全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 22卷 第 2期
2010年 2月
Vol. 22, No. 2
Feb., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)02-0129-04
收稿日期：2009-07-27；修回日期：2009-09-01
基金项目：上海市自然科学基金 (09ZR1404000)
*通讯作者：E-mail：pingli2009@fudan.edu.cn；Tel：
021-54237926
Wnt信号在胚胎干细胞自我更新和分化中的作用
叶守东，谭　理，宋后燕，李　平*
（复旦大学分子医学教育部重点实验室 上海 200032）
摘要：胚胎干细胞分离自胚泡内细胞团，具有无限自我更新和多向分化潜能, 有很大的医学应用前景。
Wnt家族是一类分泌型的细胞信号传导蛋白，可以通过复杂的信号传递通路调控胚胎的早期发育，对
细胞的分化、增殖及生长具有重要的调节作用。该文就Wnt信号通路调节胚胎干细胞的自我更新和分
化作一综述。
关键词：W n t 信号通路；自我更新；分化
中图分类号：Q7 5；Q8 13
Role of Wnt signalling in the self-renewal and differentiation
of embryonic stem cells
YE Shou-dong, TAN Li, SONG Hou-yan, LI Ping*
(The Key Laboratory of Molecular Medicine, Ministry of Education, Shanghai Medical College,
Fudan University, Shanghai 20032, China)
Abstract: Embryonic stem cells, derived from the inner cell mass of blastocysts, hold significant potential for
clinical therapies because of their distinctive capacity to both self-renew and differentiate into a wide range of
specialized cell types. Wnts comprise a large family of secreted glycoproteins that regulate a variety of develop-
mental changes, including cellular proliferation, differentiation and migration. Here, we will review the impor-
tance of the Wnt signalling pathway in regulating the self-renewal and differentiation of embryonic stem cells.
Keywords： Wnt; self-renew; differentiation
胚胎干细胞可分化成三个胚层的各类细胞，具
有发育为任何组织或器官的细胞的能力，阐明胚胎
干细胞的转录调控网络和分化机制是了解人类发育
和基于干细胞治疗的基础[1]。而近年来对果蝇、两
栖类、哺乳类到人类Wnt 家族基因、编码产物及
其生物学效应的研究表明，Wnt信号途径参与了从
胚胎到成体的一系列控制细胞生长发育及分化的调
控过程，越来越多的研究表明其在发育生物学研究
中具有广泛而重要的影响。本文就Wnt信号通路在
胚胎干细胞自我更新和分化中的调节作一简述。
1 　胚胎干细胞的生物学特性
胚胎干细胞的自我更新可通过联合使用饲养层
细胞、条件性培养液及各种细胞因子等来维持，目
前对小鼠和人的胚胎干细胞研究表明，前者多能性
维持可通过外源性的信号通路，如LIF-gp130-Stat3、
BMP-Smad-Id进行调控；而后者依赖于 bFGF和
Activin A/TGF β信号，并受各自内源性的调节因
子，如 OCT4、Nanog、Sox2、Fgf4等影响[1 ,2]，
内外因素形成一个复杂的调控网络来控制胚胎干细
胞的自我更新和分化。作为在调控细胞生长、发育
和分化上起重要作用的Wnt信号途径，在这个调控
网络中的作用也受到越来越多的重视和了解。
2 　Wnt信号通路概述
Wnt基因是鼠类乳腺癌病毒诱导的小鼠乳腺癌
中克隆出的一种原癌基因，由 Nusse等[3]报道并称
为 int-1基因，与 1973年 Sharma报道的果蝇的无翅
基因Wingless(wg)为同源基因，故将两者合并命名
