第2节　肾脏发育的重要环节及其调控机制

在肾脏发育过程中，很多转录因子、生长因子、黏附因子及细胞外基质参与其调控，但是肾脏的发育很复杂，由于时间和空间环境的改变，同样的信号，传导通路和作用也不一样。

一、输尿管芽和后肾间充质的相互诱导

输尿管芽和后肾间充质的相互诱导是肾脏发育的基础和必要条件。输尿管芽发出信号诱导和维持后肾间充质分化为肾单位。输尿管芽不仅自身最后发育为集合管、肾盏、肾盂、输尿管；输尿管芽还向外生长并不断分支，决定肾脏结构和肾单位数量。输尿管芽分支形态发生异常，可导致先天性发育缺陷，单肾缺失、肾发育不良、输尿管畸形或膀胱输尿管反流，为临床上常见的肾脏输尿管发育异常。输尿管芽分支缺陷还可以导致肾小球数目减少，使个体在出生后容易患肾病，包括高血压和终末期肾衰竭。肾脏、输尿管发育缺陷有很大一部分与输尿管芽的发育异常有关。

胶质细胞源性神经营养因子（glial cell line-derived neurotrophic factor，GDNF）是输尿管芽末端周围后肾间充质分泌的一种生长因子，通过自始至终存在于输尿管芽顶端的受体Ret（酪氨酸激酶），经过磷酸肌醇-3激酶（PI-3K）及细胞外信号调节激酶（ERK）途径，刺激输尿管芽细胞的增殖和迁移，导致输尿管芽延伸、分支并侵入后肾间充质。GDNF或Ret完全缺失（GDNF^-/-和Ret^-/-突变）导致输尿管芽形成失败，动物因肾脏和输尿管发育不全死于围产期。GDNF/Ret受到很多因子的调控。Eya1、Pax2和Six1、Six2、Six4等多种转录因子可上调后肾间充质中GDNF的表达。在输尿管芽伸入后肾间充质后，Ret的持续表达需要Emx-2，Emx-2的缺失导致输尿管芽不表达Ret和Pax2。Ret在输尿管芽的过度表达可引起肾囊肿和膀胱输尿管反流。Sprouty，一种酪氨酸激酶抑制剂，可调节Ret对GDNF信号的敏感性，是输尿管芽起源所必需的。Foxc1决定了GDNF在中间中胚层的限制性表达，Foxc1基因缺失可导致多个输尿管芽的形成，进而引起带有多条输尿管的异常膀胱以及肾积水。Slit2-Robo2限制GDNF的表达；Slit或Robo基因缺失也可导致多个输尿管芽的形成。在人类，Foxc1和Robo2基因突变与先天性肾脏尿道异常及膀胱输尿管反流有关。研究发现，Robo2基因过表达也会导致后肾帽状间充质细胞发育障碍，肾小球数目减少和输尿管芽分支形成障碍。

二、帽状间充质分化为上皮细胞

输尿管芽和后肾间充质的相互作用，诱导肾单位的形成。帽状间充质细胞转分化为肾小囊体、逗号形体和S形体，最后形成肾小球上皮细胞和肾小管上皮细胞，是肾脏发育的重要环节。后肾间充质细胞定向分化为成熟肾脏固有的肾小球上皮细胞、肾小管上皮细胞以及基质细胞是肾脏胚胎发育的核心环节。许多因子及信号通路参与了后肾间充质上皮转分化的过程，如Six2、Wnt4、Notch1和Notch2分布在帽状间充质细胞、肾小囊体、逗号形体和S形体，可以作为各阶段的分子标志。Wnt信号通路在促进间充质细胞转化为上皮细胞表型中发挥着关键的作用。Wnt蛋白家族有19个高度保守的分泌型糖蛋白，作为一个信号通路的配体，与Frizzled受体家族、低密度脂蛋白受体相关蛋白5（LRP5）或LRP6结合，抑制糖原合酶激酶-3β，使β-catenin不被磷酸化而降解，维持胞质β-catenin的稳定，促使β-catenin进入细胞核，启动下游分子的转录，控制细胞的命运、细胞增殖、干细胞和祖细胞的自我更新等许多生命过程；也可激活不依赖β-catenin的通路，与跨膜受体酪氨酸激酶ROR2和RYK结合，影响细胞运动和极性。研究表明，Wnt4是后肾间充质分化成肾上皮细胞所必需的。输尿管芽末端细胞生成Wnt9b，刺激后肾间充质表达Wnt4。其他Wnt因子，包括Wnt1、Wnt3、Wnt7、Wnt11在体外可模拟Wnt4的作用诱导间充质分化为上皮细胞。转录因子Pax2可激活Wnt4的表达。细胞外基质有利于Wnt4的诱导作用，氨基葡聚糖的抑制物可阻抑上皮细胞分化。其他还有很多转录因子、生长因子、黏附因子和基质蛋白在后肾间充质上皮转分化和上皮细胞的维持中起着重要的作用。

