神经嵴细胞参与心血管发育过程研究进展

神经嵴细胞参与心血管发育过程研究进展

付梦霞徐莲叶茂青(通讯作者)

（上海瑞金医院/上海市高血压研究所上海200025）

【摘要】神经嵴细胞是一种胚胎发育过程中的多能干细胞群，起源于外胚层神经管背侧,可迁移到外周,分化成包括神经细胞，间质细胞，心肌细胞，平滑肌细胞在内的多种类型细胞。心脏神经嵴细胞是一个特殊的神经嵴细胞亚群，是心脏和流出道大血管发育所必需的。神经嵴细胞发育异常会导致心脏流出道发育异常和心室间隔缺损等人类先天性心脏病的发生。心脏神经嵴细胞的发育是一个复杂的过程，其增殖、分化、迁移都受到许多信号通路的调控，如Notch、Wnt、BMP-TGF等信号通路在心脏神经嵴细胞发育过程中都发挥了重要作用。本文讨论了心脏神经嵴细胞在心血管系统发育过程中作用的最新研究进展，有助于我们全面理解心脏神经嵴细胞参与心脏发育过程的分子机制，加深我们对先天性心脏病发病机制的理解。

【关键词】神经嵴细胞；心脏发育；先天性心脏病

【中图分类号】R54【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2018）11-0377-02

1.心脏发育与先天性心脏病

先天性心脏病是发病率最高的新生儿先天性发育缺陷疾病之一，患病率高达1%,可导致儿童严重的残疾和极高的死亡率[1]。对先天性心脏病的防治消耗了大量的公共医疗资源，是一个重要的全球性健康问题，但是对哺乳动物心脏发育过程及其相关分子调控机制尚未完全阐明。

心脏起源于中胚层前侧板的心脏祖细胞。在小鼠胚胎第6.5天(E6.5)，心脏祖细胞在中胚层前侧板后部形成左右生心区，随后左右生心区融合于胚胎前侧形成新月形生心区[2]。新月形生心区在E8.5发育形成原始心管。心管具有极性，头部与动脉连接是流出道，尾部与静脉相连为流入道，随着发育过程，心管从头到尾出现三个膨大，依次为心球、心室和心房。随后，原始心管经过弯曲和旋转，伴随着心腔的分割与发育，最终形成了一个有四个腔室的功能完整的心脏。心内膜垫是在胚胎发育过程中，局部心内膜细胞被诱导转化为间质细胞所形成的复杂结构，心内膜垫形成后，通过一系列的细胞增殖、分化、凋亡以及细胞外基质重塑过程，参与心腔间隔和心脏瓣膜的构建。心脏室间隔与心脏瓣膜的形成及成熟过程涉及了多种细胞间的相互作用，其中心脏神经嵴细胞(CardiacNeuralCrestCell，CNCCs)在此过程中起着重要作用[3]。同时，CNCCs也参与了心脏流出道的形成，在主动脉、肺动脉以及主肺动脉隔的发育过程中至关重要。此外，CNCCs在心脏起搏传导系统的组织形成与功能构建过程中也扮演了重要的角色。

2.心脏神经嵴细胞

神经嵴细胞(NeuralCrestCell，NCCs)起源于外胚层，是一类胚胎时期的干细胞群体。最早在胚胎第8.5天(E8.5)产生于神经管的最背侧，具有极强的迁移特性和广泛的分化潜能，能够衍生出多种细胞类型。在胚胎发育过程中，NCCs迁移途径有三条，（1）经颅骨途径迁移分化为颅面部间充质，如面部软骨及中耳、下颌的骨性结构、颅神经、结缔组织、胸腺细胞、成牙质细胞等[4]；（2）经躯干途径迁移入体节的前半部，部分NCCs分化为背根神经节以及感觉神经，部分NCCs穿出体节分化为躯体交感神经节、肾上腺髓质、主动脉神经丛、迷走神经和肠的副交感神经节，其中的一部分NCCs则分化为黑色素细胞；（3）部分NCCs可经腹侧途径迁移进心脏流出道，参与心脏的发育过程，我们称之为心脏神经嵴细胞(CNCCs)。NCCs发育缺陷可导致先天性心脏病以及多种先天性发育缺陷疾病，如颅面部及四肢骨骼畸形，颚面心综合征（患者表现为唇裂、下颌及耳发育不良、心血管缺陷等），希尔施普龙病（由于末梢结肠的肠内神经系统缺失导致巨结肠）以及眼前节发育不良[4]等。

CNCCs是心脏发育所必需的，该细胞群起源于耳部水平到第4体节前部区域神经嵴[4],CNCCs从神经管背侧迁移到第三、四和第六咽弓，其中一部分则继续迁移进入心脏流出道，参与了心脏流出道的形成并构成主肺动脉隔,形成主动脉弓的内皮层和大动脉的血管平滑肌层。CNCCs的一个亚群继续迁移到心脏流出道的心内膜垫并发育成升主动脉和肺动脉瓣膜，并参与了心室间隔的发育,小部分可分化为心肌[5]。CNCCs还参与心脏起搏传导系统的发育：一部分CNCCs迁移进窦房结、房室结、希氏束以及各束支起始部，参与房室传导系统的发育[6]。在人体以及动物模型中，CNCCs的发育缺陷将影响心脏流出道、大血管和心房、心室间隔的形成，导致先天性心脏病的发生。

