纤毛与发育信号

在发育过程中介导细胞间通讯的信号通路与多蛋白信号复合体的细胞组织密不可分。这些复合物包括与适配器和信号效应器相关的活化跨膜受体(Hoeller等人，2005年)β-catenin破坏复合物(Kimelman和Xu，2006年)和与内体相关的复合物(Fischer等人，2006年)。在每一种情况下，将信号转导机制聚集在一个小的、确定的亚细胞区域，可以促进信号蛋白对信号的有效和快速的相互作用和修饰。

刺猬信号对无脊椎动物和脊椎动物发育的许多不同方面都至关重要(McMahon等人，2003年)Hh信号失调导致多种人类肿瘤(鲁宾和德索瓦吉，2006年)。这个果蝇属刺猬（Hh）信号通路依赖于跨膜蛋白Smoothened（Smo）（实现Hh信号的转录因子Ci）与几个相关蛋白之间的蛋白质复合体，类似于其他通路中的受体相关复合体。哺乳动物刺猬信号的最新研究结果揭示了这一主题的独特变化。在哺乳动物中，Smo、Glis（Ci的同源物）和相关蛋白似乎定位于特定的细胞器纤毛。在这里，我们提供了纤毛的概述，纤毛对哺乳动物刺猬信号至关重要的证据，关于纤毛中Hh信号转导步骤的可用数据，以及表明纤毛在其他发育信号通路中很重要的观察结果。

纤毛的性质

纤毛和鞭毛是细胞的细长突起，具有定型的微管结构，包括一个由九个双微管组成的环（“外双重微管”）；每一纤毛都生长在一个基部体上，这是一个修饰的中心体。哺乳动物的纤毛可以是活动的，也可以是不动的，并且可以有各种细胞类型的特定结构。在具有活动纤毛的细胞中，有些细胞，像胚胎淋巴结的细胞一样，只有一个纤毛，而成人大脑的室管膜细胞可以有多个纤毛并且支气管上皮细胞可以有数百个纤毛(Afzelius，2004年)。

自20世纪70年代中期以来，活动纤毛的生理重要性已被明确。马内斯卡塔格纳（1933）定义了一种遗传性人类综合征，表现为支气管扩张（一种慢性肺梗阻）、慢性鼻窦感染和左右不对称逆转（反转位）的异常组合。该综合征的另一个方面，即带有不动鞭毛的精子的鉴定，使人们认识到不动纤毛是肺和鼻窦缺陷的原因，并表明正常的左右不对称也可能取决于纤毛(Camner等人，1975年;阿夫泽利乌斯，1976年)。随后在小鼠胚胎中的研究已经确定了小鼠节点的活动纤毛如何产生左右不对称的许多方面（有关最新综述，请参阅Shiratio和Hamada，2006年)。

非活动纤毛是每个细胞中的一个纤毛。非运动纤毛可以专门形成像光感受器的外段和嗅觉神经元的感觉器官那样精细的结构，纤毛中富含信号转导成分。此外，脊椎动物中几乎所有的间期和非分裂细胞都有一个单一的、非运动的、表面上没有特化的纤毛（称为初级纤毛）。2000年，当初级纤毛与多囊肾病（PKD）之间的联系变得明显时，初级纤毛的作用开始凸显，目前认为肾纤毛是肾小管内流动的机械感受器，尽管尚不清楚机械作用的破坏是如何导致多囊肾的(Nauli和Zhou，2004年)。在这里，我们关注的是在成人和发育中的胚胎的其他细胞类型上发现的无处不在但仍然神秘的非能动初级纤毛。

构建纤毛：鞭毛内运输

我们目前对纤毛的结构、结构和功能的理解主要基于对单细胞藻类的遗传和生物化学研究衣原体。衣原体有两个用来游泳的长鞭毛（与纤毛结构相同）；鞭毛对于识别和融合减数分裂前的两种交配类型也至关重要。游泳缺陷突变体的分离和鉴定确定了鞭毛构造或运动所需的许多成分(Dutcher，1995年)。

Kozminski等人（1993年）观察到的粒子从底部移动到尖端衣原体通过DIC显微镜观察鞭毛和背部；他们将这一过程命名为鞭毛内运输（IFT）；总结如下图1)。他们继续将IFT颗粒与在外双重微管和纤毛质膜之间的透射EM中可见的大型筏状结构联系起来。这个FLA10公司鞭毛的存在和对温度敏感的鞭毛内转运过程的分析需要基因fla10（火焰10）等位基因表明该基因是IFT颗粒运动所必需的(Kozminski等人，1995年)。FLA10公司结果编码驱动蛋白II的一个亚单位，这是一种末端导向的微管马达(Walther等人，1994年)那是与外加倍有关的(Kozminski等人，1995年)。

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图1

Cilia和IFT

a.e8.0小鼠胚胎节点上的纤毛。这些纤毛大约有3-4微米长，比典型的初级纤毛长。

b.鞭毛内转运（IFT）过程示意图。纤毛和鞭毛的构建和维护依赖于新成分的稳定来源，这些新成分组装在微管的末端复合体（DTC）。向远端尖端的运输包括在生长纤毛的基底部的过渡纤维上装配顺行IFT平台，以及由驱动蛋白II马达驱动的顺行运动。尽管在力学上仍不清楚，但DTC的事件被认为涉及到顺行运输机械的拆卸、结构部件组装成不断增长的轴丝以及逆行运输装置的组装/接合。IFT机械和残余结构物通过细胞质动力蛋白马达驱动的纤毛尖端到纤毛底部的逆行运输回收。在基地，逆行装置被拆卸，可能允许IFT组件被重复使用。

