SDF-1/CXCR4介導(dǎo)骨髓干細胞歸巢至損傷肝臟的研究進展

柳曉霞(綜述),胡堅方(審校)

(南昌大學a.研究生院醫(yī)學部2007級;b.江西省人民醫(yī)院消化科,南昌 330006)

基質(zhì)細胞衍生因子-1(SDF-1)與其受體CXCR4結(jié)合,所介導(dǎo)的骨髓干細胞遷移歸巢在多種組織器官損傷后的再生修復(fù)中發(fā)揮重要作用。研究表明,在肝損傷及肝細胞再生的過程中,干細胞起著重要的作用[1],而骨髓干細胞是肝細胞的重要的肝外來源[2]。SDF-1及其受體CXCR4組成的功能軸在骨髓干細胞遷移方面的研究進展,為治療肝損傷提供了新的方向。本文主要對SDF-1/CXCR4軸體系統(tǒng)的生物學特性及其在骨髓干細胞歸巢至損傷肝臟的作用進行綜述。

1 SDF-1及其受體CXCR4的生物學特性

SDF-1或稱前 B細胞刺激因子(PBSF)或稱CXCL12,SDF-1基因位于10號染色體長臂,通過表達克隆的方法,分離到它的cDNA,長1776 bp,3′端1451 bp的非編碼序列內(nèi)有多個在調(diào)節(jié)細胞因子基因表達中起重要作用的富含A+U序列,編碼區(qū)僅含有1個267 bp核苷酸序列的開放讀框,編碼89個氨基酸多肽,根據(jù)其氨基酸序列含有4個半胱氨酸及N端含2個半胱氨酸被1個其他氨基酸隔開,將其歸為趨化因子CXC亞家族,廣泛地表達于多種細胞和組織中,包括免疫細胞、腦、心臟、腎、肝、肺和脾。SDF-1有在調(diào)節(jié)表達和功能方面均相同的2個異構(gòu)體α和β,是由同一基因編碼的2種不同的拼接變異體,最近發(fā)現(xiàn)其4個新亞型:SDF-1γ、SDF-1δ、SDF-1ε和 SDF-1ф[3]。它們分別比SDF-1α在羧基端多30、51、1和 11個氨基酸,其編碼基因僅在起始的3個外顯子是完全相同的,而且有器官表達差異性。但SDF-1的羧基末端與其結(jié)合受體無關(guān),因此它們的活性無太大差別。鼠和人的SDF-1的氨基酸序列具有高度的同源性。SDF-1主要由低氧誘導(dǎo)表達[3],由基質(zhì)細胞持續(xù)分泌,而其他趨化因子由炎癥介質(zhì)誘導(dǎo),由炎癥細胞表達。

CXCR4是SDF-1唯一的特異性受體,在人體內(nèi),編碼基因位于人染色體2q21,有1個胞外N端、3個胞內(nèi)環(huán)、3個胞外環(huán)和1個胞內(nèi)C端。其N端區(qū)域(胞外區(qū))與配體結(jié)合,胞內(nèi)區(qū)與G蛋白偶聯(lián),C端含絲氨酸/蘇氨酸,可磷酸化,參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。SDF-1與CXCR4的N端結(jié)構(gòu)域結(jié)合,并與CXCR4的第二胞外環(huán)狀區(qū)相互作用才能啟動下游信號通路。在人的CXCR4細胞外區(qū)N-末端22與25位點間的6H8抗原決定簇對CXCR4的趨化功能是絕對必要的,6H8結(jié)合的特定丟失不能使 CXCR4趨化[4]。

CXCR4是SDF-1唯一的特異性受體,干細胞歸巢到組織損傷部位包括干細胞的動員、遷移和定植等多個步驟。干細胞首先被動員從其聚集的組織或器官中移出并進入外周血,感受到指引其歸巢的趨化性濃度梯度,然后按信號指引方向遷移到組織損傷部位并黏附于血管內(nèi)皮,通過分泌基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)穿透微血管壁,定植于新的有利于其增殖和免受程序性細胞死亡的微環(huán)境中,進一步分化成相關(guān)細胞,從而修復(fù)缺損組織。SDF-1/CXCR4軸通過控制這些步驟影響干細胞的整個歸巢過程[5]。

