劉想忠 李章華 許海甲
武漢大學(xué)附屬同仁醫(yī)院(武漢市第三醫(yī)院),湖北 武漢 430000
骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow derived mesenchymal stem cells,BMSCs)是近年來發(fā)現(xiàn)的多能干細(xì)胞,存在于骨髓之中,含量在0.01%以下,屬于成體干細(xì)胞的一種,具有多種分化能力及自我更新能力,在不同的誘導(dǎo)環(huán)境下可分化成種細(xì)胞,如成骨細(xì)胞,軟骨細(xì)胞,心肌細(xì)胞及脂肪細(xì)胞等。且由于其取材方便,不違背倫理道德問題, 在體外易于培養(yǎng),有穩(wěn)定表型及傳代能力,因此近年來關(guān)于將其應(yīng)用于組織退行性疾病、組織器官損傷性疾病及遺傳缺陷型疾病方面的研究越來越多[1-2]。
BMSCs在體外無誘導(dǎo)物培養(yǎng)環(huán)境下呈長梭形、緊密排列的旋渦狀生長,其表面有很多抗原標(biāo)記,如CD73、CD105、CD29、SH-3、SH-4、CD271、CD90、CD106、CD200。但陰性表達(dá)CD34、CD45、CD11b、CD19、CD14、CD79α[3-5],其中CD34可用于分離純化BMSCs[6]。研究發(fā)現(xiàn)將來源于同種或異種的BMSCs通過動脈、靜脈或局部直接注射給受試者后,受試者并未發(fā)生免疫排斥反應(yīng),這表明BMSCs具有免疫抑制能力,可躲避受試者免疫系統(tǒng)的攻擊。目前研究[9]表明BMSCs的免疫抑制能力可能與下面因素有關(guān):①BMSCs表面主要表達(dá)主要組織相容復(fù)合體1(MHC1),而不表達(dá)MHC2,調(diào)節(jié)機(jī)體系統(tǒng)的免疫微環(huán)境[7];②免疫調(diào)節(jié)及抗炎作用:MSCs抑制樹突狀細(xì)胞、免疫淋巴細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞的成熟及對炎癥因子的分泌[8];③可抑制B淋巴細(xì)胞的增殖及漿細(xì)胞的分化。
研究[10]發(fā)現(xiàn),經(jīng)靜脈、動脈及局部注射途徑給予BMSCs治療時,只有約2%~12%的細(xì)胞可以到達(dá)目標(biāo)區(qū)域,且存活率很低,只能短暫的改善器官或組織功能,因此對其遷移/歸巢機(jī)制進(jìn)行研究就顯得十分重要。BMSCs的遷移與很多因素有關(guān),如糖濃度、粒細(xì)胞集落刺激因子(granulocyte colony stimulating factor,G-CSF)、基質(zhì)金屬蛋白酶-2(matrix metalloprotein,MMP-2)、膜型基質(zhì)金屬蛋白酶(membrane type 1-matrix metalloproteinMTI-MMP)、磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B,PI3K/AKT)等。不同細(xì)胞因子及信號軸之間相互影響,相互協(xié)調(diào),其中SDF-1/CXCR4起著連接點(diǎn)的作用。本文擬對SDF-1促進(jìn)BMSCs遷移的機(jī)制進(jìn)行總結(jié),為后續(xù)研究提供指導(dǎo)。
SDF-1也被稱為CXCL12,屬于CXC-趨化因子家族的一員,它首先是從小鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞分泌的因子中發(fā)現(xiàn)的,包括SDF-1α/CXCL12α和SDF-1β/CXCL12β兩種,兩者由同一基因序列編碼,但外顯子不同,分別由3個和4個外顯子編碼,差別源自選擇性剪接,除SDF-1α比SDF-1β在羧基端少約4個氨基酸外,兩者氨基酸組成相同,兩者的cDNAs分別編碼89和93個氨基酸,都含有四個保守的半胱氨酸殘基形成兩隊雙硫鍵構(gòu)成其特殊結(jié)構(gòu)。SDF-1的氨基酸序列在物種之間非常保守,在小鼠和人類之間相似性達(dá)99%。目前已知人類的SDF-1基因定位于10號染色體長臂,且在心、腦、腎等多種組織器官中表達(dá)[11-12]。CXCR4 是一種7次跨膜G蛋白偶聯(lián)受體,又稱CD184,CXCR4蛋白分子量包括66kDa和130kDa兩種,可在多種細(xì)胞表達(dá),包括循環(huán)中的單核細(xì)胞、CD34+造血祖細(xì)胞、內(nèi)皮祖細(xì)胞及神經(jīng)細(xì)胞。Wynn 等[13]發(fā)現(xiàn)CXCR4主要在BMSCs內(nèi)表達(dá),而在表面表達(dá)很少,當(dāng)受到趨化因子SDF-1刺激時,其將移動到細(xì)胞表面。CXCR4曾被認(rèn)為是SDF-1的唯一受體,但近年來發(fā)現(xiàn)[14-16]SDF-1還有另一個受體CXCR7(C-X-C chemokine receptor 7),其曾被稱為孤兒受體—RDC1,在人類和小鼠中的相似性達(dá)95%,可在多種細(xì)胞中表達(dá),如神經(jīng)細(xì)胞、免疫細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞及血管內(nèi)皮細(xì)胞,在心肌發(fā)育、腫瘤生長、代謝及侵襲方面具有重要作用,并且其與SDF-1的親和力是CXCR4的十倍。SDF-1及其兩種受體表達(dá)均與組織或器官所處狀態(tài)有關(guān),當(dāng)處于低氧或缺血狀態(tài)時,它們的表達(dá)量會明顯上升,如心臟缺血時,SDF-1表達(dá)會立刻上升,7 d內(nèi)逐漸下降。因此在利用SDF-1治療時,要把握這個時間窗[17-18]。
