造血干細胞自我更新相關(guān)基因的研究進展

【關(guān)鍵詞】  造血干細胞 自我更新 基因研究
     在機體的一生中，由小部分全能造血干細胞來產(chǎn)生祖細胞與成熟血細胞。為了在如此長的時期內(nèi)維持造血，造血干細胞（HSCs）具備平衡定向分化與自我更新的能力是至關(guān)重要的。自我更新指由親代細胞分裂而成的兩個子代細胞，其中一個保留造血干細胞全部生物學特征，從而維持干細胞池的大小，即干細胞數(shù)量與質(zhì)量的恒定。具備自我更新能力是HSCs的標志性特征，但該過程發(fā)生與調(diào)控的分子機制尚不明確。在本文中，筆者將綜述最近發(fā)表的文獻，即對影響HSCs自我更新的基因的過表達或敲除的研究，總結(jié)目前已知的HSCs自我更新的分子調(diào)控子及這些途徑相互作用的可能方式。
    1  HOX
    同源盒（HOX）基因是編碼調(diào)節(jié)擬胚體形成與器官發(fā)生的進化上比較保守的一類轉(zhuǎn)錄因子，是許多組織，包括造血系統(tǒng)中干細胞發(fā)育的一關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。HOXa5與HOXa10是長期造血干細胞（LT?HSCs）的特異性標志，HOXa2在長/短期造血干細胞（LT?HSCs，ST?HSCs）表面均有表達，HOXa9表達于造血干細胞與種系決定祖細胞［1］。Ferrell等［2］還發(fā)現(xiàn)HOXa9與HOXa10可上調(diào)Wnt信號通路中Wnt10b與其受體卷曲蛋白1，5（Frizzled1，5）基因的表達。
    轉(zhuǎn)錄因子HOXb4最早被發(fā)現(xiàn)高水平表達于人富含長期培養(yǎng)起始細胞（LTC?ICs）的CD34+CD38-/loCD45RA-CD71-骨髓細胞，而在稍成熟的祖細胞中消失。用逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)導HOXb4入小鼠骨髓細胞，經(jīng)5?FU處理后，在15%FBS，IL?3、IL?6與SCF中培養(yǎng)10～14 d，發(fā)現(xiàn)實驗組中重建細胞數(shù)目增長了40倍，遠遠高于未轉(zhuǎn)導HOXb4的對照組。由此認為，HOXb4的持續(xù)表達在某種程度上可阻止細胞因子誘導的HSCs的分化。Buske等［3］發(fā)現(xiàn)HOXb4表達水平升高，導致具有干/祖細胞特性的人臍血細胞數(shù)量大大增加，并增強了造血干/祖細胞的增殖活性。擴增后的HSCs具正常造血重建功能、種系分化特異性和LTC?ICs活性。
    在小鼠模型中利用Cre/loxP技術(shù)將HOXb4基因完全敲除，造血干細胞池的重建會受到影響。Brun等［44］也發(fā)現(xiàn)HOXb4缺失小鼠可發(fā)生相對正常的造血發(fā)育，但存在中度的增殖缺陷。移植HOXb4?/?HSCs的SCID小鼠對5?FU的耐受增強。對照組與實驗組中，小鼠骨髓來源的原始造血祖細胞或集落形成能力并無顯著差異，但后者對外源性生長因子的增殖應答降低。且競爭性重建造血分析表明，HOXb4-/-細胞的重建造血能力降低2倍［4］。
    2  Bmi?1
    Bmi?1是polycomb group（PcG）家族的一員，高表達于小鼠與人原始骨髓細胞。已有研究表明Bmi?1參與調(diào)節(jié)HSCs的增殖［5］。Bmi?1基因敲除小鼠的研究證實，盡管Bmi?1缺失胚胎胎肝中的HSCs數(shù)目維持正常，這種小鼠在出生后2月內(nèi)死于廣泛漸進性的全血細胞缺失，包括原始祖細胞的缺失［6］。Park等［7］用RT?PCR與基因表達分析，發(fā)現(xiàn)在造血發(fā)育中表達下降的Bmi?1，在純化的小鼠與人HSCs上高度表達。競爭性再生試驗表明，移植自Bmi?1-/-小鼠獲得的胎肝細胞與新生骨髓細胞10周后，受體內(nèi)幾乎沒有供體來源的成熟造血細胞［7］。這是因為供體來源的HSCs不能進行自我更新。Bmi?１過表達可增強HSCs的對稱分裂，介導細胞分裂時保持stemness遺傳。而且，Bmi?1表達增強致多潛能祖細胞的體外大量擴增，HSCs體內(nèi)重建造血能力顯著提高。功能丟失分析表明，Bmi?1缺失與HSCs的自我更新缺陷緊密相關(guān)［5,8］。
    Bmi?1通過調(diào)節(jié)干細胞命運決定基因、存活基因、抗增殖基因預感細胞相關(guān)基因來調(diào)控HSCs的自我更新［7］。Park等［7］發(fā)現(xiàn)Bmi?1-/-HSCs呈現(xiàn)幾種表達在胚胎，神經(jīng)與造血干細胞的基因的異常表達，以及幾種調(diào)節(jié)細胞循環(huán)與凋亡的基因表達的改變，包括細胞周期抑制因子p16INK4a與 p19ARF 的上調(diào)及凋亡抑制因子AI?6的下調(diào)。這些可能用以解釋Bmi?1-/-小鼠體內(nèi)HSCs的缺失：上調(diào)p16INK4a基因與衰老相關(guān)；下調(diào)AI?6與上調(diào)p19ARF可導致細胞凋亡。
    3  Shh