2 SDF-1介導(dǎo)造血干細胞歸巢至損傷肝臟

在對造血干細胞(HSC)動員和歸巢機制的研究中,人們發(fā)現(xiàn)SDF-1及其受體CXCR4在其中發(fā)揮重要作用。1997年,Aiuti A.等[6]首次發(fā)現(xiàn)SDF-1是CD34+造血干細胞的趨化因子,隨后大量的研究不斷證實SDF-1在骨髓干細胞的細胞遷移中起重要作用,并且發(fā)現(xiàn)來源于骨髓、臍血動員的外周血中的CD34+造血干/祖細胞表面表達其相應(yīng)受體CXCR4,而SDF-1能特異性地對CXCR4產(chǎn)生趨化作用[7]。CD34+造血干細胞從骨髓中動員和調(diào)節(jié),SDF-1在此過程中起了重要的作用[8-9]。SDF-1影響造血干細胞動員的機制仍不清楚,盡管是通過調(diào)控黏附分子如極遲活化分子-4(VLA-4)這種特別改變使祖細胞黏附到骨髓微環(huán)境[10]。SDF-1已被證明通過激活磷脂酰肌醇3激酶(PI3-K)/AKT的途徑來抵消細胞凋亡從而促進循環(huán)中的CD34+的造血干細胞的存活[11]。募集的干細胞必須黏附在損傷部位的內(nèi)皮上,Peled A.等[10]報道,SDF-1激活人造血干細胞整合素淋巴細胞功能相關(guān)抗原LFA-1、VLA-4和VLA-5;SDF-1誘導(dǎo)人CD34+造血干細胞的牢固黏附和跨內(nèi)皮細胞的遷移。Kollet O.等[12]最近研究表明SDF-1/CXCR4介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)在人類祖細胞遷移到小鼠肝臟起了關(guān)鍵作用;用抗CXCR4抗體中和CXCR4受體后能明顯抑制人類臍帶血或者動員的外周血CD34+造血干細胞歸巢到經(jīng)放射處理的NOD/SCID鼠的肝臟中。此外,注射人類SDF-1到小鼠肝組織中,進一步增強了人類干細胞向肝遷移。Kollet O.等[12]的研究顯示肝臟受炎癥等損傷后,膽管上皮細胞分泌的SDF-1分泌增加,同MMP-9和肝細胞生長因子(HGF)一樣都有招募CD34+造血干細胞的功能,造血干細胞來到肝臟成簇地聚集在膽管周圍,并分化成表達白蛋白的細胞。在Voermans C.等[13]的研究中,SDF-1誘導(dǎo)CD34+造血干細胞中肌動蛋白快速、短暫聚合并定位于細胞骨架,這可能是SDF-1誘導(dǎo)細胞遷移的分子基礎(chǔ)。然而,在細胞中肌動蛋白快速、短暫聚合前SDF-1/CXCR-4是如何傳遞生化信號目前還不是很清楚,但有關(guān)這方面的研究已取得了不少成果。通過百日咳毒素抑制SDF-1/CXCR-4生物學效應(yīng)的研究中,證實Gi蛋白存在于SDF-1/CXCR-4信號傳導(dǎo)途徑中[13-15]。進一步研究發(fā)現(xiàn)多種激酶參與了Gi蛋白下游信號傳導(dǎo)[16-20],如蛋白激酶C、蛋白激酶 B、PI-3激酶、細胞外信號調(diào)節(jié)蛋白-2、JAK/STAT家族成員JAK2、MAPK等。上述激酶的活化可以引起CD34+造血干黏附部位的組分中酪氨酸的磷酸化,包括相連部位黏附灶的酪氨酸的磷酸化,銜接分子P130Cas和細胞骨架蛋白小柱的磷酸化,進一步引起核轉(zhuǎn)錄因子如 NF-κ B、ELK-1等磷酸化,從而在核里引起某些核蛋白的磷酸化,改變造血干細胞的遺傳信息。

3 SDF-1介導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細胞歸巢至損傷肝臟

最近對肝損傷動物模型的研究表明,SDF-1/CXCR4對調(diào)節(jié)骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSC)進入損傷肝組織起主要作用[21]。Ji J.F.等[22]用RT-PCR技術(shù)證實,BMSC也可表達CXCR4,且體內(nèi)外的實驗都表明,SDF-1對BMSC有趨化作用[23-24]。Ding P.等[23]通過Boyden小室法證實趨化因子SDF-1(5、50、500 μ g? L-1)體外可以趨化充質(zhì)干細胞(MSC),并且發(fā)現(xiàn)SDF-1濃度為50 μ g?L-1時趨化作用達到高峰,同時觀察到抗SDF-1多克隆抗體可對抗SDF-1的趨化遷移作用,從側(cè)面證實了SDF-1對MSC體外遷移的特異性。Jung Y.J.等[25]將同種BMSC移植到CCL4誘導(dǎo)的小鼠肝損傷模型內(nèi),觀察發(fā)現(xiàn)移植后模型鼠的肝脾腫大及肝壞死均得到改善,肝酶降低,植入的BMSC特異性地遷移到受損肝組織,流式細胞計數(shù)儀及免疫組織化學法檢測發(fā)現(xiàn)損傷肝組織內(nèi)CXCR4和SDF-1的表達增加,從而驗證了SDF-1/CXCR4的相互作用對移植的干細胞定位到受損肝組織起到了關(guān)鍵作用,移植的BMSC在損傷肝組織中正性調(diào)節(jié)SDF-1的表達。唐俊明等[26]的研究結(jié)果提示MSC遷移能力的調(diào)控與磷酰肌醇-3激酶PI3K-MAPK絲裂酶原活化蛋白激酶途徑有一定的關(guān)系,而與PI-PLC途徑關(guān)系密切。提示SDF-1與CXCR4結(jié)合后,通過磷脂酰肌醇特異性磷脂酶PI-PLC和PI3K激活的蛋白激酶C(PKC)亞型不同。近來研究表明,PI3K-MAPK途徑下游所激活的MMP與SDF-1/CXCR4介導(dǎo)的BMSC遷移有密切關(guān)系[12]。

