Hedgehog基因是一种分节极性基因，因突变的果蝇胚胎呈多毛团状，酷似受惊刺猬而得名。哺乳动物中存在三个 Hedgehog的同源基因: SonicHedgehog( SHH)、 Indian Hedgehog( IHH)和 Desert Hedgehog( DHH)，分别编码SHH、IHH和DHH蛋白。Hedgehog通路在一系列生物的胚胎发育过程中都有很重要的作用。

Hedgehog( HH)蛋白是一个分泌性的信号蛋白，通过自我剪接过程，可以将一个45 000的前体转变为19 000功能性蛋白。HH蛋白家族成员均由两个结构域组成:氨基端-结构域( HH-N)及羧基端-结构域( HH-C)，其中HH-N有HH蛋白的信号活性，而HH-C则具有自身蛋白水解酶活性及胆固醇转移酶功能。HH前体蛋白在内质网中通过自身催化分裂成HH-N及HH-C两部分，其中HH-C共价结合胆固醇分子，并将其转移到HH-N的羧基端，随后在酰基转移酶的作用下HH-N氨基端的半胱氨酸发生棕榈酰化。H蛋白只有通过这些翻译后的修饰过程才能获得完全功能(图5-3)。

Hedgehog蛋白有三个同源物: Sonic hedgehog( SHH)、Indian hedgehog( IHH)和desert hedgehog( DHH)。其中最重要也是研究最深的是SHH，研究发现其与脑、体节、神经管发育、脊髓中轴骨骼及淋巴发育有关，并与多种器官如脑、脊索、肺脏、毛发、颌面结构、牙齿、四肢等的形态发生有关， SHH基因敲除小鼠的脑、脊索、肢体及颅面部均出现严重的畸形。IHH与长骨生长中的软骨分化有关。DHH与外周施万细胞( schwann cells)和生殖细胞的发育中起关键作用; SHH表达广泛，在该信号传导通路上起主要作用。它与细胞在肢体、体节、神经管发育中的分化建立有关，调节着神经管背腹式和体节形成模式，并与多种器官的形态发生有关。

HH信号转导受靶细胞膜上的两种受体Patched( Ptc)和Smoothened( Smo)的控制。Ptc由12个跨膜区的单一肽链构，能与配体直接结合，对Hedgehog信号通路起负调控作用。在脊椎动物中有两种Ptt，即Ptcl和Ptc2，它们均在Hedgehog效应细胞中表达。Smo与G蛋白偶联受体同源，由7个跨膜区单一肽链构成。Ptc和Smo之间相互作用的机制不是很清楚，然而遗传学研究表明，在无Hedgehog的情况，Ptc抑制Smo。当Hedgehog与Ptc结合时，则解除Ptc对Smo的抑制作用，引起Hedgehog信号通路的激活。

目前发现参与HH信号转导的核内因子包括转录因子Ci/Gli、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶Fused( Fu)、Fu抑制剂( SuFu)、类运动蛋白Costal-2( Cos2)、蛋白激酶A( PKA)等。其中Ci/Gli、Fu起正调控作用，Cos 2、PKA起负调控作用。Gli蛋白家族成员是较大的多功能的转录因子，属于C2 H2型锌指蛋白结构。

在正常情况下，Ptc抑制Smo蛋白活性，从而抑制下游通路。这时下游的Gli蛋白在蛋白酶体( Proteasome)内被截断，并以羧基端被截断的形式进入细胞核内，抑制下游靶基因的转录。当Ptc和HH结合以后，解除对Smo的抑制作用，促使Gli蛋白与PKA及一些未知因子与微管形成大分子复合物，使得全长Gli蛋白进入核内激活下游靶基因转录。HH-Gli通路可以诱导Ptc的转录，形成负反馈的调控环。当Ptc发生突变或缺失时、或是Smo突变导致对Ptc的抑制作用不敏感致使基因活化，致使HH信号通路失控，使Gli持续激活、启动靶基因转录。在正常时，Ptch蛋白抑制跨膜蛋白Smo的活性。HH结合Ptch后释放Smo来阻断Ptch蛋白的功能，并通过潜伏的Gli家属转译因子激活转译靶分子。Gli蛋白可以通过与Su ( fu)蛋白的抑制物的结合来调节。

在胚胎发生过程中HH以组织特异的方式促进细胞的增殖，决定胚胎模式的形成，并且是胚胎诱导中起主要作用的分子之一。

在动物的发育过程中，HH最初在小鼠胚胎的原节细胞表达，然后在腹部中线下的轴中胚层表达，对维持脊索和索前中胚层是必需的。另外在诱导沿着神经管前后轴不同位置形成的底板和腹部神经元群中起作用。

