Wnt信号机制全解析！3大信号传导通路一文掌握
Wnt 配体蛋白是一类富含胱氨酸的糖蛋白，在发育、组织动态平衡、许多疾病的发生，包括癌症都起到了关键的作用。
根据分子机制的不同，Wnt 信号传导通路分为三种：Wnt/β-catenin 信号通路、Wnt/PCP 信号通路以及 Wnt/Ca2+ 信号通路。
在哺乳动物中共有 19 种 Wnt 基因，其中部分基因包含选择性剪接异构体[22,35,38]。在功能上，不同的 Wnt 配体蛋白是高度保守的，由于不同 Wnt 配体表达模式的不同，会造成不同的 Wnt 配体在各个器官或组织发挥各自独特的作用[38]。在内质网合成 Wnt 蛋白的过程中，Wnt 蛋白会被棕榈酰转移酶 Porcupine 棕榈酸修饰 [41]，而在 Wnt 蛋白成熟的过程中，跨膜蛋白 Wntless/Evi（Wls）和棕榈酰化的 Wnt 蛋白结合，并帮助 Wnt 蛋白运输到质膜[5,18,37,55]。
关于 Wnt 蛋白如何到达 Wnt 靶细胞存在两种假说，见图 1，第一种，成熟的 Wnt 蛋白结合着 Wls 蛋白整合到分泌小泡或外泌体，位于分泌小泡或外泌体外侧的 Wnt 蛋白和 Wnt 受体相互作用 [14,28,34,44]。第二种，Wnt 蛋白的转移是通过细胞间的 FZD 受体和跨膜 E3 ligases Rnf43/Znrf3 来介导的[11]。
▲ 图 1. Wnt 蛋白分泌的模式 [38]
01 Wnt/β-catenin 信号通路
Wnt/β-catenin 信号通路是依赖于 β-catenin 蛋白介导的一类 Wnt 信号通路，见图 2。
▲ 图 2. Wnt/β-catenin 信号模式图 [38]
Wnt/β-catenin 信号通路由 Wnt 配体蛋白与七次跨膜蛋白 FZD 受体结合而启动，当 Wnt 配体蛋白会与靶细胞膜上的 Wnt 信号受体 FZD 和共受体 LRP5 或 LRP6 形成的异源二聚体相互作用[50]，Dishevelled 蛋白会被招募到细胞膜和 FZD 结合[7,25,29,52]，而通过被招募到细胞膜上的 Dishevelled 蛋白和 Axin 相互作用，Axin-GSK3 蛋白复合物也被招募到细胞膜处[50]。
GSK3[51] 和 Cdk14(PFTK1)-Cyclin Y 有丝分裂激酶磷酸化 LRP5/6 受体胞内段[8]，随后， LRP5/6 受体胞内段会进一步被 CK1g 磷酸化[9,56]。Dishevelled 蛋白与 FZD 的结合提供了一个平台给予 LRP5/6 受体胞内段和 Axin 结合[38]。
胞质 β-catenin 是 Wnt/β-catenin 信号通路传导所必须的，而 β-catenin 的稳定性受到降解复合体的调控，APC、CK1a/d、GSK3a/b、Axin 和 β-catenin 构成了降解复合体[38]。在没有 Wnt 配体到达靶细胞时，N 端 β-catenin 先后被 CK1、GSK3 磷酸化[33]，而磷酸化的 β-catenin 会被 β-TrCP 蛋白诱导泛素化随后被蛋白酶体降解[1,24]，而当 FZD 和 LRP5/6 受体因 Wnt 配体刺激下形成 Wnt-FZD-LRP5/6 复合体时，β-catenin 在胞质内的累积，这一过程目前存在着两种分子机制的假说：
第一种，降解复合体被重定位到细胞膜，而磷酸化的 LRP 受体可能直接抑制了 GSK3 的活性[49]，在降解复合体中的磷酸化的 β-catenin 泛素化过程受阻，使得降解复合体被磷酸化的 β-catenin 所饱和占据，从而造成了新合成出的 β-catenin 在细胞质中的累积[2,32]。
第二种，Wnt-FZD-LRP 复合体的形成动态调控了 β-catenin 的磷酸化[17]，且使 Axin 蛋白去磷酸化，引起 Axin 和 LRP 以及 β-catenin 脱离，因而抑制了 β-catenin 的磷酸化[23]。
当 β-catenin 没有在胞质中累积时，TCF 转录因子和 Groucho 蛋白结合转录抑制靶基因的表达 [6,42]。在胞质中大量累积了 β-catenin 后，β-catenin 入核，Groucho/TLE 转录抑制蛋白会被 UBR5 泛素化而失活[12]，而 β-catenin 会和 TCF 结合并使其转变为一个转录激活蛋白，进而转录激活下游的靶基因，虽然其它的一些非 TCF 转录因子也被暗示参与介导了 Wnt/β-catenin 信号，但在哺乳动物细胞和果蝇中 TCF 作为最终的 effectors 介导了所有 Wnt/β-catenin 信号靶基因的直接激活[38]。
