造血干細(xì)胞靜息的分子調(diào)節(jié)研究進(jìn)展

張立杰，李曉玉，蒲仕明,2,3

(1 廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣西桂林541004；2 廣西高校干細(xì)胞與醫(yī)藥生物技術(shù)重點實驗室；3 廣西師范大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究中心)

造血干細(xì)胞(HSCs)是包括免疫細(xì)胞在內(nèi)的所有血液細(xì)胞的共同前體，負(fù)責(zé)血液組織自穩(wěn)態(tài)的終身維持與損傷修復(fù)。HSCs產(chǎn)生成熟細(xì)胞是一個多步驟、分化潛能遞減的過程，這在小鼠和人HSCs的單細(xì)胞移植實驗中均已得到證明[1,2]。HSCs首先分化為處于不同發(fā)育階段或具不同潛能的祖細(xì)胞，如多能祖細(xì)胞、共同髓系祖細(xì)胞和共同淋系祖細(xì)胞等，然后形成終末成熟細(xì)胞如T細(xì)胞、B細(xì)胞、粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞以及紅細(xì)胞和血小板等[3]。由于終末分化血細(xì)胞通常為短壽命細(xì)胞，HSCs需要不停地“工作”，即持續(xù)分化形成新細(xì)胞以補(bǔ)充日常損失。然而，眾多研究表明，在生理狀態(tài)下，絕大部分HSCs尤其是長期造血干細(xì)胞(LT-HSCs)以靜息或休眠態(tài)形式存在[4]。過去認(rèn)為，HSCs靜息是一種被動、“默認(rèn)”的行為。目前獲得廣泛認(rèn)可的觀點則是，HSCs靜息是一種主動、可逆并隨時做出響應(yīng)的“備戰(zhàn)”狀態(tài)；這樣，不僅有利于HSCs長期存活并避免或減少DNA損傷和細(xì)胞耗竭，而且確保HSCs可以立即應(yīng)對失血、骨髓移植等應(yīng)激條件下機(jī)體的特殊需求[5]。因此，HSCs靜息是其功能(自我更新與分化)正常發(fā)揮并能夠終身維持血液組織穩(wěn)態(tài)和損傷修復(fù)能力的基礎(chǔ)；此過程受到由內(nèi)外不同因子構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格調(diào)控?，F(xiàn)從遺傳、表觀遺傳和微環(huán)境調(diào)節(jié)3個方面就HSCs靜息分子調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展綜述如下。

1 造血干細(xì)胞靜息的遺傳調(diào)節(jié)

HSCs靜息的遺傳調(diào)節(jié)指參與此過程的細(xì)胞表面受體、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄因子等，其中以周期相關(guān)蛋白和轉(zhuǎn)錄因子研究最多，對這些分子的功能和作用的了解也相對清楚。靜息態(tài)HSCs處于細(xì)胞周期G0期，HSCs激活后轉(zhuǎn)入周期運(yùn)行并在執(zhí)行完“任務(wù)”后再回到G0期[6]。許多經(jīng)典細(xì)胞周期相關(guān)蛋白被發(fā)現(xiàn)參與HSCs靜息的調(diào)節(jié)，包括周期蛋白(Cyclins)、周期蛋白依賴性激酶(CDK)和周期蛋白依賴性激酶抑制劑(CKI)家族成員。細(xì)胞從G0進(jìn)入G1期(退出靜息態(tài))和從G1進(jìn)入S期分別依賴CDK4/6(通過與Cyclin D結(jié)合形成復(fù)合物)和CDK2(與Cyclin E結(jié)合)的激活。Laurenti等[7]報道，CDK6在短期造血干細(xì)胞(ST-HSCs)但不在LT-HSCs中表達(dá)；而強(qiáng)迫表達(dá)CDK6后，LT-HSCs退出靜息的時間縮短并獲得更強(qiáng)的競爭性重建能力。CKI存在INK蛋白(p16、p15、p18和p19等)和CIP/KIP蛋白(p21、p27和p57)兩個亞族，分別抑制CDK4/6和CDK2。然而，除p18外，INK亞族成員在HSCs靜息調(diào)節(jié)中的作用仍有待厘定；相反，CIP/KIP亞族的作用已較清楚。p21去除可導(dǎo)致系列骨髓移植中的HSCs耗竭[8]，p57起類似作用，而p27無明顯效應(yīng)；但是，同時敲除p27與p57則刺激HSCs中Rb磷酸化和核轉(zhuǎn)位，可導(dǎo)致HSCs靜息態(tài)丟失[9,10]。