    Sonic hedgehog（Shh）是一種共價結(jié)合膽固醇的分泌形蛋白，在動物發(fā)育中發(fā)揮重要作用［9］。許多Hh家族成員信號分子參與體外培養(yǎng)時血細胞及內(nèi)皮細胞的產(chǎn)生，Hh蛋白可刺激定向造血干/祖細胞的增殖。Hh通路變異或用Hh信號抑制劑環(huán)杷明處理的金龍魚胚胎呈現(xiàn)成體造血干細胞形成缺陷［8］。加Hh及Shh中和抗體入含1個SCID重建細胞（SRC）的103CD34+CD38-Lin-細胞培養(yǎng)體系，然后將這些細胞以有限稀釋法注入NOD/SCID小鼠體內(nèi)，7 d后，仍只含1個SRC。用可溶性Shh處理的細胞可在體內(nèi)產(chǎn)生大量的人造血細胞，表明HSCs應答Hh信號進行自我更新分裂［10］。
    已有研究表明，Shh活性與BMP信號相關(guān)。Noggin，BMP?4的天然抑制物，可抑制Shh誘導的表型原始的造血細胞的增殖，其模式類似于Hh中和抗體。因此，Shh作為HSCs的一個調(diào)節(jié)因子，可能與其它轉(zhuǎn)錄因子聯(lián)合作用，依賴于下游的BMP信號［10］。
    4  Wnt
    Wnt蛋白是另一類重要的干細胞調(diào)節(jié)因子，通過自分泌或旁分泌發(fā)揮作用。已有研究表明，在胚胎及成體造血干/祖細胞發(fā)育中，Wnt信號發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用［9，11］。Feng等也發(fā)現(xiàn)在小鼠ES細胞向造血分化時，Wnt?β?連環(huán)蛋白（Wnt信號通路的一下游激活子）被下調(diào)，表明Wnt信號在小鼠ES細胞向造血分化中發(fā)揮作用。將純化的小鼠Wnt3a加入c?kit+ ThyloSca?1+Lin-小鼠骨髓細胞，隨后將之注入致死量照射的小鼠體內(nèi)，6周后進行多譜系移植分析。發(fā)現(xiàn)，HSCs應答純化Wnt3a經(jīng)歷自我更新［12］。用逆轉(zhuǎn)錄病毒將Wnt3轉(zhuǎn)導入hTERT基質(zhì)細胞，發(fā)現(xiàn)其過表達增強Wnt?β?連環(huán)蛋白信號，致顯著的形態(tài)學改變與生長遲緩。共培養(yǎng)2周后，試驗組與對照組中CD34+細胞的擴增無明顯差別，但實驗組的鵝卵石區(qū)形成顯著減少。
    Wnt 可以與Frizzled家族成員或低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白（LRP）結(jié)合發(fā)揮作用，激活該受體復合物可致β?連環(huán)蛋白（β?catenin）的累積�；钚驭�?catenin的過表達可產(chǎn)生20～49倍擴增的c?kit+ ThyloSca?1+Lin-表型的細胞［13］。相反，axin（促進β?catenin的降解，進而抑制Wnt信號）或Frizzled配體結(jié)合域（阻斷可溶性Wnt的結(jié)合）的異常表達導致體外培養(yǎng)HSCs的增殖抑制與重建造血能力的減弱［１４］。為了研究Wnt信號在體內(nèi)內(nèi)環(huán)境是否有活性，Reya等［14］用帶GFP 的LEF?1/TCF（lymphoid enhancer factor?1/T cell factor，與β?catenin相互作用，促進靶基因轉(zhuǎn)錄）感染HSCs。將其移植入小鼠體內(nèi)，他們分析表達GFP的HSCs，表明內(nèi)源性干細胞可應答Wnt信號。他們還觀察到β?catenin轉(zhuǎn)導的HSCs表達3～4倍或更高水平的HOXb4與Notch1，表明HSCs自我更新的調(diào)節(jié)因子間可能存在相互作用。
    5  Notch
    在進化上高度保守的 Notch信號可導致譜系特異性基因的轉(zhuǎn)錄抑制，保持祖細胞的未分化狀態(tài)。已有研究表明，Notch通路在造血細胞發(fā)育的不同階段影響其生存、增殖及分化，包括造血干細胞的自我更新及分化［9］。
    Notch信號在抑制分化中發(fā)揮重要作用。隨著HSCs分化，其表達水平被下調(diào)。抑制Notch信號導致HSCs體外加速分化，體內(nèi)缺失。Notch信號參與Wnt介導的維持HSCs未分化狀態(tài)［15］。用逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)導小鼠Notch4的活性形式（Int?3）入富含干細胞的小鼠骨髓細胞，培養(yǎng)2周后，發(fā)現(xiàn)Int?3轉(zhuǎn)導組分化標志物的表達更低，且較對照組其集落形成細胞CFU?GM/BFU?E數(shù)目高出3～5倍［16］。轉(zhuǎn)導Notch4的活性部分（Notch?IC）入人臍血CD34+CD38-細胞。較之對照組，其總的髓系集落形成細胞顯著減少（3～10倍），但其長期擴增能力增強。將轉(zhuǎn)導的臍血細胞移植入NOD/SCID?β2-/-小鼠，在其骨髓與脾內(nèi)均可檢測到CD34+CD38-細胞［17］。
    已有研究表明骨髓基質(zhì)細胞表達的Jagged1（Notch配體之一）可促進造血干/祖細胞的擴增［18］；盡管之前Walker與Karanu等已經(jīng)分別證實Jagged1?Notch通路可維持CD34+細胞處于不成熟狀態(tài),且人Jagged1可誘導具多譜系重建能力的人干細胞的存活與增殖。
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