随后的研究表明，IFT依赖于三聚体驱动蛋白II运动（其中一个亚单位由FLA10公司)它将蛋白质携带到纤毛的末端，在那里它们可以组装成纤毛（或鞭毛）的轴丝和一种二聚体细胞质动力蛋白，为纤毛蛋白逆行运输回细胞体提供动力。两个大的复合物（A和B）中至少有17个蛋白质形成了EM中的筏状结构。在没有驱动蛋白亚基或所分析的IFT复合物B蛋白质的情况下，IFT失败，不能构建鞭毛。

在活体化学感觉神经元的纤毛中可以观察到纤毛中IFT颗粒的运动秀丽线虫使用表达GFP标记的IFT机器部件的转基因蠕虫(Orozco等人，1999年)。类似地，在哺乳动物细胞中可以看到GFP标记的IFT20沿着纤毛的运动(Follit等人，2006年)。遗传学研究已经证实，IFT蛋白对于纤毛的构建至关重要秀丽线虫(科尔等人，1998年)，斑马鱼(Sun等人，2004年;Tsujikawa和Malicki，2004年)和老鼠(Pazour等人，2000年;皇甫等，2003)。

小鼠IFT突变体表明Hh信号与纤毛耦合

除左右不对称性的建立外，鞭毛内转运蛋白在发育过程中发挥作用的第一个迹象来自对小鼠突变的分析88英尺基因（也称为Tg737型,奥普克或北极星)。转基因插入等位基因Tg737型是一种部分功能丧失突变，导致PKD和纯合子中肢体模式的明显缺陷，即前轴多指畸形。虽然动物纯合子Tg737型突变一直持续到出生后，这是小鼠的一个靶向空等位基因Ift88/北极星造成中期死亡(Murcia等人，2000年)。突变胚胎表现出随机的左右不对称性，与淋巴结中的纤毛丢失有关。这些胚胎还显示出其他中线结构的缺陷，而这些缺陷无法用结纤毛的缺陷来解释。同样，小鼠的靶向突变基夫3a和3亿基辅顺行性驱动蛋白-II IFT运动亚单位导致纤毛缺失和左右模式缺陷，也导致妊娠中期死亡，这不能归因于左右不对称缺陷(Nonaka等人，1998年;武田等人，1999年;Marszalek等人，1999年)。

通过一种独立的方法，在ENU诱导突变的正向遗传筛查中发现了两个突变，这两个突变阻止了发育中神经管中腹侧细胞类型的确定(皇甫等，2003)。声波刺猬（Shh）需要指定这些突变体中缺失的细胞类型，但这些突变映射到基因组中不包括刺猬信号通路进化保守成分的区域。位置克隆表明，这些突变影响了两个IFT复合物B蛋白，即IFT172和IFT88。随后的研究表明，缺乏IFT52、Kif3a或逆行动力蛋白重链（Dynch2；以前称为Dnchc2）的突变体显示出Shh依赖性腹侧神经细胞类型的类似缺失(皇甫等，2003;Liu等人，2005年;Huangfu和Anderson，2005年)。尽管特征不太明确，但其他几个小鼠IFT基因的突变似乎对神经模式具有类似的影响，包括逆行性动力蛋白运动的第二亚单位D2lic和另一个复杂B蛋白IFT57/hippi的突变。因此，7个编码IFT蛋白和马达的小鼠基因似乎是腹侧神经管中Shh依赖性细胞类型的规范所必需的(表1)。

神经管模式分析表明，在细胞质Hh信号转导机制的核心需要IFT蛋白

刺猬信号在进化上是保守的，在果蝇属尚未揭示IFT蛋白在该过程中的任何作用，因此小鼠Shh信号缺失和IFT蛋白缺失之间的相关性令人惊讶。三种哺乳动物刺猬配体（Sonic、Indian和Desert）的信号传递通过两种膜蛋白Patched和Smoothened来调节Gli家族三种转录因子Gli1、Gli2和Gli3的活性英格姆和麦克马洪，2001年)。对双突变胚胎的神经模式分析表明，IFT突变阻断Patched1和Smoothened下游的Hh信号转导。例如，结合Hh配体的Patched1是一种不寻常的受体，因为在缺少配体的情况下，它的活性需要阻止通路。因此，下游通路在补丁1突变细胞。例如，虽然腹侧神经细胞类型在嘘突变体，所有神经细胞在补丁1突变胚胎。在缺乏IFT复合物B蛋白Ift88或Ift172的突变体中，腹侧神经细胞类型缺失，如嘘突变体。神经模式表型补丁1 Ift88或补丁1 Ift172双突变体与如果单个突变体：未指定腹侧神经细胞类型(皇甫等，2003)。因此，当去除Patched1激活信号通路中的下游步骤时，当IFT蛋白缺失时，这种情况不会发生，这表明IFT蛋白影响Patched2下游的Shh信号通路的一个步骤。

实现Hh信号的Gli蛋白可以同时作为转录阻遏物和转录激活物，实验表明，IFT蛋白对Gli蛋白的阻遏和激活都是必需的。Gli1和Gli2主要起转录激活剂的作用，Gli2是神经管模式中Hh靶基因的主要激活剂。Gli3既可以作为转录激活剂，也可以作为转录阻遏物，在缺乏配体的情况下保持靶基因的活性。Hh活性通过两种方式促进靶基因的转录激活：它促进Gli激活物的形成，并阻止产生Gli3阻遏物的蛋白水解过程。

