综述：细胞间信号通讯的连接——细胞信号丝的发育视角

该综述聚焦细胞信号丝（cytonemes），阐述其作为基于肌动蛋白的特化膜突起，在细胞通讯中的作用。探讨其在不同模式生物中的调控机制、在干细胞及发育性疾病中的功能，强调其在发育生物学等领域的关键作用与潜在应用。

　　

细胞通讯是多细胞生物发育的基石，协调着细胞行为、分化和组织形成。形态发生素（morphogen）作为组织架构模式形成的关键信号分子，传统上被认为通过扩散或内吞作用发挥作用，但难以解释复杂组织中精确的长距离梯度形成。细胞信号丝（cytonemes）的发现引入了一种直接细胞间信号传导的新机制，这种基于肌动蛋白的特化膜突起，其动态结构允许长距离信号传导，确保形态发生素传递的特异性和准确性，这对正常的组织模式形成和细胞分化至关重要。

细胞通讯中的特化信号丝状伪足

20 世纪后期，形态发生素生物学取得了突破性发现，鉴定出许多信号分子，如 Wingless/Integrated（Wnt）、Hedgehog（Hh）和骨形态发生蛋白（BMP），它们是胚胎发育和组织模式形成的关键调节因子。然而，这些分子在细胞间，尤其是长距离间的转移机制仍未完全明确。细胞信号丝的发现提供了一种更可靠的机制，这些极化的基于肌动蛋白的突起建立了类似突触的连接，促进形态发生素从产生细胞到接收细胞的传递。

细胞信号丝是特化的、封闭末端的基于肌动蛋白的膜延伸结构，具有动态和适应性的结构，优化了细胞间的信号传导。其长度可塑性受组织环境调节，通常长度从 1μm 到超过 200μm 不等，直径为 0.1μm 到 0.3μm。核心由紧密成束的肌动蛋白丝组成，从细胞表面延伸，为其延伸、收缩和定向生长提供机械强度和灵活性，这些肌动蛋白丝由小 GTP 酶动态调节，确保细胞信号丝在细胞通讯中所需的适应性。质膜富含特定的信号受体、粘附分子和形态发生素转运蛋白，使其能够捕获和传递 Hh、Wnt 和 Dpp 等信号分子。

与主要行使机械传感功能的普通丝状伪足不同，细胞信号丝具有三个显著特征：分子极化，即信号成分的顶 - 基底分选；受 Rho GTP 酶依赖的稳定性调节，其寿命（20 分钟）长于丝状伪足（2-5 分钟）；货物特异性，即形态发生素 - 受体复合物的特异性运输。

细胞信号丝与信号产生细胞和接收细胞之间形成的类似突触的接触点是高度有序的结构，能够实现精确的形态发生素运输和信号传递。这些特化的连接依赖多泡体（MVBs）和外泌体进行信号分子的靶向传递，并与复杂的钙依赖性调节机制相结合。在信号产生细胞中，MVBs 通过内吞作用形成，包裹 Dpp 和 Hh 等形态发生素，包括谷氨酸在内的小分子通过囊泡谷氨酸转运体（VGluT）装载到 MVBs 中。MVBs 的运输由细胞骨架网络引导，该网络涉及微管和肌动蛋白丝，并定向到质膜，特别是细胞信号丝附近的类似突触的接触区域，这种定向运动由细胞膜中的电压门控钙通道（VGCC）和内向整流钾通道（Irk）调节，它们产生特定的离子梯度来定向 MVBs。到达质膜后，MVB 的外膜与产生细胞的膜融合，释放管腔内囊泡（ILVs），随后被称为外泌体。

外泌体在接收细胞表面的定位和对接由位于信号产生细胞和接收细胞膜上的粘附蛋白（如神经连接蛋白 2）介导。在接触点，外泌体释放其内容物，包括形态发生素和谷氨酸。形态发生素与接收细胞表面的特定受体结合，而从外泌体释放的谷氨酸与非 NMDA 谷氨酸受体结合，导致钙通道激活和钙离子内流。钙离子的流入产生高钙浓度的局部微环境，激活钙传感蛋白突触结合蛋白 4（Syt4），进而促进信号分子的内吞作用，确保有效传递并放大形态发生素信号级联。