4 SDF-1介導(dǎo)骨髓單個核細胞歸巢至損傷肝臟

孫立影等[27]研究證實SDF-1可以促進骨髓單個核細胞(BMMC)向肝臟遷移,并且遷移至肝臟的骨髓單個核細胞可以向肝細胞分化。研究表明,SDF-1可以促進BMMC的歸巢至受損肝臟,移植BMMC可改善肝功能,且白蛋白表達水平和增殖細胞核抗原的表達,實驗組明顯高于對照組[28]。

5 SDF-1與其他因子之間的相互作用

細胞因子是機體防御系統(tǒng)的主要部分,但產(chǎn)生過多亦可損傷肝細胞,它是免疫反應(yīng)的產(chǎn)物,同時又可增強免疫反應(yīng),促進肝細胞損傷。實驗發(fā)現(xiàn)TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8、IFN-γ等細胞因子參與了肝細胞損傷。肝細胞生長因子能夠?qū)Ω螕p傷進行正調(diào)節(jié)并促進植入的BMSC向肝細胞分化,且通過與SDF-1的相互作用對干細胞的補充起重要作用[12]。干細胞因子(SCF)可以增加CXCR4的表達而增強SDF-1引起干細胞遷移。胰島素樣生長因子1(IGF-1)可以增加CXCR4在MSC中的表達,并且促進MSC向SDF-1遷移的反應(yīng)能力,IL-8可通過間接激活MMP-9促進造血干細胞釋放。在肝損傷時,SDF-1和基質(zhì)金屬蛋白酶MMPs能促進肝細胞動員;肝細胞生長因子通過增加人祖細胞的活力并協(xié)同SCF促進SDF-1誘導(dǎo)的定向遷移[29]。Mavier P.等[30]在部分肝切除后使用2-乙酰氨基芴(AAF)治療時發(fā)現(xiàn),門靜脈周圍肝臟橢圓細胞(HOCs)數(shù)目逐漸增加。在新形成的肝小管結(jié)構(gòu)中,HOCs胞漿大量表達SDF-1蛋白,在使用可結(jié)合并抑制SDF-1生物學作用的墨角藻聚糖后,大多數(shù)小鼠門靜脈周圍的 HOCs數(shù)目明顯減少,說明 SDF-1與誘導(dǎo)HOCs參與損傷肝臟修復(fù)有關(guān)?？梢姼杉毎ㄟ^自分泌或旁分泌途徑,促進修復(fù)細胞遷移到損傷肝臟。

6 總結(jié)與展望

由各種原因引發(fā)的終末期肝病嚴重威脅著人類健康,目前確切治療方法是原位肝移植。但供體不足、危險性高、終生服用免疫抑制劑、致命性感染、費用昂貴等問題嚴重限制了肝移植的廣泛開展。近年來,以肝臟干/祖細胞為種子細胞的基因工程、干細胞工程作為肝移植的替代療法越來越顯示出良好的應(yīng)用前景。SDF-1/CXCR4軸不僅影響干細胞移出原干細胞池,而且可以增強干細胞的運動和黏附能力,通過影響細胞內(nèi)骨架蛋白的重排,增加絲狀肌動蛋白束的數(shù)量和厚度來提高細胞的運動能力;還可以影響干細胞分泌細胞因子,這些因子對干細胞的順利遷移具有重要作用。鑒于骨髓干細胞在損傷肝臟修復(fù)中有潛在的價值,而且骨髓干細胞具有對病灶的趨化特性,很可能是良好的轉(zhuǎn)基因治療的靶細胞,故可望通過調(diào)控SDF-1的局部濃度來控制骨髓干細胞向靶組織的趨化遷移,達到治療目的。隨著對SDF-1/CXCR4軸體研究的不斷深入,相信在不久的將來,SDF-1會更多地應(yīng)用于臨床,挽救更多的肝病患者。

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