在缺乏IFT蛋白的情况下，似乎没有Gli激活物：Gli2的靶点在腹侧神经管中没有激活(皇甫等，2003)在培养的IFT突变成纤维细胞中，Gli-reporter不能对Shh产生反应(Haycraft等人，2005年; P.J.Ocbina和KVA，未出版）。IFT蛋白也是Gli3正常蛋白水解为阻遏物形式所必需的(Huangfu和Anderson，2005年;Liu等人，2005年;May等人，2005年)。因此，在缺乏IFT蛋白的情况下，靶基因对配体的所有调节都被阻断：Hh配体既不能激活也不能抑制靶基因表达，靶基因表达的基础水平升高。

由于IFT蛋白对Gli激活物和Gli阻遏物都是必需的，因此IFT蛋白丢失引起的表型与嘘相反，它类似于同时缺乏Gli2和Gli3的双突变体或同时缺乏Shh和Gli2的双突触。例如，依赖Shh的侧神经细胞类型（例如V2中间神经元）可以在没有IFT蛋白的情况下被指定(皇甫等，2003)可能是因为这些细胞类型需要低水平的Shh靶基因表达，这是由于缺乏Gli3阻遏物造成的。

肢体模式化中的IFT蛋白和Shh信号

Shh是肢体正常模式所必需的，它调节生长、数字和前后极性（参见Tickle，2006年)。在小鼠中，Shh缺失会导致严重发育不全和单个前指的形成，而Gli3缺失会导致前肢芽中多余的指（前轴多指）。这个Shh Gli3（嘘Gli3）双突变表型与Gli3公司单个突变体，证明Gli3介导Shh对数字模式（te）的影响Welscher等人，2002年;Litingtung等人，2002年)。因此，与神经管不同，神经管中的Gli-activators在模式形成中起着中心作用，肢体中Shh的大多数作用是通过调节Gli3-阻遏物产生的。

如同在神经管中一样，IFT蛋白是在发育中的小鼠肢体中传递Shh信号所必需的。虽然许多IFT突变体在约e10.5时死亡，但在肢体形成图案之前88英尺,Dynch2型,52英尺、和如果122(Haycraft等人，2005年;May等人，2005年;Liu等人，2005年，J.Qin和JTE，准备中）导致轴前多指畸形。

尽管所有这些IFT公司突变体显示前轴多指与Gli3公司突变体中Hh信号分子报告子的分析88英尺和Dynch2型突变体显示，它们影响肢体中的Gli再加压器和Gli激活器功能。例如，突变肢体表现出正常情况下受Gli3阻遏物抑制的基因的异位表达，例如霍克斯D基因和希腊林，表明Gli3阻遏物依赖于IFT，正如多指表型预测的那样(Liu等人，2005年;May等人，2005年)。全长Gli3的蛋白水解过程需要IFT88和Dynch2，表达截短型Gli3构建物的转染在88英尺突变体肢体芽细胞，证实Ift88是处理Gli3阻遏物而非活性所必需的(Haycraft等人，2005年)。88英尺和Dynch2型突变体也显示Shh途径阳性臂的缺陷，包括表达减少Gli1公司和补丁1后肢芽中(Liu等人，2005年;May等人，2005年)。因此，正如在神经管中一样，在IFT缺陷的突变肢体中看到的模式化表型代表着Gli激活物和Gli阻遏物功能的联合破坏。这些发现表明，特定组织中IFT蛋白丢失的影响取决于组织中Gli-activator和Gli-respressor的相对重要性；因此，IFT突变体的表型可能类似于Shh、Gli3或两者在任何特定组织中的组合(图2)。

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图2

IFT突变体的组织特异性效应取决于组织中Gli激活物和Gli阻遏物的重要性

小鼠体内所有Hedgehog信号传导都依赖于IFT蛋白。哺乳动物刺猬信号有两种输出：产生Gli激活物和阻止Gli3阻遏物的加工。在神经管中，Gli激活物在神经模式形成中起着中心作用，因此该组织中IFT的丢失具有类似于嘘突变体。IFT突变神经管表型与嘘突变体，因为在IFT突变体中缺少Gli3阻遏物（在Shh突变体中存在并活跃）；因此，存在低水平的通路激活。在肢体，Gli3阻遏物在数字模式中起着核心作用，IFT缺失引起的表型与Gli3缺失引起的相似。然而，对分子靶标的分析表明，Gli激活剂在IFT突变肢体中也不能发挥作用。

声波刺猬和印度刺猬都需要IFT蛋白来传递信号

印度刺猬（Ihh）通过其对软骨细胞系增殖和分化的影响，对四肢长骨的正常发育是必需的(圣雅克等人，1999年)。有条件删除88英尺肢体间质导致肢体近轴缩短，类似于Ihh公司突变体。Gli1公司和第1部分（Hh靶基因）不能在发育中的骨骼中表达88英尺条件突变体(Haycraft等人，2007年)。同样，肺的初始规格取决于Ihh和Shh，IFT突变体中没有建立肺原基(皇甫和安德森，2006)。没有实验解决沙漠Hh（精子发生所需）是否也依赖于IFT蛋白的问题，但似乎所有Hh信号传导都依赖于IFT蛋白。

刺猬路径成分富含纤毛

上述IFT突变体的表型表明，纤毛的存在与细胞传递Hh信号的能力密切相关。这些结果提出了一种有趣的可能性，即纤毛可能提供了一个对Hh信号传导至关重要的环境，并且Hh信号转导机制的某些成分可能定位于纤毛。