细胞信号丝介导的信号传递机制

细胞信号丝的生物发生主要由形态发生素 - 受体复合物驱动，触发细胞骨架重塑。Hh 和 Wnt 等形态发生素分别与干扰 Hedgehog（Ihog）和 Frizzled 等受体相互作用，激活包括细胞分裂控制蛋白 42 同源物（Cdc42）在内的 Rho 家族 GTP 酶的下游信号级联。GTP 酶信号汇聚于两个成核途径：线性延伸，即 formin 在细胞信号丝尖端聚合未分支的丝；分支稳定，即神经 Wiskott-Aldrich 综合征蛋白（N-WASP）招募 Arp2/3 复合物以加强横向肌动蛋白束，这种双重机制使突起快速形成，同时保持结构完整性，促进细胞信号丝的起始，使信号产生细胞能够准确靶向特定的接收细胞。

细胞信号丝的延伸和稳定由 Hh 信号通路中的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖（glypicans）和 Ihog 之间的反式相互作用调节。glypicans，包括异常延迟分裂蛋白（Dally）和 Dally 样蛋白（Dlp），介导与 Ihog 的跨细胞相互作用，这对细胞信号丝的定向和结构稳定至关重要。在果蝇翅盘中，细胞信号丝倾向于向 Ihog 水平较低的区域延伸，源自后（P）区室细胞（过表达 Ihog）的细胞信号丝朝向 Ihog 表达减少的前（A）区室细胞定向。Ihog 的 Fn1 结构域对这种相互作用至关重要，其缺失会损害细胞信号丝的正确定向。值得注意的是，细胞信号丝的稳定需要跨细胞相互作用（相邻细胞中的 Ihog 和 glypicans 之间），而顺式相互作用（同一细胞内）是不够的。

形态发生素加载到细胞信号丝上是一个精细调节的过程，涉及特定的蛋白质复合物，介导在细胞信号丝尖端的附着和稳定。在 Wnt 信号通路中，Wnt8A-ROR2 复合物在质膜上聚集，作为细胞信号丝形成的起始点，这些簇促进 Wnt8A 在细胞信号丝尖端的结合，使其在尖端积累。Wnt8A 在细胞信号丝尖端的持续积累支持了一种模型，即肌动蛋白调节信号促进局部肌动蛋白聚合，驱动富含配体的膜区域向外延伸到细胞信号丝中，从而确保有效和直接地向远处细胞传递信号。

沿细胞信号丝的形态发生素运输由肌动蛋白细胞骨架和分子马达驱动，确保有效地传递到靶细胞。在 Wnt 信号中，Vangl2 定位于细胞信号丝尖端，通过稳定形态发生素 - 受体复合物来提高运输效率。分子马达，如动力蛋白和肌球蛋白，协调沿细胞信号丝的双向运输：肌球蛋白驱动顺向运输到细胞信号丝尖端，而动力蛋白促进向细胞体的逆向运动。这种由肌动蛋白丝和马达蛋白协调的双向运输机制，确保了形态发生素向靶细胞的稳健和精确传递。

靶细胞延伸细胞信号丝以主动从源细胞获取形态发生素，形成类似突触的结构，促进直接的受体 - 配体相互作用。细胞信号丝之间的接触表现出多种形式，包括表明扫描和释放活动的瞬时连接，或由粘附蛋白或共受体加强的稳定关联。形态发生素接收的特异性根本上依赖于受体表达的特异性，尽管最近的一项研究表明，配体 - 受体复合物可以通过细胞信号丝从一个细胞传递到配对细胞，但靶细胞通常表达与传递细胞信号丝上富集的特定形态发生素相对应的适当受体。

细胞信号丝在发育信号中的功能作用

作为信号高速公路，细胞信号丝在组织发育过程中协调精确的细胞间通讯，果蝇的前气孔原基（ASP）是阐明其功能机制的关键模型。ASP 的形态发生依赖于三个离散区室之间的细胞信号丝介导的信号传导：翅盘、ASP 和下面的成肌细胞。ASP 的形成由翅盘上皮分泌的形态发生素如 Dpp 和 FGF 介导的信号传导所调控，Dpp 沿翅盘的 A/P 边界表达，形成对 ASP 发育至关重要的梯度，而 FGF 由后翅盘细胞的一个子集分泌。作为信号接收细胞的 ASP 细胞的细胞信号丝向这些形态发生源延伸，由 Dpp 或 FGF 信号诱导的不同类型的细胞信号丝，Dpp 诱导的细胞信号丝相对较短，直接与产生 Dpp 的细胞相互作用，而 FGF 诱导的细胞信号丝较长，便于与产生 FGF 的细胞接触。

