FGF18在脊椎动物胚胎发育中的表达和调控作用

翟 凤， 吴美玉， 程继亮， 黄金枝， 李校堃,*， 姜 潮,*

(1.吉林农业大学中药材学院，吉林长春 130118； 2.温州医科大学,浙江温州 325035)

FGF18在脊椎动物胚胎发育中的表达和调控作用

翟 凤1， 吴美玉2， 程继亮2， 黄金枝1， 李校堃1,2*， 姜 潮1,2*

(1.吉林农业大学中药材学院，吉林长春 130118； 2.温州医科大学,浙江温州 325035)

摘要成纤维细胞生长因子18(FGF18)是成纤维细胞生长因子家族的成员之一，参与调控一系列重要的生长发育过程，包括脑的发育、肢体和躯干的形成、骨骼生长发育和胚胎发育等。就FGF18在脊椎动物胚胎发育时期的神经系统、呼吸系统、骨骼、肢体及不对称发育等组织、器官中的表达和调控作用进行了综述，以期为药物开发提供理论依据。

关键词成纤维细胞生长因子18(FGF18); 脊椎动物; 胚胎发育

发育的本质是由初始非常简单的细胞团形成有组织的结构的过程。胚胎发育过程包括图式形成、形态发生、器官发生。近代发育生物学的研究阐明了细胞外信号分子，如在各个发育设置中起作用的成纤维细胞生长因子、骨形态发生蛋白。发育过程中，细胞与细胞间的通讯至关重要，而细胞间的通讯全靠这些细胞外信号分子。这些分子存在于形成特定结构的组织中心，并能相互作用，影响组织结构的形成。

在脊椎动物中，有超过19种FGF的表达[1]。胚胎发育的许多方面都有FGFs的参与，如中脑-后脑交界处的发育[2]、神经视网膜的形成[3]、肢体发育[4]、肺分支的形态发生[5]、毛发[6-7]、内分泌腺[8]。1998年，Ohbayashi等[9]首次从老鼠胚胎中分离得到的成纤维细胞生长因子18(FGF18)不仅结构上与FGF8相似，且胚胎的表达模式也相似。

成纤维生长因子18又被称为肝素亲和生长因子，是一类通过与细胞膜特异性受体结合发挥作用的多肽分子。FGF18蛋白由207个氨基酸残基组成的多肽分子，初始的27个疏水氨基酸末端组成信号肽结构，与FGF4～8、FGF15和FGF17同属于分泌性蛋白。胚胎发育过程中，原条形成前，FGF18并不表达。原条延伸到胚胎中心时，FGF18在原条的前半部分表达。在原条的3个胚层(外胚层、中胚层、内胚层)中均有FGF18的表达。新形成的体节和体节中胚层的最前部区域中，FGF18的转录水平最高[10]。笔者就FGF18在脊椎动物胚胎发育时期的神经系统、呼吸系统、骨骼、肢体及不对称发育等组织、器官中的表达和调控作用进行了综述，以期为药物开发提供理论依据。

1FGF18在脊椎动物神经系统发育时的表达和作用

FGF18参与神经系统的发生与发育过程。脑组织一直被认为是神经系统的调控中心，而FGF18在中/后脑边界、前神经板、端脑前连合、下丘脑漏斗部、三叉神经节和躯干的背根神经节处均有表达，具有促进中脑发育、营养神经元的作用。

老鼠早期胚胎发育过程中，神经管和后肠中无FGF18的表达，但在端脑前连合和下丘脑漏斗部中有表达，在三叉神经节和躯干的背根神经节中也检测到FGF18的RNA[11]。Liu等[12]研究表明，在老鼠胚胎中，FGF8是第一个在中/后脑边界表达的生长因子，它反过来直接或间接地诱发FGF18在周围细胞表达[13]，Chi等[14]对老鼠FGF8突变的研究发现，如果FGF8基因突变，FGF18的表达水平会随之下降，即FGF8突变，相当于FGF8和FGF18同时突变。FGF17和FGF18直接表达在中脑，诱导中脑的膨大。在中脑细胞的增殖试验中，FGF18与FGFR2c和FGFR3c具有相似的结合亲和力[15]。

鸡胚内前神经板区域，FGF18早于FGF8开始表达，但随着FGF8表达的增加而逐渐减弱。原基分布图中，FGF18在前神经板处的表达区域对应一部分前脑和眼部[16]。

不同FGF结构不同，不同成员之间的结构也有差异，他们虽能支持神经元的生长，但缺乏神经系统特异性。FGF对中枢及外周多种神经元都有营养作用，不仅能促进神经元的存活和突起生长，同时对神经胶质细胞也有较强的促分裂作用，表现出神经系统的多功能性。FGF由神经元自身合成，通过自营养方式发挥作用[17]。