Hh途径活性需要一种结构类似于G蛋白偶联受体的平滑多通道膜蛋白。Smo在Hh受体Patched的下游起一个作用，Smo的活性既促进了Gli激活剂的功能，又阻止了产生Gli3阻遏物的处理事件。Smo在静息细胞的纤毛中未检测到，但当培养细胞暴露于Hh时，其在纤毛中富集，并在胚胎淋巴结的纤毛（对Hh反应积极的细胞；Corbit等人，2005年)。类似于目标的序列秀丽线虫纤毛的嗅觉受体存在于Smo中，该序列对于Smo在纤毛中的定位和Smo活性都是必要的。相反，在没有Hh的情况下，组成性激活的Smo定位于纤毛。因此，Smo的活性与其在纤毛中的存在相关。

更值得注意的是，介导Hh信号传导的转录因子似乎也在纤毛中富集。在肢芽间充质细胞的原代培养中，标记过表达的Gli1、Gli2和Gli3均在纤毛的远端富集(Haycraft等人，2005年)。在同一细胞的纤毛尖端也检测到内源性全长Gli3蛋白(Haycraft等人，2005年)，而只有当Hedgehog通路被激活时才会产生的内源性Gli1也存在于纤毛尖端（JTE，未发表）。然而，还没有测试内源性Gli蛋白是否会随着配体的作用而移出纤毛。

融合抑制因子（Sufu）是该通路的一种重要负调控因子，在缺少Hh配体的情况下，其在纤毛尖端富集(Haycraft等人，2005年)。在果蝇属，Sufu在缺乏信号的情况下帮助细胞质中的栓系Ci（Gli同源物），因此它可能在哺乳动物细胞的纤毛中起类似的作用(Kogerman等人，1999年)。然而，哺乳动物苏福可能在细胞核中有其他功能(Paces Fessy等人，2004年;Barnfield等人，2005年;Svard等人，2006年)因此，确定Hh配体对Sufu定位的影响是很有意思的。

解释这些观察结果的一个模型是，在没有配体的情况下，纤毛中存在Sufu和Gli蛋白。当细胞不接触配体时，Gli3被加工生成转录阻遏物，只有当Gli3位于纤毛内时才能进行加工。作为对配体的反应，Smo进入纤毛，在那里它可以与Sufu和Gli蛋白结合。一旦Smo位于纤毛中，Smo可以与存在于纤毛中的信号成分相互作用，形成Smo-Sufu-Gli复合物（或复合物），修饰Gli2（可能还有Gli3），使其成为转录激活物，并阻止Gli3蛋白水解为阻遏物形式，从而完全激活该途径。因此，在这个模型中，Gli调节的配体依赖和配体依赖方面都依赖于纤毛(图3)。

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图3

纤毛内刺猬信号转导模型。在没有刺激的情况下，Gli蛋白和Su（fu）被输送到纤毛的顶端或从纤毛的末端运输。在纤毛内，Gli3蛋白被磷酸化，一旦在纤毛基底部遇到蛋白酶体，就将其切割成转录阻遏物形式。Gli蛋白通过Su（fu）和其他成分维持在非活性状态。经Hh刺激后，激活的Smoothened in囊泡靶向纤毛膜，纤毛膜可以在那里扩散到纤毛尖端。在这里，Smo拮抗下游抑制剂，如Su（fu）并阻断Gli3的磷酸化。被激活的Gli蛋白从抑制中释放出来，被运输到细胞体，并最终进入细胞核，在那里刺激Hh靶基因的表达。

然而，这个模型并没有定义纤毛中发生的生化事件。Gli3的加工被认为是通过蛋白酶体介导的(王和李，2006;Pan等人，2006年)EM未在纤毛中发现蛋白酶体。然而，纤毛基底体中富含蛋白酶体(Wigley等人，1999年)。因此，纤毛中可能发生蛋白水解过程所需的其他一些事件；可能通过加工所必需的激酶之一进行磷酸化（PKA和GSK3β；Wang等人，2000年;Tempe等人，2006年)一旦Gli蛋白被转运回基底体，就会发生有限的蛋白水解。相比之下，调节Gli激活物形成的事件的性质仍然很神秘，即使是果蝇属Ci公司(Méthot和Basler，2000年)。

纤毛不仅仅是Hh信号转导机制富集的场所吗？

迄今为止所描述的结果表明，Hh信号传导需要IFT蛋白，一些Hh信号蛋白在纤毛中富集。这些发现并不排除IFT蛋白在纤毛外运输Hh通路成分的可能性，以及纤毛中Smo、Glis和Sufu的富集对其活动不是必需的。然而，一些小鼠纤毛相关蛋白的突变也显示Hh信号改变。对这些突变体的分析表明，Hh信号传递需要纤毛，而不仅仅是鞭毛内运输机制。此外，一些突变体表明正常的Hh信号转导依赖于睫状体蛋白的积极参与。

小鼠功能丧失办公室1首先被确定为人类口腔面部数字综合征1中受影响的基因，导致与IFT突变体相似的表型。OFD1蛋白定位于基底体和中心体，而不是纤毛(Romio等人，2004年)，但它是纤毛形成所必需的(费兰特等人，2006年)。Ofd1与X有关，尽管人类办公室1基因不受X灭活；女性杂合子办公室1突变有一种综合征，包括颅面和手指畸形，偶尔还有多囊肾，可能是由于基因的单倍体不足。办公室1突变对半合子的人类男性来说显然是致命的。在小鼠中办公室1基因会被X灭活，因此，办公室1突变雌性小鼠的表型比人类雌性小鼠更严重，可能是因为X染色体随机失活导致马赛克功能丧失(费兰特等人，2006年)。办公室1无效突变小鼠未能在胚胎节点形成纤毛，并显示出相关的左右模式随机化。腹侧神经细胞命运未在办公室1突变体雄性胚胎和突变体表达直接Hh靶基因补丁1低水平，表明Hh信号在这些胚胎中有缺陷。因此，这种中心体/基础体蛋白的丢失阻止了纤毛的形成，并干扰了Hh信号传导，这支持了纤毛是Hh信号传递所必需的假设，超出了IFT蛋白的要求。

