周 穎,高孟飛,朱慧勇
(1.浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院口腔頜面外科,浙江 杭州 310003;2.浙江省慈溪市人民醫(yī)院口腔科,浙江 慈溪 315300)
間充質干細胞(mesenchymal stem cell,MSC)是具有多向分化潛能的干細胞,能夠誘導分化為多種組織,包括骨、軟骨、脂肪、肌肉和肌腱等[1]。Owen和Friedenstein[2]最先報道從骨髓中分離得到一種能夠分化為多種組織的類纖維細胞——MSC[2]。骨髓是MSC的常見來源,其他來源還包括脂肪、軟骨、肌肉、羊水、肝臟、胎盤、臍血和牙髓等[3-4]。國際細胞治療協(xié)會提供了以下的最低標準用于定義人類MSC[5]:①標準培養(yǎng)條件下的塑料貼壁細胞;②表面標志物CD105、CD73和CD90表達陽性,而缺乏CD34、CD45、CD11a、CD19和HLA-DR等造血干細胞的表面標志物的表達;③特定的刺激下,細胞在體外可分化為成骨細胞、脂肪細胞和軟骨細胞。MSC干性即多能性,即MSC能夠多向分化的能力[6]。MSC干性的維持依賴于細胞的自我更新,即在MSC非分化性增殖的同時抑制細胞的凋亡并保持其多向分化的潛能[7]。MSC的可獲得性、可擴張性和可分化性使其在臨床治療和組織工程中具有廣泛的應用前景[3]。而MSC的有效應用有賴于了解并認識維持干性的信號通路分子機制。
MSC的多向分化潛能和免疫抑制的特性使其在臨床上具有良好的應用前景。已有大量研究[4-8]報道了 MSC在組織修復和再生方面的應用。通過擴增培養(yǎng),MSC可以遷移到受傷的組織并調節(jié)炎癥反應,通過協(xié)同下調炎性細胞因子和促生長因子及上調抗炎因子,從而有利于組織修復。在再生醫(yī)學方面,MSC在一定誘導條件作用下可以定向分化為中胚層和內、外胚層組織細胞,許多組織工程產品,如人造皮膚、血管、骨、軟骨、肌肉、瓣膜、神經、胰島、腎臟和肝臟等組織器官或細胞將相繼問世,被植入患者體內,用以恢復損傷、替代退行性組織器官以及改變遺傳缺陷性組織器官的功能[8-10]。此外,MSC具有顯著的免疫抑制特性,能夠抑制T細胞、NK細胞的功能,并調節(jié)樹突狀細胞的活動[8]?;谄涿庖咭种铺匦?,MSC被用于在移植物抗宿主病和自身免疫病的治療[11-12]。
應用全球基因表達分析,Song等[6]通過對比3種間充質譜系(成骨、成軟骨和成脂肪)的未分化、分化和轉分化的細胞,鑒定出一系列與維持MSC的多能性密切相關的干性相關基因。小干擾RNA基因失活研究[6]表明:肌動蛋白絲相關蛋白(actin filament-associated protein,AFAP)、frizzled 7(FZD7)、dickkopf 3(DKK3)、蛋白酪氨酸磷酸酶受體F(protein tyrosine phosphatase receptor F,PTPRF)和RAB3B5種基因能促進細胞存活并對骨髓MSC的分化有不同的影響[6]。有研究[13-15]還報道:一些胚胎干細胞標記物,如Oct-4、SOX-2、Rex-1和 Nanog與 MSC的自我更新有關聯(lián)。Liu等[13]研究發(fā)現:Nanog和Oct4在 MSC中的過表達能夠促進細胞的增殖并增強MSC集落形成,表明Nanog和Oct4的過表達與 MSC的干性維持有關聯(lián)。Roche等[16]通過特定的培養(yǎng)基在體外培養(yǎng) MSC發(fā)現:MSC中的Oct-4、Rex-1和Gata-4表達增高,認為這種表達增高可能與 MSC向成骨、成軟骨分化的效率增高有關聯(lián)。Bmi-1(B cellspecific MLV intergration site-1)基因是polycom(PcG)家族成員之一,對于維持發(fā)育過程中的基因表達模式,維持體細胞和肝細胞的正常生命活動均具有重要調節(jié)作用[17]。有研究[17-18]指出:Bmi-1基因可能是影響 MSC增殖能力的一個重要基因,包括骨髓MSC和臍血MSC。王芳等[19]認為:Bmi-1基因正性調控人類胚胎骨髓來源MSC的增生,并防止衰老,當細胞內Bmi-1的轉錄水平下降時,細胞增生減慢,衰老細胞數量顯著增加。