轉(zhuǎn)錄因子參與HSCs靜息、激活以及激活后的增殖、自我更新和分化或凋亡等的調(diào)節(jié)。迄今，已發(fā)現(xiàn)了眾多與HSCs靜息密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，如p53、Scl/Tal1、ELF4、Foxm1和FoxO家族成員等。p53是細(xì)胞不同過程的主調(diào)控子之一,p53缺失促使HSCs進(jìn)入周期，該作用依賴Gfi-1和Necdin但獨立于p21介導(dǎo)的通路[11]。Scl/Tal1在LT-HSCs中呈高水平表達(dá)，抑制HSCs從G0進(jìn)入G1期[12]。ELF4是少數(shù)已知的HSC靜息的負(fù)調(diào)控子之一,ELF4敲除導(dǎo)致靜息HSCs數(shù)量在體內(nèi)增加，可能在HSCs靜息維持與周期進(jìn)入的選擇中起重要作用[13]。Foxm1被證明為小鼠HSCs和人CD34+HSCs的靜息維持所必須；下調(diào)Foxm1表達(dá)不僅降低靜息HSCs，而且引發(fā)骨髓異常增殖綜合征(MDS)[14]。

2 造血干細(xì)胞靜息的表觀遺傳調(diào)節(jié)

表觀遺傳調(diào)節(jié)不僅影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)從而在更廣的范圍內(nèi)(相比于轉(zhuǎn)錄因子)改變基因表達(dá)的模式，而且與轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)以及上游信號通路關(guān)聯(lián)，扮演基因表達(dá)調(diào)控的協(xié)調(diào)者角色。因此，在過去約20年里，細(xì)胞表觀遺傳調(diào)節(jié)機(jī)制受到了極大的關(guān)注。表觀遺傳調(diào)控的主要方式是組蛋白修飾和DNA甲基化，其中組蛋白修飾可影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及其可入性。迄今為止，組蛋白轉(zhuǎn)譯后的修飾包括乙酰化、甲基化和泛素化等，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過100個不同的組蛋白修飾位點[15,16]。Attema等[17]報道，多數(shù)情況下，發(fā)育相關(guān)基因通常呈現(xiàn)二價表觀遺傳特征，即帶有H3K27me3抑制和H3K4me3激活標(biāo)記，以使這些基因保持沉默或激活[18]，這是組蛋白修飾調(diào)節(jié)HSC的早期證據(jù)之一。研究表明，條件性敲除染色質(zhì)結(jié)合蛋白sin3損害HSCs靜息、分化和重建能力[19]。敲除基因Ezh2雖不影響HSCs的自我更新和H3K27甲基化，但Ezh2異位表達(dá)可導(dǎo)致HSCs和髓系細(xì)胞的顯著增加[20]。DNA甲基化通過影響DNA構(gòu)象，或其與蛋白質(zhì)的相互作用而抑制基因表達(dá)。研究顯示，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3(DNMT3)在HSCs命運(yùn)中扮演重要角色。敲除DNMT3a導(dǎo)致HSCs擴(kuò)增但抑制HSCs分化[21]，雙敲除DNMT3a和DNMT3b更加劇這一變化[22]。這表明DNMT3a和DNMT3b可能主要調(diào)控HSCs自我更新，且兩者存在協(xié)同效應(yīng)。催化DNA去甲基化的TET2同樣參與HSCs自我更新的調(diào)節(jié)，而且在骨髓增殖性疾病中起關(guān)鍵作用[23]。有意思的是，Venkatraman等[24]研究發(fā)現(xiàn)，母系來源的甲基化是LT-HSCs得以維持靜息態(tài)的關(guān)鍵因素；因為他們發(fā)現(xiàn)，條件性敲除母源(而非父源)H19上游的差異性甲基化區(qū)域，可下調(diào)HSCs的靜息并損害其功能。