办公室1突变体肢芽表现出Gli3R靶基因的异位表达，如HoxD公司前肢芽中的基因表明，与IFT突变体一样，Gli3R的形成受损，这与在办公室1/+雌性胚胎。然而，与之相反88英尺和Dynch2型突变体，办公室1-缺陷雄性肢芽表现出正常水平的补丁1和Gli1公司在后肢芽中表达。这些数据表明，尽管OFD1似乎是神经管中的Gli激活剂功能所必需的，但OFD1在肢芽中并不需要。因为不知道纤毛是否存在于办公室1突变体肢体芽细胞，这些突变体细胞可能保留了基础身体功能和/或纤毛发生的某些方面，允许正常的Gli激活物功能，但阻止Gli3R的形成。进一步的研究可能会查明办公室1突变分离了纤毛和基底体在调节肢体Gli蛋白活性中的功能。

最有趣的是，一些纤毛相关蛋白在Hh信号传导中的作用与上述驱动蛋白、动力蛋白和IFT复合物B蛋白中的作用不同。例如，与Gli激活物功能被破坏的复合B IFT蛋白的丢失形成直接对比的是，小鼠的基因突变为空如果122编码复合物a蛋白，导致刺猬通路的结构性激活和神经管的腹侧化（J.Qin和JTE，准备中）。遗传学研究表明，小鼠IFT122在Shh和Smoothened下游但在转录因子Gli2上游的途径中发挥作用。与复合物B相反国际英尺突变细胞，如果122突变体细胞有初级纤毛，但这些纤毛在形态上异常，在纤毛轴丝及其顶端有明显的IFT蛋白积聚，这种表型与缺乏逆行IFT动力蛋白运动的突变体相似(皇甫和安德森，2005)表明逆行运输在如果122突变体。

秀丽隐杆线虫和衣原体也区分了复合物A和复合物B蛋白质的功能。虽然复合物B蛋白的缺失导致鞭毛的缺失，但复合物A蛋白的破坏对纤毛长度的影响较小(Brazelton等人，2001年;Piperno等人，1998年;Perkins等人，1986年;Blacque等人，2006年)。在复合物A缺陷的突变体中，鞭毛表现出肿胀或凸起，伴随着IFT蛋白在轴突内或顶端的积累(Perkins等人，1986年,Blacque等人，2006年)。一个对温度敏感的等位基因fla15衣原体显示复合物A IFT蛋白显著耗竭，而复合物B IFT蛋白水平正常，显示顺行速率正常，但逆行速率在允许温度下降低(Piperno等人，1998年)。这些数据导致了一种假设，即复合物B IFT蛋白对顺行转运很重要，而复合物A IFT蛋白可能专门用于逆行IFT(Piperno等人，1998年,Blacque等人，2006年)。

尽管如此如果122突变体令人惊讶，因为缺乏Dynch2（逆行IFT运动亚单位）的突变胚胎无法激活Hh靶基因，类似于复杂B突变体，这与如果122突变体。最近的数据表明，复合物A和B都可能参与运输过程的几个方面。例如，复杂的A IFT蛋白可以以复杂的B非依赖性方式与激动素II结合（Pederson等人，2006；Ou等人，2005年)。因此，复合体B和复合体A都可能在顺行运输中发挥作用，并且具有不同的货物特性。复合物B通常需要用于组装纤毛的货物的顺行运输（例如微管蛋白二聚体、放射状辐条蛋白和纤毛的其他结构成分），而复合物A IFT蛋白可能对用于远端翻转或逆行运输的机械的运输很重要。因此，由于纤毛内拮抗Gli功能的特定因子的顺行运输缺陷，IFT122的丢失可能导致该途径的结构性激活。

Arl13b（以前叫Arl2l1，斑马鱼的同源物蝎子基因；Sun等人，2004年)是Ras超家族Arl/Arf亚组的一个小GTPase，在纤毛的形成和Hh信号传导中起着独特的作用。Arl13b蛋白定位于纤毛的轴，缺乏Arl13b的小鼠突变体具有结构异常的短纤毛，其中外双重体的B小管是开放的（T.Caspary和KVA，提交）。再加上纤毛结构的缺陷，突变胚胎显示出一种新的神经模式缺陷，其中最背侧和最腹侧的细胞类型都没有明确规定，运动神经元的结构域（出现在中间位置）大大扩展。对具有Hh通路核心成分的双突变体的分析表明，Arl13b突变胚胎中Gli3阻遏物活性正常，但Gli激活物在低水平上具有组成活性。因此，虽然正常的纤毛对Gli蛋白的激活和阻遏活性都是必需的，但这些事件在Arl13b纤毛中是分开的，Arl13b纤毛可以调节Gli阻遏物，但不能调节激活物。

的表型如果122和Arl13b公司突变体表明纤毛不仅仅是Hh通路成分集中的感觉天线。相反，纤毛的结构和动力学似乎在Hh信号传导中起着更重要的作用。还需要进行更多的研究，以解决纤毛中的蛋白质如何与Hh信号成分相互作用和调节，以及编码IFT蛋白和纤毛其他成分的基因的空间调控表达（例如。皇甫和安德森，2005)调节Hh信号。许多其他脊椎动物特异性基因已被确定，与IFT蛋白、Smo下游和Gli蛋白上游在同一步骤影响Hh信号传导。其中包括该途径的阳性和阴性调节因子（小鼠Rab23、Fkbp8和Sil、斑马鱼Iguana和鸡Talpid3；Eggenschwiler等人，2001年;Bulgakov等人，2004年;Izraeli等人，2001年;Sekimizu等人，2004年;Wolff等人，2004年; Davey等人，2006年），也可能影响纤毛。有必要研究这些突变体中纤毛的结构和这些蛋白质的亚细胞定位，以了解这些蛋白质是否也通过纤毛影响Hh信号传导。