脊椎动物神经系统来源于神经板，神经板受来自于神经上皮内部和外部的各种因子的作用在腹部中线弯曲，HH参与调节神经管的闭合。脊索来源的SHH在神经管腹方中线处能诱导一组特化的细胞-底板细胞的分化。底板是一个瞬时的胚胎组织中心，对于脊椎动物的中枢神经系统的发育有深远的影响，SHH失活的小鼠不能形成中枢神经系统。脊索和底板产生SHH作为短距离及长距离的形态发生因子以浓度依赖的方式决定不同的细胞命运。靠近腹方神经管的SHH信号决定腹方的细胞前体产生运动神经元、腹方中间神经元和少突胶质细胞等腹侧细胞类型的分化。另外，胎儿中脑神经胶质来源的SHH信号有利于多巴胺能神经元的分化，施万细胞分泌的DHH能诱导间充质细胞形成外周神经的鞘膜。

Hedgehog基因家族在发育胚胎许多区域的生长、图式发育和形态发生中起着重要作用。研究证实，SHH对正常胚胎发育是必需的。在小鼠发育过程中将 SHH基因敲除导致小鼠出生时颅面骨髓的完全缺失，这些小鼠最初的眼睛和前额结构不能分裂，产生前脑无裂畸形和严重的颅面畸形。通过基因分析发现 SHH敲出小鼠在胚胎9. 5天( E9. 5)，第一咽弓( first pharyngeal arch，PA1)发育尤其不良，并在中线融合，而其他的弓形成完好。进一步研究表明在无SHH信号的第一咽弓，上颌弓和近侧下颌弓的生长严重缺陷，而远端的下颌弓很少受影响。TUNEL染色(用于检测细胞凋亡)分析揭示 SHH突变胚胎的第一咽弓细胞凋亡信号数量增加。揭示SHH协调上皮-间充质转换( epithelial-mesenchymal transition，EMT)，这对发育中的PA1细胞存活和组织向外生长是必需的。

Hedgehog信号通路主要参与促进MSCs细胞向成骨细胞和软骨细胞分化，阻止其向脂肪细胞分化。

SHH蛋白是胚胎发育早期的重要信号分子，能够诱导肢体和脊髓中的间充质细胞向软骨细胞分化。研究表明，前体节中胚层在有SHH信号时会向软骨细胞分化，并且BMP信号对分化晚期有特异性的调控作用。骨形态发生蛋白( BMP)属于转化生长因子β超家族成员，广泛应用于骨组织工程中，其中BMP2是最重要的成骨形成调控因子。Murtaugh等发现SHH不仅仅与BMP共同诱导前体节中胚层分化为软骨细胞，它也会改变靶细胞对BMP信号的响应能力。在培养前体节中胚层细胞时发现，培养基中不加入SHHN蛋白时，RT-PCR分析发现有充足的BMP4蛋白，但不能分化出软骨细胞。Warzecha等发现用SHH或者TGF-β1处理人的MSCs时，细胞表达出多种软骨分化阶段特征的标志物，如Sox9、CEP-68、胶原Ⅱ和Ⅹ;并且只有经过r-SHH处理的人MSCs细胞表现出较强的分裂能力和更高的溴脱氧核苷尿嘧啶( BrdU)含量。体外实验培养间充质干细胞，通过分别加入重组人骨形态蛋白2( BMP2)、SHH因子或两者同时加入设计实验，发现BMP2和SHH可以明显促进间充质干细胞向成骨细胞分化并存在协同相关性。

SHH信号是从硬骨鱼鳝到四脚动物等高等脊椎动物肢体发育所必需的。构成四肢的骨髓成分的排列，以及这些骨髓有序排列形成四肢都依赖SHH。 SHH表达的位置和非对称表达， SHH表达在活跃区( ZPA)的肢芽后缘。产生SHH的细胞，或包埋有SHH蛋白的串珠移植到肢芽前端，都能产生肢体复制的镜像，表明 SHH基因参与肢体极性。而且，已知的ZPA诱导剂-维A酸可以开启SHH的产生。 SHH基因敲出小鼠揭示SHH信号具有极化功能。Ahn等通过遗传标记小鼠的 SHH反应的细胞，结果显示所有的后肢间充质细胞，以及外胚层对ZPA来的 SHH反应，并且分化为后肢的骨、肌肉和皮肤。敲除 SHH等位基因的纯合子小鼠显示许多胚胎结构，包括肢体的严重缺陷，柱骨远端的发育模式严重断裂。前肢肢身被单一远端软骨成分替代，而后肢肢身由单个的趾组成。因此SHH信号对ZPA活性、接合骨和四肢肢身的AP模式是至关重要的。