基于SDF-1三維結(jié)構(gòu)的分析,目前,SDF-1和CXCR4相互作用的機(jī)制被人們普遍接受的是雙位點(diǎn)模型(two-site model),即CXCR4 N端首先與SDF-1 N端RFFESH模體結(jié)構(gòu)(第12-17氨基酸殘基)結(jié)合,啟動SDF-1和CXCR4構(gòu)象的變化;SDF-l的N端處于無序狀態(tài)的第1-11位氨基酸(K-P-V-S-L-S-Y-R-CPC-)形成特定構(gòu)象,并與CXCR4螺旋區(qū)的凹槽結(jié)合,從而誘導(dǎo)CXCR4跨膜螺旋區(qū)的構(gòu)象變化,隨即啟動G蛋白偶聯(lián)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,激活細(xì)胞內(nèi)一系列信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,引起MSCs的趨化運(yùn)動[19-20]。目前對于CXCR7的作用尚不完全清楚,有研究[21-22]證明CXCR7的活化不能引起Ca2+流動或細(xì)胞遷移,更多是與MSCs的存活及黏附有關(guān),但CXCR4和CXCR7均與MSCs的旁分泌行為有關(guān)。也有學(xué)者[23-24]發(fā)現(xiàn)MSCs的遷移與CXCR4和CXCR7都有關(guān),即兩種受體之間可能具有協(xié)同作用,但其增殖卻只與CXCR7有關(guān)。此外,CXCR7也可能與CXCR4形成異二聚體,作為一種非信號的誘導(dǎo)受體而存在,進(jìn)而調(diào)控CXCR4與CXCL12的信號通路[25]。
BMSCs歸巢是一個非常復(fù)雜的過程,隨著研究深入,人們發(fā)現(xiàn)SDF-1在BMSCs的歸巢、維持、發(fā)展等行為中起著關(guān)鍵性作用,來源于骨髓、臍帶血中的CD34+造血干/祖細(xì)胞表面表達(dá)其受體CXCR4,SDF-1與CXCR4結(jié)合后可以產(chǎn)生定向遷移作用。研究[26-28]已經(jīng)證實(shí),當(dāng)組織或器官損傷后,SDF-1表達(dá)量明顯增加,損傷部位會出現(xiàn)大量MSCs,在使用CXCR4拮抗劑AMD3100或CXCR4抗體后,損傷部位MSCs則明顯減少,Yang等[29]在體外利用SDF-1和CXCR4的相互作用及轉(zhuǎn)染技術(shù)建立CXCR4在BMSCs表面過表達(dá),發(fā)現(xiàn)過表達(dá)SDF-1明顯加強(qiáng)了BMSCs向受損部位遷移,證實(shí)SDF-1對MSCs具有趨化作用。SDF-1對BMSCs的定向遷移作用在一定范圍內(nèi)與SDF-1濃度呈正相關(guān),研究發(fā)現(xiàn)[25,30]當(dāng)SDF-1濃度在100 ng/mL以下時,MSCs遷移量逐漸增多,超過100 ng/mL時,遷移量逐漸減少,并且使用CXCR4特異性抑制劑AMD3100后,遷移量減少得更加明顯。另外,提高外周血中SDF-1表達(dá)或降低骨髓內(nèi)SDF-1表達(dá),提高BMSCs表面CXCR4表達(dá),形成骨髓內(nèi)外SDF-1濃度差,也可促進(jìn)BMSCs歸巢[3-32]。BMSCs運(yùn)動到靶器官后,SDF-1可激活靶器官細(xì)胞表面上的黏附分子,如淋巴細(xì)胞功能相關(guān)抗原-1(lymphocyte function-associated antigen 1,LFA-1)及晚期活化抗原-5(very late activation antigen-5,VLA-5)等,促進(jìn)細(xì)胞黏附到血管內(nèi)皮上,進(jìn)而穿過血管壁,進(jìn)入靶器官并發(fā)揮作用[33]。
SDF-1與其受體CXCR4對BMSCs的遷移作用機(jī)制尚不完全清楚,研究表明SDF-1/CXCR4軸趨化作用涉及的信號通路主要有磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3 kinase/protein kinase B,PI3K/AKT)信號通路、絲裂原活化蛋白激酶/細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases/extracellular regulated protein kinases,MAPK/ERK)、應(yīng)激活化蛋白激酶/c-Jun氨基末端激酶(stress-activated protein kinase/c-Jun N-terminal kinase,SAPK/JNK)及Wnt信號通路(wingless-related MMTV integration site,wnt)四種。