所有脊椎动物的Hh信号都需要纤毛吗？

上述研究证实，在小鼠胚胎中，对刺猬配体的所有反应都需要纤毛。在果蝇属，阻止纤毛形成的突变对Hh信号没有影响，纤毛仅限于感觉神经元(Avidor-Reiss等人，2004年;Han等人，2003年)。因此，这种进化上保守的信号通路要么在脊椎动物谱系的某个阶段与纤毛耦合，要么在导致双翅目昆虫的谱系中失去与纤毛的耦合。

事实上，目前尚不清楚是否所有脊椎动物都需要纤毛来传递Hh信号。爪蟾纤毛受损的胚胎显示刺猬信号缺失(Park等人，2006年)。然而，另一种脊椎动物的最佳遗传数据来自斑马鱼，斑马鱼的IFT突变体与Hh信号之间没有联系。中的突变88英尺,172英尺,81英尺和57英尺以及吗啉代敲除52英尺都会导致囊性肾脏，以及肾脏和其他组织中纤毛结构的缺陷(Sun等人，2004年;津川和马利基。2004)。然而，这些突变体并没有表现出斑马鱼Hh途径突变体体节模式特征的缺陷，尽管它们确实表现出腹部弯曲的尾巴，这是一些Hh途径变异体中相对非特异性的表型。缺乏明显的Hh表型可能是由于母体基因产物的持久性，因为即使在国际英尺突变体。Smo中的序列基序是定位于MDCK细胞纤毛所必需的，也是斑马鱼Smo活性所必需的(Corbit等人，2005年)这表明纤毛对斑马鱼的Hh信号也很重要。斑马鱼移植国际英尺将生殖细胞突变为缺乏PGC的宿主(Ciruna等人，2002年)将有可能产生缺乏母体和合子IFT蛋白来源的动物，然后测试斑马鱼Hh信号是否需要IFT。

还有其他依赖纤毛的发育信号吗？

小鼠IFT突变胚胎的一个引人注目的方面是，所有明显可见的表型都可以解释为缺乏Hh信号传导的结果：开放的神经管、神经模式的变化、多指畸形和未能启动肺部发育都可以直接归因于Hh信号传导的破坏。这给人的印象是，在发育过程中，初级纤毛是负责Hh信号传导的细胞器。事实上，目前还没有确凿的证据表明任何其他发育信号通路都依赖纤毛。然而，IFT突变体在妊娠中期的致死性和Hh信号传导中断导致的明显缺陷可能掩盖了纤毛的其他作用，纤毛和其他发育信号传导途径之间存在一些联系，我们将在下文中进行探讨。

标准Wnt信号

Hh和典型Wnt信号通路有许多惊人的相似之处(努塞，2003年;Lum and Beachy，2004年)。两者都依赖蛇纹石受体进行通路激活（Smo；Frizzleds）。两者都依赖于蛋白质体依赖性事件的调节（Gli3的处理；β-catenin的调节降解）。因此，有理由怀疑Wnt信号是否也依赖于纤毛，一些观察已经引起了人们对这种可能性的极大兴趣(Simons等人，2005年;Ross等人，2005年)。如果纤毛确实在Wnt信号传导中发挥作用，纤毛可以为同时暴露于这两种信号的细胞中Hh和Wnt通路的整合提供一个位置，就像在腹神经管中一样(Lei等人，2006年)。

几项实验的结果表明，纤毛缺失可能导致典型Wnt信号升高。虽然IFT蛋白丢失导致囊性肾的起源存在争议，但有人认为，多囊蛋白丢失导致的钙增加可能激活Wnt信号，从而导致增殖。激活型β-catenin在肾脏中的表达导致过度增殖和肾囊肿(Saadi-Kheddouci等人，2001年)和胞质和核β-连环蛋白水平升高，在出生后的囊性肾中报告为条件性缺失基夫3a在肾脏里(Lin等人，2003年)。IFT缺陷动物出生后胰腺中的β-catenin也有类似增加(Cano等人，2004年)。然而，在条件基夫3a突变株在出生后进行检测，而囊性器官在e14.5-15.5时即可检测到。因此，有必要在发育的早期阶段分析信号通路，或在成人中使用条件灭活（如Piontek等人，2004年)观察核β-连环蛋白升高是否是因IFT丧失导致囊性肾的原因或后果。

尽管在肾脏和胰腺中IFT和Wnt信号之间存在潜在的联系，但IFT突变体的表型表明纤毛对于典型的Wnt信号并非必不可少。缺乏典型Wnt信号的小鼠突变体应在发育早期停止，并表现出典型Wnt信息缺失的表型特征。例如，重量3突变体在原肠胚形成时死亡Lef1 Tcf1双突变体（缺乏两种调节Wnt信号传导的转录因子）在e10.5死亡，尾芽中有特征性的细胞聚集(Liu等人，1999年;Galceran等人，1999年); 这两种表型在零或部分功能丧失IFT突变体中均未见。Wnt信号的升高也会导致早期发育的严重中断，如缺乏负调控因子Axin或APC的突变体(Zeng等人，1997年;Chazaud和Rossant，2006年)它们在发育早期死亡，具有特征性表型，与IFT突变体胚胎中的缺陷没有重叠。