2FGF18在脊椎动物呼吸系统发育时的表达和作用

呼吸系统由呼吸道和肺两大部分组成。呼吸道是传送气体的管道，肺是进行气体交换的器官。呼吸系统的主要功能是执行人体与外界的气体交换，即不断地吸入外界的新鲜空气，呼出体内的二氧化碳，以保证人体新陈代谢的顺利进行。FGF18对胚胎时期呼吸系统中的呼吸道和肺的形成均有重要作用。大多数先天性异常气道是由呼吸道软骨缺陷引起的，FGF18是向发育中的软骨细胞提供增殖和定向信号，表明该细胞因子在呼吸道软骨的正常发育中起关键作用[18]。

FGF18在小鼠胚胎肺中大量表达。Usui等[19]通过对FGF18基因敲除(FGF18-/-)的老鼠肺的研究，阐明FGF18对胚胎肺发育的作用。FGF18-/-老鼠的肺尺寸比正常老鼠肺稍小，但并非FGF18-/-老鼠近远端气道分支受损造成的。生长18.5d的FGF18-/-老鼠的肺有以下特征：肺泡腔减少，间质性间质隔室，许多嵌入式毛细血管，细胞增殖减少，但肺上皮细胞标记基因的表达未受到影响。肺发育过程中，FGF18过表达将导致肺泡的体积增大和外围肺小管数量减少。FGF18在胚胎肺的发育后期肺部肺泡发育中发挥重要作用，而并非在形态肺分支形态发生期。

3FGF18在脊椎动物骨骼发育时的表达和作用

FGF18 在骨骼发育过程中起着重要的传递作用。体外和体内研究表明，FGF18 为骨骼发育的必要条件。FGF18 明显表达在长骨发育过程软骨细胞、骨髓间充质细胞和颅骨发育中的成骨细胞[20]。在骨骼形成过程中，FGF18通过活化FGFR2c或FGFR3c促进成骨细胞增殖和分化，但在软骨形成过程中，FGF18通过FGFR3c促进软骨细胞增殖、抑制软骨细胞的分化[21]。

在对 FGF18 基因敲除(FGF18-/-)小鼠胚胎的研究中，FGF18 基因敲除小鼠在胚胎发育期间能存活，但早在新生儿期(出生后30min内)，它们都死于青紫。所有 FGF18-/-小鼠骨骼发育异常，包括弯曲半径、胫骨和一些小鼠表现为发育不完全的腓骨。FGF18-/ -小鼠胚胎比野生型小10%～15%。FGF18-/ -小鼠的肋骨畸形导致胸腔体积减少，极易引发呼吸衰竭，这可能是FGF18 基因敲除小鼠过早死亡的原因[22]。研究表明FGF18 缺陷小鼠的颅缝延迟闭合，长骨骨化畸形[20-21]，进一步证实了 FGF18 成骨作用。在FGF18-/ -小鼠中，其胚胎成骨细胞的间充质细胞增殖呈下降趋势，但软骨细胞数目增加[21]。因此，在胚胎发育过程中，FGF18 最有可能促进骨形成和抑制软骨形成[21-22]。在软骨形成的早期阶段，FGF18 可增强BMP的功能，并通过抑制noggin表达促进软骨形成[23]。在胚胎发育期的骨膜中，FGF18可以通过增强软骨细胞的分化来促进软骨修复[24]。

4FGF18在脊椎动物肢体发育时的表达和作用

在脊椎动物肢体发育中，有多种FGFs表达，如FGF8、FGF10、FGF13、FGF18等。在鸡和老鼠胚胎的体节发生中，FGF18的表达模式由于物种不同而有所差异。鸡的体节发育早期阶段，FgF18表达是限制在中线和原条区域，在近轴中胚层无表达；随着发育的推进，FGF18在肢体节段性和体节前中胚层也被检测到，但表达水平被新形成的体节下调。9.25d龄的老鼠胚胎中，FGF18在各体节的尾部表达，除延髓体节前中胚层，FGF18转录物也出现对肌肉或肌腱的发育起作用的区域。

FGF18蛋白使用不当将导致肢体元素的减少和缺陷的形成[25]。Munos-Sanjuan等[26]研究发现，当表达FGF13和FGF18的细胞移植到肢芽的近端前部区域，骨缩短。因此，肢体骨骼元件的形成，有可能FGF18和FGF13之间分子相互作用导致的。

FGF18是四肢发育过程所必需的信号分子，是肢体内软骨内骨形成的反向调节物。FGF18可能通过FGFR3信号抑制肢体的生长，人骨发育不良和发育异常是由FGFR3的显性活化突变引起的[27]。研究表明，Sprouty过表达导致鸡胚中软骨生成，且FGFR3突变会使Sprouty过表达，因此，高水平的Sprouty蛋白将抑制正常的软骨内骨化所需要的FGF信号转导途径或其他RTK途径[28]，FGF18可能通过诱导sprouty表达减少肢体骨骼成分。

FGF18对肌肉和肌腱的生成也具有调控作用。对体节中诱导生肌发生的信号研究发现，轴上肌中的Myf5和MyoD是由Wnt和Shh信号诱导[29]，轴下肌则是通过Wnt和BMP信号诱导[30]。Mok等[31]研究鸡胚肢体的肌生成发现，在远侧肢芽表达的FGF18通过ERKMAP激酶信号转导通路调节生肌标记Myf5和MyoD的表达。