3.1 Wnt信號通路 Wnt信號在維持MSC的自我更新及其分化方面具有重要作用[20]。Wnts是高度保守的,富含半胱氨酸的分泌配體,到目前為止,已確定存在人類中的有19個。Wnt信號能夠激發(fā)至少4種不同的信號通路,最具特色是其經典通路,該通路通過調節(jié)β-鏈蛋白(β-catenin)的穩(wěn)定,導致下游靶基因的轉錄[20](圖1)。當在無 Wnt配體的情況下,β-catenin在糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β,GSK-3β)、軸蛋白(Axin)和腺瘤性息肉蛋白(adenomatous polyposis coli,APC)協(xié)同作用下,被GSK-3β磷酸化,使β-catenin泛素化后通過蛋白酶體降解。但當Wnt配體與Frizzled(Fz)受體和脂蛋白受體相關蛋白(lipoprotein receptor-related protein,LRP)輔助受體(LRP5/6)結合時,激活了胞質蛋白(disheveled,DVL),抑制了GSK-3β對β-catenin的磷酰化作用,使β-catenin穩(wěn)定并累積增加,轉運入細胞核中與T細胞因子和淋巴增強因子(TCF/LEF)結合,以調節(jié)靶基因的轉錄[20]。
圖1 經典Wnt信號通路Fig.1 The classic Wnt signaling pathway
Wnt信號通路可以通過多種方式被抑制。Dikkopf-1(DKK-1)是一種 Wnt抑制劑,其通過與LRP5/6受體形成絡合物,從而促進受體的降解[20-21];分泌型卷曲相關蛋白(secreted frizzled-related protein,sFRPs)與 FZ 競爭 Wnt信號配體的結合,阻止其與受體的相互作用抑制Wnt信號[22-23];pyrvinium為強效 Wnt信號抑制劑,其能通過減少細胞質β-catenin,抑制其成骨和成軟骨,促進MSC在體外的增殖[24]。然而,基于多種因素的影響,Wnt信號通道對MSC自我更新的作用也眾說紛紜。Boland等[25]認為:經典的Wnt信號通路能夠維持MSC的非分化性增殖,而非經典的Wnt信號通道能夠促進MSC的成骨。但Qiu等[26]發(fā)現:在旁分泌或自分泌的方式下,經典 Wnt信號抑制人類骨髓MSC的增殖。De等[27]認為:低水平 Wnt信號通路能促進MSC增殖,但高水平Wnt信號有相反的影響,并導致MSC生長停滯。
3.2 骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)信號通路 BMP是干細胞的重要調控者[28-29],BMP作為一種多功能細胞因子,被鑒定為轉化生長因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)超家族的成員[30]。BMP受體(BMPR)有2種亞型,分別為BMPR-Ⅰ和BMPR-Ⅱ,均為絲氨酸-蘇氨酸激酶受體。當 BMP與BMPR-Ⅱ結合時,BMPR-Ⅰ形成活化的四元復合物,然后磷酸化激活細胞內的Smad蛋白,Smad受體與co-SMAD蛋白結合并轉位到細胞核中,充當轉錄因子,與轉錄共活化劑或抑制劑作用以調節(jié)基因表達[1,7,29-30]。
Kolf等[14]認為:在分子水平上,BMP與調節(jié)干細胞的分化過程相關。BMP信號通路通過BMP配體誘導或抑制MSC成骨的分化,也能誘導MSC成軟骨。Liu等[31]認為:BMP-2能通過特定BMP的R-Smad蛋白與Dishevelled-1的相互作用以拮抗Wnt3a的信號從而抑制小鼠骨髓來源的MSC增殖,可能通過抑制BMP信號通道,提高MSC的自我更新。雖然尚無大量的實驗數據證實BMP信號在MSC自我更新方面的作用,但有研究[28]表明BMP有利于小鼠和人胚胎干細胞的自我更新。也有研究[7]顯示:一種 Wnt信號抑制劑即分泌型卷曲相關蛋白2(secreted frizzledrelated protein 2,sRP2)可以通過抑制 Wnt和BMP信號轉導通路,降低MSC凋亡并抑制MSC成骨和成軟骨分化,增加干細胞的自我更新和存活。