典型Wnt信号转导的转基因报告基因在172英尺突变胚胎，这直接证明了在没有纤毛的情况下，妊娠中期胚胎中典型的Wnt信号既不降低也不升高(图4)。因此，由于发育过程中信号通路之间的复杂关系，发育中肾脏中IFT的丢失可能会干扰Hh信号，进而导致Wnt信号的不适当激活。任何一个Shh的缺失都会导致一个或两个肾脏的发育失败，但那些发育的突变肾脏会出现小管扩张(胡等，2006)。因此，囊性肾表型可能是由于肾脏发育特定阶段Hh信号缺陷所致。为了测试这种可能性，有必要记住，IFT的丢失可能会对Hh靶基因的活性产生细胞类型特异性影响，这取决于相关细胞中Gli-activator和Gli-respressor的相对重要性(图2)因此，IFT缺失对发育中肾脏Hh信号转导的影响可能与两者不同嘘或Gli3公司突变体。

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图4

小鼠胚胎中典型Wnt信号在172英尺突变胚胎。Topgal转基因包含驱动β-半乳糖苷酶表达的多重Lef/Tcf结合位点，并作为内源性Wnt信号位点的忠实报告者(DasGupta等人，1999年)。a.携带Topgal报告者副本的野生型e10.5胚胎。β-半乳糖苷酶在许多不同的部位表达，在发育的这个阶段，典型的Wnt信号传导是活跃的。B.纯合子172英尺(维姆)携带Topgal报告基因拷贝的胚胎表现出国际英尺突变体；最明显的表现是开放的神经管缺乏正常的神经组织腹侧沟。Topgal报告基因在突变体和野生型的同一组细胞类型中表达，并且表达水平无法区分。

当考虑纤毛在肾脏和胰腺中的作用时，重要的是要记住，在特殊的细胞类型中，可能有不同的蛋白质与纤毛相关。活动纤毛和非活动纤毛之间，节点、脑室和支气管细胞上的特殊活动纤毛，感光细胞和嗅觉细胞上的非活动纤毛之间存在明显的形态学差异（综述于Rosenbaum和Witman，2002年)。此外，相似类别的纤毛之间存在分子差异。例如，左-右动力蛋白（lrd）是淋巴结细胞运动所必需的，但对支气管或室管膜细胞的运动显然不是必需的(Supp等人，1999年)多囊藻毒素-1在肾脏的机械感觉纤毛中表达，但在胚胎淋巴结中不表达(Karcher等人，2005年)。因此，蛋白质被输送到纤毛的过程中存在细胞类型特异性调节。因此，重要的是测试Wnt信号通路成分是否定位于特定发育组织中的纤毛。例如，左右不对称和正常肾脏发育所需的转化酶蛋白与纤毛和中心体有关(Watanabe等人，2003年)。反转素可以绑定Disheveled1（Dvl1）(Simons等人，2005年)是规范和非规范Wnt通路的一个组成部分，测试Dvl1是否与特定细胞类型（如发育中的肾脏）中的纤毛相关将很有意思。

与纤毛相关的人类遗传病是否反映了信号通路的中断？

在过去的十年里，人们已经清楚地认识到纤毛和基础身体功能的缺陷与人类疾病密切相关。除了上述原发性纤毛运动障碍引起的疾病（例如Kartagener综合征）外，还有数十种人类先天性疾病与纤毛和/或基底体缺陷有关。纤毛、基底体和人类疾病之间的联系已通过一组进化上保守的基因的鉴定而得以促进，这些基因与纤毛和基底体特异相关。全基因组序列的比较导致人们认识到纤毛存在于动植物的真核祖先中，但在当前生物的谱系中已经独立消失。例如，衣原体有鞭毛（结构相当于纤毛），但拟南芥（另一种植物）没有。根据十个不同实验室对纯化鞭毛进行的全基因组序列比较、表达研究和蛋白质组学分析，确定了纤毛和/或基底体内约1200种不同蛋白质的纤毛蛋白质组；http://www.ciliaproteome.org/browse.shtml)。这一部分列表为确定与纤毛相关表型相关的基因提供了宝贵的资源。包括多囊肾病、视网膜变性、嗅觉缺失、多指畸形或坐位逆转在内的综合征可能会影响纤毛。其中包括Bardet-Biedl综合征（BBS）、Alstrom综合征（ALMS）、Meckel-Gruber综合征（MKS）和口腔面部数字（OFD）综合征。其中一些综合征包括与纤毛不明显相关的特征，包括肥胖和精神发育迟滞。而不是提供关于这些“纤毛病”的文献综述（有关最新综述，请参阅Badano等人，2006年)，我们在这里考虑这些疾病是否可能源于发育信号过程的中断。

如上所述，人类女性在OFD1公司（导致I型口齿面部综合征的基因）可能患有多囊肾病，并伴有手指和面部的异常，OFD1蛋白定位于基体，是纤毛组装所必需的。OFD I型患者表现出的特征通常可归因于纤毛功能缺陷，OFD1女性中的某些特征可能反映出对Hedgehog通路的控制缺陷。例如，肢体异常，如并指和多指，可能是由于发育过程中未能生成Gli3阻遏物所致，因为小鼠和人类在Gli3公司（Greig头多指畸形和Pallister-Hall综合征）表现出相似的特征。此外，诸如腭裂、唇裂和牙体发育不全等特征都与前脑无裂畸形相关，都与OFD1和Gli2功能丧失有关（Mo等人，1997年，维埃拉等人，2005年)。