早期牙齿发育起始于第一鳃弓的口腔上皮和其下的外胚层间充质来源的神经脊相互作用。小鼠胚胎11. 5天( E11. 5)，鳃弓上皮的特异性增厚标志着牙齿发育首要的形态特征。这些增厚的上皮与外胚层间充质聚集一起，形成最初的牙胚。在牙胚发育的起始过程中， SHH表达局限在未来牙齿的上皮增厚区域。体外研究发现SHH信号可以作为促有丝分裂激活剂，诱导蕾芽期的细胞进行快速增殖。在胚胎10. 5天( E10. 5)，抑制下颌骨移植物SHH信号，导致胚芽形成障碍和牙齿发育停滞。从胚胎12. 5天( E12. 5)在发育牙胚条件性敲除 SHH导致发育牙蕾总体大小减少。这表明SHH信号在牙齿发育过程发挥非常重要作用。

胚胎发育中，HH还在神经系统之外的其他组织、器官建成及脊椎动物成体组织再生和更新中起作用。在小鼠的原肠胚形成时，原始内胚层分泌的IHH可以诱导造血细胞和血管内皮细胞的形成。SHH在前肢芽的异位存在能以剂量依赖的方式诱导另外的趾(指)形成。脊椎动物的上皮附属物如毛发、羽毛、牙齿、味蕾等从扁平上皮生长成为复杂的器官过程中，SHH对于诱导和分化不是必需的，但对于分支的形态发生、命运决定以及极性形成是十分重要的。

Hedgehog信号通路不仅在胚胎发育中调节骨形成，SHH/IHH在间充质干细胞( MSCs)向软骨和成骨再生分化过程发挥重要功能。在裸鼠皮下进行异位移植MSCs的成骨再生研究中，发现高表达SHH的MSCs能够促进成骨相关基因表达和胶原分泌，加速成骨形成。将Hedgehog功能性衍生物运用于软骨组织工程中发现，细胞外基质如黏多糖、胶原浓聚，组织生长率提高。研究发现SHH信号能瞬间提高甲状旁腺素相关肽( parathyroid hormone related peptide，PTHrP)的表达和分泌，不仅能诱导MSCs向成熟骨细胞再生分化并形成钙结节，还能加速成熟骨细胞表面标记物的表达，与碱性磷酸酶( ALP)的表达具有时间和剂量依赖性。此外，SHH可以减缓细胞外高浓度的葡萄糖对骨髓间充质干细胞( BMSCs)的成骨再生分化的抑制作用。高浓度的葡萄糖具有抑制BMSCs向成骨再生分化的作用，在高糖环境下添加SHH在一定程度上可以恢复BMSCs的骨再生分化能力。在骨折修复过程中，MSCs从骨髓组织中向损伤的部位进行迁移、增殖并成骨再生分化。在骨修复初期，骨折部位的骨膜和骨髓腔能够检测到SHH，Gli 1信号，表明SHH信号通路在MSC的骨再生修复过程中发挥作用。

IHH可调节生长板软骨细胞的增殖和抑制其终末分化，产生缺陷时将导致端肢畸形，同时伴随着软骨细胞增殖率下降和生长板肥大，软骨细胞带的扩大。软骨细胞肥大是软骨内成骨的关键途径，IHH通过控制PTHrP信号在这一途径中同样发挥重要的作用。在PTHrP敲除小鼠胚胎中，IHH可以促进软骨细胞的肥大，进而促进成骨形成，证明IHH可以独立于PTHrP信号促进MSCs向成骨再生分化。人的BMSCs建立起软骨内成骨模型，观察到IHH在软骨内成骨的早期阶段被激活，在体外实验中证实，IHH还参与软骨增生的过程。

Hedgehog蛋白对神经系统发育很重要。 DHH在成体神经元细胞中表达，它可能在成体神经功能的维持以及损伤后降解和再生中起着重要作用。Bajestan等发现在成体坐骨神经检测到DHH受体Ptc2。在培养的小鼠神经祖细胞检测到Ptd的表达;在神经祖细胞向神经元再生分化过程中DHH和Ptc2的表达水平上升。然而，在损伤的神经中发现DHH和Ptc2的表达水平下降。Williams研究发现在神经损害时，神经祖细胞中Hedgehog信号通路被激活，参与诱导神经祖细胞向神经元再生修复过程。研究表明DHH信号在神经祖细胞向神经元再生分化过程中起着重要作用。

少数的有机体，包括鱼、泄殖腔两栖动物和鸟，拥有再生视网膜的能力。研究发现睫状体( ciliary body，CB)存在一类具有干细胞特性的细胞，视网膜干/祖细胞定位于睫缘区( ciliary marginal zone，CMZ)，在特定的环境下视网膜干/祖细胞能够向视网膜神经元再生分化。研究显示视网膜干细胞在创伤情况下能够进行增殖并且向视网膜神经元分化，在这个过程中SHH信号发挥重要作用。在非洲蟾蛤属睫缘区视网膜祖细胞中hedgehog通路的下游效应子Gli2和Gli3高度活跃表达，表明hedgehog通路在干细胞介导的视网膜再生分化中起着重要作用。