MicroRNAs為真核生物的非編碼RNA，其功能近年來受到了特別的重視。研究表明，MicroRNAs在HSCs靜息、自我更新、分化和衰老以及功能異變(如轉(zhuǎn)化為腫瘤干細(xì)胞)中均發(fā)揮重要作用[25]。關(guān)于MicroRNAs調(diào)控HSCs靜息的研究現(xiàn)狀，可參閱新近文獻(xiàn)，在此不再贅述。

3 造血干細(xì)胞靜息的微環(huán)境調(diào)節(jié)

HSCs位處骨髓內(nèi)被稱為龕的特定區(qū)域，主要分布于骨內(nèi)膜和血管/血竇周圍[26,27]。HSCs龕為厭氧環(huán)境， HSCs在這種環(huán)境下處于低代謝水平，并主要通過無氧糖酵解獲得能量[28]，為其靜息維持提供了“物質(zhì)”保障。更為重要的是，HSCs龕包含多種細(xì)胞(如血管內(nèi)皮細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞以及其他成熟免疫細(xì)胞等)、細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)和可溶性因子等，是HSCs與外界聯(lián)系的主要媒介[29]，在HSCs穩(wěn)態(tài)、應(yīng)激和衰老等過程及其功能行為的調(diào)節(jié)中扮演關(guān)鍵的角色。HSC龕細(xì)胞主要通過分泌細(xì)胞因子和其他因子調(diào)控HSC的靜息、存活和功能，如SDF-1/CXCL12、SCF/c-Kit、Ang-1/Tie1/2和TPO/c-MPL介導(dǎo)的途徑等。其中，關(guān)于趨化因子SDF-1/CXCL12的研究最多，因而對其作用也相對了解。條件性敲除CXCL12可導(dǎo)致整個造血干/祖細(xì)胞群(HSPCs)的擴(kuò)增和靜息態(tài)LT-HSCs的減少；而用骨髓抑制劑5-氟尿嘧啶處理CXCL12敲除鼠后，HSCs呈向血竇附近集中的趨勢，因為在骨內(nèi)膜處未能觀察到這些細(xì)胞[30]。與該研究結(jié)果相一致，敲除CXCL12的受體基因CXCR4則引起HSC過度增殖[31]。最近，兩篇報道又為CXCL12-CXCR4途徑提供了新的證據(jù)。Uckelmann等[32]發(fā)現(xiàn)，ECM銜接蛋白Matn4是HSCs應(yīng)答應(yīng)激的一個負(fù)調(diào)節(jié)因子，而其作用也由CXCR4介導(dǎo)。Asada等[33]報道，選擇性地去除近微動脈細(xì)胞(表達(dá)NG2)或近血竇細(xì)胞(表達(dá)LepR)中的CXCL12，只有前一種情況才可觀察到骨髓HSCs水平下降和定位變化；對干細(xì)胞因子(SCF)進(jìn)行同樣的試驗，則得到相反的結(jié)果，亦即只有LepR+細(xì)胞中的SCF失活后導(dǎo)致HSCs下調(diào)。這項研究表明，不同龕細(xì)胞可能通過分泌特異因子選擇性地調(diào)控HSCs靜息[33]。

生理狀態(tài)下，絕大部分(超過80%)HSCs以靜息態(tài)存在。HSCs靜息是其確保自身長期存活、功能正常發(fā)揮和終身維持造血與再生能力的關(guān)鍵所在。雖然已進(jìn)行了大量研究，迄今對HSCs靜息調(diào)節(jié)的確切分子機(jī)制仍未完全了解。此外，在感染、DNA損傷和腫瘤等應(yīng)激條件下，HSCs通常脫離靜息態(tài)而進(jìn)入激活態(tài)。目前，關(guān)于應(yīng)急誘導(dǎo)HSCs激活后的功能行為變化及其對機(jī)體免疫系統(tǒng)的影響，以及HSCs如何恢復(fù)到靜息態(tài)等重要問題，尚有待深入研究。這些問題的解決不僅有助于弄清HSCs異常活化與疾病發(fā)生發(fā)展間的聯(lián)系，而且有可能帶來基于HSCs的臨床處置策略的建立。