BBS是一种遗传异质性综合征：11个不同基因的突变已被证明可导致BBS。BBS4、BBS5、BBS6和BBS8蛋白（以及Alstrom综合征和Meckel-Gruber综合征蛋白ALMS1和MKS1）定位于基底体和中心体(Ansley等人，2003年;Li等人，2004年;Kim等人，2005年;Kim等人，2004年;Hearn等人，2005年;Dawe等人，2007年)。小鼠突变背景1,Bbs2型,背景4和Bbs6（Mkks）模仿人类Bardet-Biedl综合征的某些表型，包括肥胖、嗅觉障碍、棒-酮营养不良、听力损失、多囊肾病、反转位和多指畸形。大多数这些特征可以用视觉和嗅觉系统的特殊纤毛缺陷和肾纤毛缺陷来解释。BBS患者的倒置部位可能是由于胚胎淋巴结中运动或机械感觉纤毛的缺陷所致(McGrath等人，2003年)。虽然目前还没有描述小鼠突变体的侧性缺陷，但研究突变体中的节纤毛可能是可行的。与人类BBS相关的多指畸形可能与Hedgehog信号失调有关，尽管在小鼠BBS突变体中未发现多指畸形，这使得很难验证这个假设。

这些综合征的其他特征（如肥胖）的起源仍不清楚。有趣的是，小鼠突变为塔比牌手表基因与BBS患者具有共同特征，如肥胖、视网膜变性和听力损失(Ohlemiller等人，1995年)。Tubby蛋白家族的其他成员也有纤毛相关的活动。例如，在背景2和管状蛋白1(塔尔1)小鼠突变体，视紫红质不能通过连接纤毛有效地运输到视网膜感光细胞的外段，明显导致感光细胞死亡(Nishimura等人，2004年;Hagstrom等人，1998年;Hagstrom等人，2001年)。小鼠Tubby-like蛋白3（Tulp3）定位于纤毛的基底体和尖端，在神经系统和肢体中起到Shh信号拮抗剂的作用（R.Norman.A.Ikeda和JTE，正在准备中）。就像BBS患者一样，塔尔3小鼠突变体是多指的。秀丽线虫Tub1和BBS1均在纤毛神经元中表达，并参与控制脂肪储存。这个秀丽线虫bbs1；浴缸1双突变体表现出相同的表型英国广播公司-1和浴缸-1单个突变体，表明这两个因子在同一途径中发挥作用(Mak等人，2006年)。Tubby参与了几个信号传递过程，并且已经证明该蛋白从膜上易位，在膜上与PIP相关₂在细胞核中，它能够结合DNA，以响应特定G蛋白偶联受体的激活，如5-HT（血清素）受体(Santagata等人，2001年)。鉴于5-HT信号与控制体重、进食行为和脂肪沉积密切相关（参见Meguid等人，2000年)5-HT（6）受体定位于纤毛(Brailov等人，2000年)很容易推测BBS和Tubby蛋白可以通过允许纤毛内发生适当的5-羟色胺能信号来控制肥胖。

机械研究秀丽线虫已经表明，BBS蛋白在具有从标准外加倍体远端延伸的单线微管的特殊纤毛中具有特殊功能。秀丽线虫BBS7和BBS8是纤毛远端组装所必需的，被认为可以协调两个顺行运动的活动，即驱动蛋白-II和Osm-3(Ou等人，2005年)。这就提出了一种可能性，即哺乳动物的BBS蛋白可能并非在所有纤毛中都起作用，而是在特定类型的纤毛中发挥特殊功能，例如在感光细胞中构建或维持远端。

Meckel-Gruber综合征3型和Joubert综合征6型也表现为肾囊性发育不良和中枢神经系统畸形，两者都与肾细胞的突变有关MKS3公司基因（Smith等人，2006；Baala等人，2007）。MKS3公司编码Meckelin，一种与Wnt受体成分Frizzeds相关的新型七程跨膜蛋白。与其他结构类似的蛋白质如平滑和5-HT受体一样，Meckelin定位于初级纤毛和质膜，并与MKS1（Meckel-Gruber综合征1型中突变的基础体相关因子）共同免疫沉淀(Dawe等人，2007年)。这些发现表明，Meckelin和MKS1可能在特化纤毛中发挥作用，参与一种未知的信号转导途径，对肾脏和中枢神经系统的发育至关重要。

初级纤毛是信号转导机器吗？

有人认为，伸入细胞外空间的纤毛充当了接收细胞外信号的触角(Singla和Reiter，2006年)。如果刺猬配体与纤毛上的Patched受体结合，纤毛确实可以充当这样的天线。然而，将纤毛视为信号机也是有用的。像核糖体这样的细胞器含有几十种蛋白质，它起着制造有序化学反应的加工机器的作用。纤毛至少和核糖体一样是一种复杂的细胞器，有数百种蛋白质专门用于纤毛的组织。纤毛中发生的事件的复杂性表明，将纤毛视为另一种充当过程细胞机器的细胞器可能是有用的。哺乳动物刺猬的信号传递依赖于纤毛中发生的一系列有序事件。在没有配体的情况下，纤毛提供Gli转录因子的基线调节，而Gli转录因素必须定位于纤毛才能进行处理。配体对该途径的激活促进跨膜蛋白Smo重新定位到纤毛的基底，使其能够运输到纤毛尖端，在那里它可以与Sufu、Glis和其他蛋白质进行有序的相互作用。当这些反应完成后，逆行IFT选择适当修饰的Gli，将其运输回纤毛基底部，最终到达细胞核。如果体内的其他信号通路依赖纤毛，纤毛的复杂组织可能会指导通路之间的特定相互作用。纤毛结构的细胞类型特异性调节将为信号转导和串扰过程增加灵活性。未来的研究将显示纤毛是否可以作为信号积分器以及信号装配线。

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引用的文献