02 Wnt/PCP 信号通路
Wnt/ PCP 信号通路是一类不依赖于 β-catenin 的 Wnt 信号通路，见图 3。
▲ 图 3. Wnt 信号总览模式图
PCP 即平面细胞极性 Planar cell polarity，Wnt/PCP 信号通路起始于 Wnt 配体和受体 FZD 结合，激活的 FZD 激活 Dishevelled 蛋白和 G 蛋白三聚体，并形成 Dishevelled 复合体的组装。而激活的 Dishevelled 激活小 GTPases Rho 和 Rac。Rho 活化过程需要 Daam-1 参与，且 Rho 可同时激活 Rho-相关激酶 ROCK。Rac 活化则不依赖于 Daam-1，且可激活 C-Jun N 末端激酶 (JNK) ，因而调控了肌动蛋白细胞骨架和细胞粘附[15,20,46,47]。
Wnt/PCP 通路往往与细胞的极性，排列，迁移有关。毛发的平面极性，果蝇小眼或耳蜗中感觉毛细胞的排列，以及汇聚延展过程中的细胞迁移，都与 Wnt/PCP 通路有关[39,46]。
03 Wnt/Ca2+ 信号通路
Wnt/Ca2+ 信号通路也是一类不依赖于 β-catenin 的 Wnt 信号通路，见图 3。Wnt 蛋白和 FZD 受体结合后激活 Disheveled，进一步通过 G 蛋白激活 PLC，从而产生 DAG 和 IP3，上调细胞内 Ca2+。
另一方面，Disheveled 的激活会活化 cGMP 特异的磷酸二酯酶 PDE6，降低细胞内的 cGMP，而使 PKG 失活，从而导致细胞内 Ca2+ 浓度升高。Ca2+ 浓度升高会激活下游通路，可能调控细胞粘附，或是抑制经典 Wnt 信号通路，或是激活 CaMKII 并通过 NF-AT 转录因子转录下游基因[10,30,36,47]。Wnt/Ca2+ 信号通路对细胞粘附及原肠形成中的细胞运动起着重要作用[15,26]。
Wnt/β-catenin 信号的负反馈调节机制
多种分子机制调节着 Wnt/β-catenin 信号的强度，见图 4，包括在 Wnt/β-catenin 信号通路的配体，受体，胞内和细胞核层面[50]。
▲ 图 4. Wnt/β-catenin 信号负反馈调节模式图[50]
在配体层面
Tiki 蛋白切割 N 端的 Wnt 配体来抑制 Wnt/β-catenin 信号[57]，而 Notum 蛋白去除 Wnt 配体蛋白的棕榈酸修饰也可以同样抑制 Wnt/β-catenin 信号[21,57]。而 WIF 或 sFRPs 蛋白可以通过直接和 Wnt 配体蛋白结合来阻止 Wnt 配体蛋白和受体复合物的结合[19,31,40,54]，以此来达到抑制 Wnt/β-catenin 信号的效果。
在 Wnt/β-catenin 信号受体层面
Dkk1 通过和 Wnt 配体竞争结合 LRP5/6 来抑制 Wnt/β-catenin 信号[3,48]。而 Rnf43 和 Znrf3 是一类跨膜 E3 泛素化连接酶，参与了 FZD 受体的内吞和蛋白降解，从而降低了 Wnt/β-catenin 信号强度[16,27]。
在 Wnt/β-catenin 信号胞内层面
Axin 蛋白的水平增加了降解复合物的形成，因而促进了 β-catenin 的降解，以形成对 Wnt/β-catenin 信号的负反馈[13]。NKD1 也在胞内层面抑制 Wnt/β-catenin 信号，其可能的机制是结合并抑制 Dishevelled 蛋白[43]，而也有可能是 NKD1 直接和 β-catenin 蛋白相互作用并阻止其入核[53]。
最后在 Wnt/β-catenin 信号细胞核层面
神经系统中 ICAT 蛋白直接和 β-catenin 结合而抑制其在核内的活性，从而在具有时空性地抑制 Wnt/β-catenin 信号后向化的活性[45]。
Wnt/β-catenin 信号通路与 β-catenin 有着密切的联系。
当缺少 Wnt 蛋白时，胞质 β-catenin 会被降解。 β-catenin 会被 GSK3β 和 CK1 激酶诱导磷酸化，磷酸化的 β-catenin，Axin，APC 和 Disheveled 会形成降解复合物，最终 β-catenin 被蛋白酶降解。
当细胞受到 Wnt 蛋白的刺激下，稳定化的 β-catenin 会进入细胞核，与转录因子 TCF 结合，激活下游诸多 Wnt/β-catenin 信号的靶基因，如 Cyclin D1 的转录。
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