3.参与调控心脏神经嵴细胞发育的相关信号通路

NCCs作为一个特殊的干细胞群,表达了一些特征性的基因,如Islet1、cKit、Wnt、PAX3、PAX7、TWIST1、Ets、MSX2、HAND2、SOX10和FOXD3等,其中Wnt1和SOX10作为NCCs的标志基因，常用于对CNCCs的标记和研究。CNCCs的诱导和迁移需要一系列特定受体和信号分子的相互作用,包括Notch、Wnt、BMP、FGF、NPR等，这些信号因子激活一系列转录因子的表达,如编码的HIF、Snail/Slug、tfAP2、Twist、Ets、Foxd3、SoxE等基因,调控了CNCCs的增殖、迁移和分化。其中Notch、Wnt/catenin和TGF-β/BMP信号通路对CNCCs的分化发育最为重要。

Notch：Notch是膜受体蛋白,Notch信号通路广泛参与调控了细胞命运、分化、增殖和凋亡。在小鼠NCCs敲除Notch会导致小鼠心脏流出道发育缺陷以及肺动脉狭窄、室间隔缺损和主动脉弓动脉形成缺陷。进一步研究表明,Notch在CNCCs分化成平滑肌细胞的过程中起关键作用[7]。

Wnt：Wnt信号通路参与决定细胞命运以及调控胚胎的发育过程。经典的Wnt信号通路包括Wnt蛋白、Wnt受体、Dsh/Dvl蛋白、β-Catenin及TCF/LEF家族转录因子。在NCCs中表达的Wnt蛋白有Wnt1、3、3a等，Wnt3a信号通路异常所引起的NCCs缺陷会导致心脏和咽弓发育缺陷。Wnt信号通路的下游效应因子Axud1也在心内膜垫发育过程中表达,激活转录干细胞因子FoxD3促进心内膜垫的发育和分化[8]。

BMP：骨形成蛋白（BMP）除BMP-1外其余均属于转化生长因子-β（TGF-β）超家族,BMP信号通路参与CNCCs的细胞命运决定。BMP信号通路在心脏生心区形成时就被激活,敲除BMP拮抗剂—Noggin基因的老鼠，可以观察到由于CNCCs增多所致的心内膜垫增生[9]。

ETS：转录因子ETS家族有近30个成员，因具有保守的DNA结合结构域—“Ets”结构域而命名。ETS广泛表达于各个组织器官中，我们课题组的研究显示ETS-1在小鼠心脏发育过程中发挥了极其重要的作用：ETS-1在小鼠体内的缺失可导致心室间隔缺损，部分心肌细胞软骨化等发育缺陷。我们的临床研究也表明ETS-1缺失和人类先天性心脏病的发病密切相关。进一步研究发现ETS-1对心脏发育的影响是通过对CNCCs的调控来实现的[10]，其具体分子机制仍有待探索。

Rho/Rock：小GTP结合蛋白Rho是Rho家族成员之一，Rho激酶ROCK为Rho下游的效应因子,Rho/ROCK通路在细胞迁移和增殖过程中发挥了重要作用，参与调节了内皮-间质转换过程。Rock信号也为心脏流出道的正常发育所需,Rock敲除小鼠表现为二叶式主动脉瓣和动脉壁异常[11]。

FGF：成纤维细胞生长因子蛋白是FGF家族成员，FGF家族包含有与酪氨酸激酶FGF受体结合的分泌蛋白和胞内非信号蛋白。FGF8是一个对于咽弓发育极为重要的蛋白分子。抑制FGF的表达可影响斑马鱼的心脏发育。FGF1受体（Fgfr1）表达下降的NCCs迁移能力下降,最终凋亡。敲除Fgfr1/Fgfr2可影响心脏内皮-间质的转换过程，还会影响NCCs分化为平滑肌细胞[12]。

4.结语

CNCCs参与了心脏发育，在流出道大血管形成、心室间隔以及心脏起搏传导系统发育过程中都发挥了极其重要的作用。NCCs的发育异常将导致严重的先天性心脏病。CNCCs参与心脏发育的过程由复杂的信号通路调控,但目前对CNCCs在心血管系统发育过程中的作用及其调控机制的认识依然十分有限。全面阐明CNCCs在心血管系统发育过程中的作用及其调控机制将有助于加深对先天性心脏病发病机制的理解，为人类先天性心脏病的早期筛查、预防和预后判断提供重要的理论依据。

【参考文献】

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[12]Zhang,J.,etal.,TheFGF-BMPsignalingaxisregulatesoutflowtractvalveprimordiumformationbypromotingcushionneuralcrestcelldifferentiation.CircRes,2010.107(10):p.1209-19.

本文受国家自然科学基金(81200067)，上海市自然科学基金(17ZR1423800)资助。