3.3 Notch信號通路
Notch信號通路是另一個參與調節(jié)細胞命運的重要的途徑[32]。Notch本身是一種跨膜受體,當Notch在相鄰細胞表面上與膜結合配體Delta或Jagged作用,Notch胞內結構域(Notch intracellular domain,NICD)通過g-分泌從膜上被蛋白水解裂解,然后NICD轉位到細胞核中,配合并激活轉錄因子CSL。CSL招募共激活因子 Mastermind-like(MAML)等,并啟動轉錄的靶基因[1,32]。Notch的蛋白水解裂解是一個多步驟的過程,涉及γ-分泌酶復合物素-1和γ-分泌酶復合物素-2[32]。
有研究[32]表明:Notch在MSC分化世系中發(fā)揮重要作用,在小鼠軟骨細胞和成骨細胞的細胞系中,高表達Notch配體(Delta-1)或NICD抑制了成骨細胞和軟骨細胞的分化,而Notch信號通路在脂肪細胞形成中的作用尤為復雜。微陣列基因表達分析研究顯示:在人MSC分化過程中,與Notch信號通路相關的基因表達量會隨著分化的進行而改變。Westwood等[32]研究了Notch信號在調節(jié)MSC增殖和分化中的作用,結果顯示:在增殖的MSC中添加DAPT,能降低MSC的增殖能力并改變其分化潛能。DAPT是一個特定的γ-分泌酶抑制劑,能在體外抑制軟骨形成,但能誘導MSC向脂肪細胞的分化。也有學者[1]認為:Notch信號可能會促進成骨分化,但不一定促進骨形成。在NICD過表達的轉基因小鼠中,Notch成骨細胞特異性功能的增加會導致骨質異常密集或硬化骨,而通過突變γ-分泌使Notch信號缺失會導致遲發(fā)性、與年齡有關的骨質疏松癥[1]。這些相互矛盾結果的出現可能是由于調節(jié)成骨細胞分化的時間點不同或特定劑量的Notch激活和(或)其與Wnt和BMP信號通路的交互影響。因此Notch信號有可能通過影響MSC的分化而調節(jié)MSC自我更新。
3.4 成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factor,FGF)對MSC干性的調節(jié) FGF是普遍應用于促進干細胞增殖的生長因子,包括人胚胎干細胞、MSC以及其他特定組織的干細胞[33-34]。在 MSC培養(yǎng)過程中添加FGF能夠增加MSC的增殖速度和壽命,同時不改變其分化的潛能[34]。FGF信號在MSC的增殖和分化中起著至關重要的作用,在小鼠骨髓MSC中,FGF-2已被證實為一種強效有絲分裂原[35]。Ng等[3]采用轉錄組分析發(fā)現:TGF-β、血小板源性生長因子(platelet-derived growth factor,PDGF)和FGF介導的信號轉導通路在MSC增殖中發(fā)揮重要作用。抑制上述任何信號均能降低MSC生長,而這3個因素的組合,能使MSC在體外培養(yǎng)傳代至5代以上,表明這些信號轉導途徑對MSC生長有重要作用。
FGF家族由22個顯現為高度同源性的配體組成,有4個已知的 FGF受體[33-35]。有研究[33]顯示:FGF受體發(fā)起的主要信號轉導途徑是通過FRS2控制中心激活Ras2α/ERK信號通路,FGF-ERK軸能通過多種模式控制干細胞的干性。Coutu等[35]認為:FGF-2能夠通過 PI3K/AKTMDM2通路抑制細胞衰老并促進其增殖以維持MSC干性。MDM2在Ser186細胞中被AKT/PI3磷酸化,導致MDM2的核轉位。在細胞核中,pMDM2增加針對p53基因的泛素連接酶活性,使后者被蛋白酶體降解,從而抑制細胞衰老。因此,FGF-2能夠保護MSC免于增殖誘導的細胞衰老并無限增殖,FGF-2在MSC的自我更新和干性的維持方面發(fā)揮了關鍵作用[35]。