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为Wnt[3]。Wnt蛋白家族有 18种分泌型的糖蛋白，
根据其转导信号的方式，将Wnt信号转导途径分为
经典Wnt信号途径(canonical Wnt signal pathway)和
非经典Wnt信号途径(noncanonical Wnt signal
pathway)[4]
2.1　经典的Wnt信号通路
经典Wnt信号途径也称为 Wnt/β-catenin信号。
在没有Wnt信号的情况下， 细胞质中的 β- catenin
和大肠腺瘤息肉蛋白 (APC)、骨架蛋白AXIN、酪
蛋白激酶 ( casein kinase, CK)-1、糖原合成激酶(GSK-
3β)一起形成多蛋白复合物，GSK-3β和 CK-1对
β- catenin N未端第 41位苏氨酸及 33、37和 45位
丝氨酸进行磷酸化，磷酸化的 β- catenin与泛素结
合，最终被蛋白酶体降解。而当Wnt蛋白(如Wnt1,
Wnt3a)与跨膜受体 frizzled(Fzd)，以及共同受体低密
度脂蛋白受体相关蛋白 (LRP5/6)结合后，激活Dsh
(Dishevelled)蛋白，Dsh可诱导GSK-3β发生磷酸
化，使其与Axin脱离，拮抗 β-catenin-AXIN-APC-
GSK3复合物的形成，进而阻断 β-catenin的磷酸
化、泛素化降解，使得大量游离的 β-catenin在细
胞质中聚集，最后进入细胞核内与 Tcf /Lef家族转
录因子结合，调节靶基因，如 c-myc，cyclinD1等
的表达水平，启动靶基因的转录，促进细胞的增殖
或活化[4](图 1)。
2.2　非经典的Wnt信号通路
β-catenin非依赖性的Wnt信号通路由Wnt5a、
Wnt11等配体介导，主要由Wnt/planar cell polarity
(PCP)和Wnt/Ca2+两条信号通路发挥作用，前者通
过激活小G蛋白(包括 Rho和 Rac)、Jun N-未端激
酶(JNK)和 Rho激酶，促进肌动蛋白骨架的变化；
后者增加胞内Ca2+的浓度并激活钙离子依赖性的蛋
白激酶(CaMKII)及PKC，负性调节β-catenin依赖性
图1 Wnt信号通路示意图
通路或刺激细胞迁移[4,5](图 1)。
3　Wnt信号通路在胚胎干细胞中的作用
3.1　维持胚胎干细胞多能性和自我更新能力
Wnt信号通路的激活可由外源添加Wnt蛋白启
动或通过抑制GSK3或APC等信号通路中成分的活
性间接激活Wnt信号通路[4]。Hao等[6]把小鼠胚胎干
细胞分别培养在饲养层细胞C-STO，或表达Wnt蛋
白的饲养层细胞 C-STO-Wnt5a、C-STO-Wnt6和
C-STO-Wnt3a上，发现经过 2次传代，对照组 C-
STO上的胚胎干细胞不能形成克隆，不能有效地增
殖，OCT-4表达下降，而产生Wnt的 C-STO却能
有效地维持胚胎干细胞的自我更新和产生嵌合体的
能力。进一步研究发现Wnt5a和Wnt3a在胚胎干细
胞内通过阻止β-catenin的磷酸化而激活Wnt信号途
径，上调 Stat3的表达水平，并和 LIF磷酸化 Stat3
131第2期 叶守东，等：Wnt信号在胚胎干细胞自我更新和分化中的作用
信号通路协同作用维持胚胎干细胞自我更新。
Pereira 等[7]发现由Wnt信号控制的TCF3在胚胎
干细胞中抑制Nanog启动子的活性及其蛋白水平的
表达。Yi等[8]研究也表明TCF3可减弱和自我更新密
切相关的 Nanog、Tcl1、Tbx3及 Esrrb基因表达，
缺失TCF3的胚胎干细胞能够在不加LIF的培养基中
维持长期的自我更新能力，并延迟拟胚体的分化。
Cole等 [9]研究推测Wnt通过TCF3进入胚胎干细胞调
控网络，从而参与维持胚胎干细胞自我更新和分化
间的平衡。
Sato等[10]分析未分化的人胚胎干细胞表达谱发
现，Wnt信号通路受体Frizzled5及其靶基因FRAT2
和 Cyclin D1在人胚胎干细胞中大量表达。他们也
报道用GSK-3β的抑制剂 6-bromoindirubin-3-oxime
(BIO)在缺少LIF的条件下可有效地维持小鼠和人胚
胎干细胞中Oct3/4、Rex1及Nanog的表达水平，从
而维持细胞的未分化状态[11]，因为 LIF对人胚胎干
细胞的维持没有作用[11,12]，已有研究也表明小鼠和
人胚胎干细胞需要不同的信号通路来维持其自我更
新，但 BIO激活Wnt通路对小鼠和人 ES细胞自我
更新均具有促进作用，这其中的分子机制仍值得进
一步研究分析，而BIO为人胚胎干细胞未分化状态
保持提供了新的思路。
Ying等[13]采用三种化学小分子：CHIR99021、
PD184352和 SU5402，分别抑制小鼠的胚胎干细胞