Notch信号通路在胚胎肾脏的发育分化过程中也具有重要的作用。Notch受体与Delta/Jagged配体结合，激活γ-分泌酶分割出Notch的胞内段，进入细胞核，与Rbp-J DNA结合蛋白形成复合物，激活下游因子的转录。Notch1主要在肾小囊体到S形体的形成中发挥作用；Notch2主要贡献于近曲肾小管和肾小球足细胞的形成，Notch2缺失可引起肾小球、近端小管或S形体发育不良。但是，在成熟的肾脏，转化生长因子-β（TGF-β）所致的Notch1的激活可以导致足细胞损伤。CREB1是Notch2启动下游通路的重要因子，CREB1经cAMP激活的蛋白激酶A磷酸化后能募集转录共激活因子P300，然后与Notch2胞内段、RBP-J形成转录复合体而启动下游基因转录，在肾脏胚胎发育过程中起重要作用。

三、足细胞和肾血管球的形成

肾单位的形成是肾脏发育的重要环节。S形体细胞分别发育形成肾单位的不同节段，包括肾小球足细胞和肾小管上皮细胞。足细胞的形成和发育是肾血管球形成的基础。

足细胞的发育受到很多因子及信号通路的调控，其中Wt1是调控足细胞发生发育的主控基因，在肾脏有特异的表达。Wt1的表达具有组织和细胞特异性，以小鼠为例，在胚胎发育的E9.5天，尿生殖脊（urigenital ridge）的间充质细胞开始表达Wt1，随着肾脏发育，Wt1的表达主要集中在致密的间充质细胞，这些细胞最后可发育为肾小球足细胞（podocytes）。在发育成熟的肾脏中，Wt1在肾小球足细胞中特异表达。为了系统研究Wt1在肾脏发育和肾脏功能维持方面的作用，有学者制备了Wt1的基因敲除小鼠模型，结果发现，敲除Wt1后导致胚胎在E12.5～E14.5天死亡，而且发现没有肾脏发育，主要是由于Wt1敲除后导致尿生殖脊的间充质细胞发生凋亡。这个结果说明，Wt1在肾脏发育早期是细胞存活所必需的。如果在肾脏发育的E12.5天左右条件性敲除Wt1，间充质细胞不能进一步分化为肾小球足细胞，在刚出生的小鼠肾脏中没有肾小球，这个结果说明Wt1对肾脏发育过程中肾小球的分化起关键的作用（图2-2-1）。

图2-2-1　条件性敲除Wt1对胚胎肾小球发育的影响

注：A.出生第一天健康对照小鼠肾脏；B.条件性敲除Wt1后出生第一天的小鼠肾脏（没有肾小球形成，Wt1免疫组化×400）。

如果在发育成熟肾小球的足细胞中特异敲除Wt1就会引起大量的足细胞脱落，从而导致肾小球硬化、肾功能衰竭，因此Wt1对正常肾功能的维持也有非常重要的作用（图2-2-2）。

图2-2-2　条件性敲除Wt1对出生后肾小球足细胞的影响

注：A.成熟肾脏正常的肾小球；B.敲除Wt1后足细胞减少硬化的肾小球。

足细胞分泌血管内皮生长因子（VEGF）是调控内皮细胞分化，促进内皮细胞增殖和迁移以及肾小球毛细血管丛形成的必要条件。敲除足细胞中VEGF-A导致肾小球中内皮细胞缺失，表明足细胞的VEGF-A在肾小球形成及发育过程中起着重要作用。足细胞及其前体分泌VEGF通过旁分泌作用于邻近的内皮细胞，调控内皮细胞的增殖和迁移，也可能作用于足细胞本身发挥自身反馈调节。内皮细胞上VEGF的作用需要通过激活VEGFR1和VEGFR2两种受体来实现。