3.5 Hedgehog(Hh)信號通路 Hh信號通路對胚胎干細胞的分化和生長發(fā)育早期的骨骼形成有重要作用,已有研究[1]報道:Hh通過Runx2誘導成骨,且能聯(lián)合BMP-2對MSC成骨產生協(xié)同作用。Plaisant等[36]研究發(fā)現:骨髓MSC分化后導致Hh信號下降,刺激Hh信號并未對人MSC的增殖產生影響,而抑制Hh信號能夠降低人MSC的增殖和克隆形成(自我更新的一個指標),闡明了Hh與MSC的增殖、自我更新和分化有關聯(lián)。
當Hh結合到其受體Patched(Ptc)時,就啟動了Hh信號。一經結合,Ptc解除了其對跨膜蛋白Smoothened(Smo)的抑制作用。然后Smo進入細胞的初級纖毛(對Hh信號有關鍵作用的細胞器),激活細胞內的級聯(lián)而使轉錄因子Gli2穩(wěn)定,Gli2進入細胞核誘導Hh目標基因的轉錄,例如Gli1(一個Hh信號標志)。Gli2是Hh信號的一個關鍵組分,Gli2的失活能抑制Hh信號通路[1,36]。
3.6 TGF-β信號通道 TGF-β及其家族成員,包括BMP、Nodal和激動素被廣泛應用于各種器官的生長和維持,而干細胞在其中起著重要作用。TGF-β家族信號對胚胎干細胞干性的維持和自我更新具有重要作用。已有研究[29]報道:TGF-β1能誘導hMSC增殖。TGF-β1能通過誘導 MSC的Smad3-依賴核積聚β-連環(huán)素,而β-連環(huán)素是MSC增殖的刺激物。Ng等[3]通過轉錄組分析提出:TGF-β、PDGF和FGF信號通路對MSC增殖有重要作用。這些信號通路的任一信號的抑制均能降低MSC增殖,而3種因子的結合能使MSC多代傳代,提示這些信號通路對MSC的生長有重要作用。
3.7 磷酸酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)信號通路 PI3K是1個包括許多脂質激酶的家族,由1個調節(jié)亞基(P85)和1個催化亞基(P110)組成。當相應的配體和膜受體結合后,激活P85募集P110在細胞膜附近使其活化,進而催化膜內表面的磷酸激醇二磷酸(PIP2)生成磷酸激醇三磷酸(PI3P)。PI3P作為第二信使,激活AKT(PI3K的重要下游分子)和磷脂酰肌醇依賴性激酶1(phosphoinositide-dependent kinase 1,PDK1)。AKT是PI3K重要的下游分子,對于調控細胞的大小、生長、增殖、存活和糖代謝均有重要作用。當AKT激活后,磷酸化結節(jié)性硬化復合物2(TSC2),從而解除TSC1/2對Rheb的抑制,由Rheb活化雷帕霉素靶蛋白(target of rapamycin,mTOR)。mTOR激活下游靶蛋白,對細胞生長和代謝進行調控。第10號染色體丟失的磷酸酶(phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten,PTEN)基因位于人染色體雜合體缺失高發(fā)區(qū)10q2313上,其可通過將PI3P去磷酸化為PIP2實現對PI3K負調節(jié)作用[37]。
近來研究[37-38]表明:PI3K通路對于維持胚胎干細胞存活、增殖和維持其分化發(fā)揮重要作用。對PI3K信號通路起負調控作用的PTEN缺失時,可導致MSC增殖速度明顯加快。除了對胚胎干細胞的增殖作用外,PI3K能促進細胞的自我更新能力以維持胚胎干細胞的未分化狀態(tài)。此外,有研究[37]顯示:通過應用mTOR特異性阻斷劑rapamycin阻斷該通路在MSC中的活化,觀察到MSC的成骨分化明顯受到抑制,表明PI3K-AKT-mTOR信號通路的活化在MSC的成骨分化方面發(fā)揮重要作用。
綜上所述,MSC干性維持的內在分子通路機制仍存在爭議,其結果也尚無定論。這些可變性可能源于多種原因,如MSC的來源、相互作用的配體或蛋白質的量、特定的時序和各種信號通道之間的相互影響等。因此,MSC內在的分子機制尚需進一步研究。
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