5FGF18在脊椎动物毛发发育时的表达和作用

毛发生长周期分为3个时期，分别为生长期(生长或发育阶段)、退行期(回归或凋亡阶段)和静止期(休息或静止阶段)[32]。FGF18在静止期高表达，可以控制静止期的长度，阻止毛发生长周期由静止期向生长期转变。

叉头转录因子Foxp1是保持毛发生长周期中静止期的重要因子。皮肤上皮细胞中Foxp1丧失将促进细胞的活化，导致毛发周期的静止期严重缩短。相反，角质细胞中Foxp1的过度表达可阻止细胞增殖，使细胞周期阻滞。成纤维细胞生长因子18(FGF18)为Foxp1的关键下游靶基因，外源性的FGF18可以防止Foxp1缺失小鼠的毛囊干细胞过早地被激活[33]。FGF18在隆突细胞表达，内层中尤其丰富，除去或消融表达FGF18的内隆突细胞导致毛发生长周期进入生长期，但该影响会被外源性FGF18阻止[34]。

6FGF18在脊椎动物胰腺发育时的表达和作用

Dichmann等[8]对老鼠胚胎胰腺中表达的FGF进行检测，发现有FGF18的表达。FGF18没有直接由合成细胞分泌的信号肽，然而，将细胞瞬时转染分泌的FGF18静脉注射成年小鼠体内，胰腺导管和外分泌腺上皮的增殖增加[35]。FGF18在胰腺发育过程中均有表达，但表达水平未改变，可能是参与维持胰腺上皮的增殖。

7FGF18在脊椎动物不对称发育时的表达和作用

脊椎动物单从体表特征来看，一般呈两侧对称，但大多数内脏器官和系统在体内多为不对称分布，且此种分布方式对于器官或系统功能的行使是必须的。左右不对称发育起始于胚胎时期，打破了机体两侧对称的发育模式。

鸡胚中，当原条的前端形成原结，又称亨森氏结(Hensen′sknot)时，FGF18主要表达在亨森氏结的右侧。当脊索开始从节点延伸，FGF18在右侧的不对称表达更为明显，但此种不对称表达非常短暂。当FGF8在节点右侧的不对称表达开始出现时，FGF18的不对称表达开始模糊不明显。FGF18早于FGF8表达，然后诱导节点的FGF8表达。FGF8在矫正脑、心脏、内脏和咽喉骨架的左右不对称发育过程中是必需的，当FGF8缺失时，中胚层侧板的nodal信号完全打乱，导致脑和脏器的左右定位异常[36]。

8小结

在胚胎发育早期，FGF18在人类胚胎中表达相比于小鼠胚胎有很大限制。人胚胎30d时，FGF18仅在头部间充质表达，而10d老鼠胚胎即可在脑、神经节、间充质、耳囊和肌腱中检测到[37]。在妊娠期八周的人胚胎里，FGF18表达在头侧和下颌凝聚间充质、meckel's软骨和椎骨原基周围的软骨膜、中肾管和心室心肌，而在小鼠或大鼠的胚胎研究中，头侧和下颌凝聚间充质，中肾管和心脏尚未见报道[38]。因此，虽然FGF18在老鼠和鸡胚胎中的表达和调控作用的研究已经取得较大进展，但由于人类胚胎与他们存在差异，关于老鼠和鸡胚胎的研究成果只能作为研究人类胚胎的基础和借鉴。

关于FGF18的生物学活性及其对胚胎和产后动物的作用机制均有报道，但仍处于起始阶段，进一步明确该基因的调控机制非常必要。对于FGF18发挥作用的机制需要更多的研究者投身到该领域，为药物开发提供透彻深入的理论依据，最终将FGF18成功地应用于人类疾病的治疗。

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ExpressionandRegulatoryRoleofFibroblastGrowthFactor18onEmbryonicDevelopmentinVertebrates

ZHAIFeng1,WUMei-yu2,LIXiao-kun1,2*,JIANGChao1,2*etal

(1.CollegeofTraditionalChineseMedicine,JilinAgriculturalUniversity,Changchun,Jilin130118; 2.WenzhouMedicalUniversity,Wenzhou,Zhejiang325035)

AbstractFibroblast growth factor 18 (FGF18) is a member of the fibroblast growth factor family, involved in regulating a series of important process, including brain development, limbs and torso formation, skeletal growth and embryonic development etc. In this research, we reviewed the expression and regulatory role of fibroblast growth factor 18(FGF18) in neural system,respiratory system,skeleton,limb and directional asymmetry development,which provided theoretical references for its drug development.

Key wordsFibroblast growth factor 18(FGF18); Vertebrates; Embryonic development

基金项目国家高新技术研究与发展计划项目(2011AA100606)。

作者简介翟凤(1991- )，女，江西宜春人，硕古研究生，研究方向：天然产物化学。*通讯作者，李校堃，教授，博士，博士生导师，从事生物制药学研究；*通讯作者，姜潮，教授，博士，博士生导师，从事生物制药学研究。

收稿日期2016-03-28

中图分类号Q 954.4

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)12-130-03