在脊椎动物中，最近的研究显著扩展了我们对细胞信号丝的理解，揭示了超越果蝇模型的新机制。在发育中的鸡肢芽中，在产生细胞中观察到含有 Shh 的丝状伪足，共受体如 Cdo/Boc 定位于接收细胞的细胞信号丝上，这些发现表明基于细胞信号丝的运输是建立肢芽模式的基础。在斑马鱼胚胎中，Wnt5b 及其受体 Ror2 在同一细胞信号丝上共同运输，在产生细胞中形成配体 - 受体复合物，值得注意的是，该复合物在整个运输过程中保持活性。当细胞信号丝与接收细胞接触时，Wnt5b-Ror2 复合物通过动力蛋白依赖性内吞作用被内化，激活下游 JNK 信号通路，调节汇聚和延伸，并影响胚胎体轴的变窄和伸长。此外，Wnt5b 和 Ror2 的过表达导致形成更少但更长的细胞信号丝，这表明这些成分在细胞信号丝长度和形成中的调节作用。

在小鼠模型中，支持细胞信号丝在发育中的作用的证据不断增加，特别是在 Shh 信号中。肌球蛋白 10（Myo10）对于驱动基于肌动蛋白的细胞信号丝的形成和延伸至关重要，这些细胞信号丝将 Shh 运送到靶细胞，这一过程进一步由配体产生细胞中的 Dispatched（DISP）-Boc/CDON 共受体复合物促进，该复合物不仅促进细胞信号丝的形成，还介导 Shh 沿这些特化丝状伪足的装载和运输。当细胞信号丝尖端接触靶细胞时，它们将 Shh 递送到靶细胞附近，确保快速的信号响应，这种精确的机制能够有效激活 Hh 通路，有助于及时和强烈地激活发育程序。

干细胞中的细胞信号丝

基于对不同模式生物中细胞信号丝功能作用的洞察，最近的进展强调了细胞信号丝在干细胞生物学中的关键作用。干细胞以其自我更新和分化能力为特征，依赖于其微环境中的精确信号来维持组织稳态和再生。例如，Wnt/β-catenin 信号通路对于维持哺乳动物干细胞的自我更新能力至关重要。新出现的证据表明，细胞信号丝通过促进这些细胞对来自其微环境的信号的有效响应，为干细胞行为提供了新的视角，从而通过精确的信号机制保持其功能特性。

越来越多的研究强调了细胞信号丝在干细胞自我组织中的关键作用，特别是在体外胚胎干细胞（ESCs）和滋养层干细胞（TSCs）之间的相互作用中。ESC 和 TSC 的共培养为研究早期胚胎发育提供了有价值的模型，因为这些细胞形成模拟早期组织模式形成事件的胚胎样结构。在这个系统中，TSC 作为信号产生细胞分泌 Wnt 配体，而 ESC 作为信号接收细胞延伸特化的细胞信号丝与 TSC 直接接触，这种相互作用具有高度选择性，因为 ESC 优先响应 Wnt3a 而不是 Wnt5a，强调了细胞信号丝介导的信号传导中的配体特异性。这种特异性由位于细胞信号丝上的 Wnt 共受体 AMPA / 红藻氨酸型谷氨酸受体（离子型谷氨酸受体（iGluRs））和 LRP 介导，这些受体诱导局部钙瞬变，随后激活 Wnt/β-catenin 信号。

细胞信号丝不仅对干细胞的自我组织至关重要，而且对干细胞微环境的维持也至关重要。这些特化的突起作为信号分子的精确管道，从而确保干细胞的未分化状态并协调干细胞的分化。在果蝇中，细胞信号丝通过旁分泌信号机制整合到维持生殖系干细胞（GSC）微环境中，例如，在卵巢中，细胞信号丝介导帽细胞和 escort 细胞之间的 Hh 信号，这是 GSC 微环境维持的关键过程。

细胞信号丝也是不对称细胞分裂（ACD）的关键参与者，不对称细胞分裂是发育过程中产生细胞多样性的基本过程。通过促进信号分子的不对称定位，细胞信号丝直接影响子细胞的命运，确保一个子细胞保留干细胞特性，而另一个子细胞分化，这一机制对于维持组织稳态和促进适当的谱系多样化至关重要。在果蝇翅盘中，携带成纤维细胞生长因子受体（FGFRs）的成年肌肉祖细胞（AMPs）的细胞信号丝向产生 FGF 的细胞延伸，这种相互作用对于维持 AMP 的极性、粘附和驱动不对称分裂至关重要。

发育性疾病中的细胞信号丝

细胞信号丝不仅在促进基本的发育信号通路中成为关键机制，而且在各种疾病，特别是发育性疾病和恶性肿瘤的发病机制中也发挥着作用。细胞通讯的中断，尤其是由细胞信号丝介导的中断，往往是包括肿瘤发生在内的几种疾病的核心。特别是，细胞信号丝介导的信号传导的扰动与各种癌症的进展有关，如胃癌（GC），其中细胞间信号改变可导致肿瘤生长和转移。

