Zhao等[29]先后在《Science》和《Nature》上发表文章，证明甾醇类能够提高晶状体透明度，相关药物的研制给白内障药物的治疗带来了曙光。此两项研究在体外实验和不同实验模型中证实了5-胆甾烷-3b、25-二醇和羊毛甾醇都可以增加晶状体蛋白的溶解度，甾醇类能够逆转晶状体蛋白聚集引起的白内障[30]。药物靶点治疗白内障成为新的热点。如能研发直接或间接调控生长因子基因表达的靶向药物，调控生长因子的种类及浓度，就有可能维持晶状体的正常发育，缓解甚至预防晶状体发生混浊，这些都将成为白内障等晶状体疾病治疗新的突破口。

6总结与展望

在过去的研究中，人们对于一些晶状体正常发育相关的关键性因子（如FGFs、Bmps、Wnts）的作用机制达成了共识，并不断发现有更多晶状体发育相关生长因子具有多种多样的作用机制。本文总结了晶状体正常发育各时期不同部位的相关生长因子，在晶状体发育过程中，相关生长因子在4个区域内的分布各有特点（见图2），不同生长因子间可相互补充相互抑制，共同维持着晶状体的正常发育。然而，我们在理解整个晶状体发育过程中决定细胞行为和命运的复杂生长因子调控网络上，仍然留有很大一片空白。尤其对于不同生长因子间合作管理信号网络的机制，我们仍了解甚少。关于生长因子配体和受体作用后的下游传导通路也有待进一步探索。

新技术和新工具的出现有助于帮助我们逐步揭开晶状体发育过程中相关生长因子调控作用的谜团。晶状体发育相关的生长因子是探索白内障发病机制及防治研究的关键因素，不同区域生长因子的种类和浓度与晶状体细胞形态和行为息息相关。继续深入了解晶状体不同部位正常发育相关生长因子及其作用机制，将有利于深入探讨相关晶状体疾病的发病机制及病理过程，精准构建体内外晶状体干细胞再生的培养环境。如能成功研发调控生长因子种类及浓度的靶向药物，将为晶状体疾病的靶向治疗及药物精准防治提供思路，开辟白内障治疗的新突破口。

DOI:10./cma.j.issn.-X..10.

作者单位：560广州，中山大学中山眼科中心眼科学国家重点实验室

通信作者：林浩添，Email：gddlht

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