GSK3、Mitogen-activated protein kinase kinase (MEK)
和 Fibroblast growth factor (FGF)受体酪氨酸激酶这
3个与细胞分化相关的信号通路后，发现小鼠胚胎
干细胞可长期保持自我更新而不需要促进细胞自我
更新相关的信号，如 L I F 等的作用。在这其中
CHIR99021抑制GSK3后激活Wnt信号通路可能与
细胞代谢以及ERK等信号受到抑制后细胞的生长有
关。这种“3 I”方法同样可以用于大鼠胚胎干细
胞株的分离建株[14]。Hanna等[15]也发现 CHIR99021
抑制GSK3有助于Nonobese Niabetic (NOD)鼠系早
期胚胎干细胞及重编成的多功能干细胞多能性的维
持。小鼠、大鼠和人的胚胎干细胞通过抑制GSK3
信号都能够长期的维持多能性状态和自我更新能
力，提示它们存在着共同的调控通路。
另外，对胚胎干细胞的研究发现APC基因突变
则可抑制胚胎干细胞向三胚层组织分化而维持其增
殖状态，这一效应主要是通过胞内β-catenin 浓度的
升高来实现的[16]。以上研究都表明了Wnt信号通路
与胚胎干细胞的多能性和自我更新能力的维持是密
切相关的。
3.2　影响胚胎干细胞分化能力
胚胎干细胞的全能性潜能可定向分化形成多种细
胞类型，如神经细胞、造血细胞、心肌细胞等等，
维甲酸可诱导其向神经细胞分化[17]，Aubert等[18]
发现分泌型的frizzled相关蛋白-2(secreted frizzled-re-
lated protein-2, sfrp2)作为Wnt胞外拮抗因子，在胚
胎干细胞向神经分化过程中在有或没有维甲酸的存
在下，都能够显著地诱导胚胎干细胞表达Шβ-tublin
(TuJ+)、Ngn2、Pax6、Pax7和 ShcC等神经元或
神经前体细胞的标志基因，但过表达Wnt1或用LiCl
(GSK3的抑制剂)处理能够降低这些基因的表达水
平。Yoshikawa等[19]也发现Wnt3a突变的小鼠胚胎
发育时有异位的神经管形成。此外，Haegele等[20]
发现抑制APC的活性能阻止胚胎干细胞向神经干细
胞的分化，同时引发Wnt信号通路的下游靶基因
Cyclins、C-Myc、BMP等的转录，BMP在体外具
有抑制胚胎干细胞向神经细胞分化的作用，但加入
BMP的抗拮因子Noggin可促进胚胎干细胞向神经干
细胞的分化程序，上述研究说明某些Wnt信号可影
响胚胎干细胞向神经细胞的分化命运。
胚胎干细胞诱导分化为造血细胞的过程类似于
胚胎在体内的发育，已作为研究造血发育调控的模
型得到广泛研究，而Wnt通路在这个分化过程中调
控的重要性已引起了研究者们的兴趣。Feng等[21]用
IL-3、IL-6和 EPO(促红细胞生成素)把胚胎干细胞
形成的拟胚体诱导成造血祖细胞，在分化细胞中检
测到了高表达的CD3e、CD11b、CD45R/B220、Ly-
6G 及 TER-119等造血标志基因，但 RT-PCR和
Western blot分析发现Wnt信号通路中的 β-catenin，
A x i n，G S K - 3 β 和 T C F 4 表达均受到了抑制。
Vijayaragavan等[5]发现人胚胎干细胞形成的拟胚体向
造血细胞发育的过程中，Wnt11通过Fzd7受体在造
血分化早期通过非经典的 W n t 信号通路上调
CaMKII，下调 β-catenin、OCT-4、Nanog及内胚
层相关基因(FoxA2、Gata5、Hnf3)表达水平，诱
导中胚层标志基因 Brachury及与中胚层相关的 E-
cadherin共表达，而Wnt3a则在后期通过经典的Wnt
信号通路促进造血谱系的分化。Lengerke等[22]也发
现 BMP4通过激活Wnt3a，促进 Cdx和Hox基因使
中胚层细胞发育成血液成分。此外Nostro等[23]发现
在Flk1+中胚层向造血系统分化过程中，需要VEGF
132 生命科学 第22卷
和Wnt，其中Wnt信号对于原始红系细胞很关键。
因此Wnt信号在胚胎干细胞向血细胞的分化决定中
也具有精确的调节。
4　结语
Wnt信号通路的激活，对于维持多种干细胞的
稳定增殖起着关键作用，已在胚胎干细胞、肠道干
细胞、造血干细胞(HSC)、皮肤干细胞内观察到该
信号通路在自我更新和分化方面的重要作用[24]，但
目前对于Wnt信号通路在胚胎干细胞的调控研究都
处于初级的探索阶段，而且Wnt信号往往与其他信
号形成一个复杂的调控网络共同作用，因此有必要
去阐明Wnt信号在胚胎干细胞和其它干细胞中的精
确功能，这对干细胞治疗和再生医学研究等方面都
具有非常重要的意义。
[参　考　文　献]
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