在癌症生物学中，细胞信号丝是肿瘤细胞与其周围肿瘤微环境（TME）之间动态通讯的核心，促进肿瘤进展。在果蝇肿瘤模型中，细胞信号丝已被证明介导 TME 内肿瘤细胞和基质细胞之间的信号传导，使用 EGFR 和 RET 等特征明确的信号通路，这些研究突出了细胞信号丝在促进肿瘤细胞信号传导中的关键作用，并为其参与肿瘤发生提供了令人信服的证据。值得注意的是，细胞信号丝相关基因（neuroglian、capricious、Irk2、SCAR 和 diaphanous）的基因功能丧失突变已被证明可抑制肿瘤生长并提高存活率，因此，选择性调节细胞信号丝功能可能是一种有前途的肿瘤治疗方法。

在胶质母细胞瘤中，肿瘤细胞延伸出极长的基于 F - 肌动蛋白的膜突起，称为肿瘤微管（TMs），这些结构与细胞信号丝有几个形态和功能特征，包括富含肌动蛋白的组成和动态行为。TMs 促进胶质瘤细胞侵入健康脑组织，并通过间隙连接介导细胞间通讯，进而促进肿瘤细胞增殖，重要的是，由 TMs 连接的细胞对放疗的抵抗力增强，表明这些结构参与介导治疗抵抗。

Wnt 信号网络的失调是包括胃癌在内的许多癌症的标志，其中 Wnt3 表达升高，导致肿瘤细胞增殖增加。在 TME 中，癌症相关成纤维细胞（CAFs）对细胞信号丝介导的 Wnt 运输有显著贡献。尽管 Ror2 在胃癌细胞中表达较低，但 CAFs 可以直接将活性 Wnt5a-Ror2 复合物转移到胃癌细胞，启动 Wnt/PCP/JNK 信号通路，这种激活促进细胞信号丝的形成、细胞极化和产生 Wnt3 的细胞的迁移。膜相关支架蛋白 Flotillin-2（flot2）是这一过程中的关键调节因子，其在胃癌中经常过表达，并与 Wnt 共受体 Ror2 协作，控制细胞信号丝的形成和延伸。

展望

对细胞信号丝的新认识代表了我们对发育过程中细胞间通讯理解的重大转变，突出了它们作为特化信号管道的关键作用，促进细胞间精确的长距离通讯。细胞信号丝在不同的模式生物中具有保守的作用，包括果蝇、鸡胚胎、斑马鱼和小鼠。细胞信号丝不仅介导不同形态发生素或受体的选择性运输，还能运输活性配体 - 受体复合物，如斑马鱼所示。此外，细胞信号丝通过与 Wnt 信号和谷氨酸受体的相互作用，参与干细胞生物学，调节自我组织、微环境维持和不对称细胞分裂，为干细胞行为提供了新的见解。细胞信号丝还在肿瘤发生中发挥关键作用，特别是通过介导肿瘤细胞与 TME 之间的信号传导，突出了它们作为癌症研究中治疗靶点的潜力。

然而，仍有几个关键问题尚未解决，需要进一步研究以充分了解细胞信号丝生物学及其在生理和病理环境中的作用。一个核心问题涉及信号启动与细胞信号丝形成之间的时间关系，具体而言，需要确定信号事件是否先于细胞信号丝形成，触发其延伸，还是预先存在的细胞信号丝主动寻找并捕获信号分子。另一个未解决的问题涉及形态发生素（如 Hh 和 Wnt）被选择性识别并加载到细胞信号丝上的机制，是否有专门的蛋白质参与这种选择性加载？识别这些蛋白质可以为干预癌症等疾病中的不当信号提供潜在的治疗靶点。

细胞信号丝的形成和延伸依赖于细胞骨架，特别是肌动蛋白丝的动态重塑，因此，它们的延伸和方向也可能受机械力的调节，进一步强调了细胞力学和信号传导之间的相互作用。这些发现为操纵细胞信号丝，甚至创建人工细胞信号丝以可控方式引导细胞行为提供了可能性，在驱动干细胞分化或组织再生中具有潜在应用。

尽管在理解细胞信号丝方面取得了重大进展，但许多关键问题仍未得到解答，实时成像、基因编辑和生物物理建模方面的不断进步有望为细胞信号丝生物学提供更深入的见解，这些技术对于开发针对信号通路经常被破坏的癌症等疾病中细胞信号丝的新治疗策略至关重要。