Wnt屬于糖基化蛋白家族的分泌性蛋白,分子量一般在0~40 kDa,富含半胱氨酸,目前在人及小鼠等哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的Wnt至少有19種。Wnt信號通路分為經(jīng)典和非經(jīng)典通路,目前研究較多的是經(jīng)典途徑。經(jīng)典通路即Wnt蛋白與靶細(xì)胞表面的受體Frizzled或LRP復(fù)合物結(jié)合,直接作用于Dsh和Axin,進(jìn)而抑制由GSK-3/APC/Axin組成的復(fù)合物導(dǎo)致的β-catenin的降解和磷酸化,使其在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核積聚,核內(nèi)的β-catenin在與轉(zhuǎn)錄因子LEF或TCF結(jié)合,進(jìn)而影響目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄[34-35](見圖1)。非經(jīng)典通路不依賴β-catenin,而是依靠PKC、PLC及JNK等蛋白發(fā)揮作用,包括WNT/Ca2+和Wnt/PCP(planner cell polarity pathway)兩種途徑[36-37]。
圖1 Wnt經(jīng)典信號通路Fig.1 Classical Wnt signal transduction pathway (from Nature Reviews Genetics, 2004, 5(9):692)
大量研究表明,Wnt經(jīng)典通路對BMSCs的遷移、增殖及成骨具有重要作用。目前已知Wnt3a和Wnt6均可激活經(jīng)典Wnt信號通路,促進(jìn)BMSCs遷移,并且Wnt3a的促進(jìn)作用呈劑量依賴性[38-39]。此外,研究[40-41]發(fā)現(xiàn),Wnt5a可激活非經(jīng)典信號通路下游信號ROR2包括JNK和PKC,進(jìn)而促進(jìn)BMSCs遷移。Wnt通路對細(xì)胞的遷移作用可能被SDF-1/CXCR4信號軸調(diào)節(jié),研究[42-43]發(fā)現(xiàn),當(dāng)阻斷CXCR4表達(dá)時,Wnt/β-catenin經(jīng)典通路TCF的目標(biāo)基因如MMP-9等表達(dá)明顯被抑制,細(xì)胞遷移也明顯被抑制。此外,Wnt3a可通過激活經(jīng)典信號通路,使β-catenin在細(xì)胞核內(nèi)蓄積,與轉(zhuǎn)錄因子LEF1/TCF結(jié)合形成復(fù)合物,并與CXCL12基因啟動子相互作用,下調(diào)SDF-1/CXCL12表達(dá),抑制BMSCs遷移[44]。
PI3K是由相對分子質(zhì)量110×103的催化亞基(p110)和相對分子量85×103的調(diào)節(jié)亞基(p85)組成的異源二聚體,p110主要產(chǎn)生PIP3,而p85主要負(fù)責(zé)PI3K與其上游影響因子之間的相互作用。PI3K依據(jù)結(jié)構(gòu)特征和作用脂質(zhì)底物的不同在哺乳動物中主要分為3型,即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。具有脂類激酶(磷脂酰肌醇激酶)和蛋白激酶(絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶)的雙重活性,能特異性催化磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)3位羥基磷酸化,產(chǎn)生具有第二信使作用的肌醇脂物質(zhì)的激酶,募集和激活下游的靶物質(zhì)而啟動一系列信號級聯(lián)反應(yīng)。Akt又稱PKB,是PI3K下游的一個重要靶激酶,約由480個氨基酸組成,目前已知Akt有三種類型,即Akt1、Akt2和Akt3。分別受三種不同的基因編碼調(diào)節(jié),有80%的氨基酸序列同源,有研究發(fā)現(xiàn)[45-47],Akt1主要促進(jìn)細(xì)胞的增殖和抗凋亡作用,Akt2主要控制細(xì)胞遷移和基質(zhì)特征有關(guān)。PI3K/Akt通路組成如圖2,當(dāng)跨膜蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)或RAS等激活I(lǐng)型PI3K后,活化的PI3K可使質(zhì)膜上4,5-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)水解成1,4,5三磷酸肌醇(PIP3),PIP3作為第二信使結(jié)合Akt得PH結(jié)構(gòu)域,使其轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜上,定位于磷酸肌醇依賴性激酶1(PDK1)附近,而PDK1可磷酸化Thr308位點(diǎn),從而活化Akt,并激活一系列下游信號分子。另外,雷帕霉素復(fù)合物2(mTORC2)可磷酸化Ser473位點(diǎn),從而活化Akt。PI3K/Akt是一條經(jīng)典信號通路,與細(xì)胞存活、分化、生長、遷移及凋亡等有關(guān)[48]。PI3K/Akt可促進(jìn)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)表達(dá),進(jìn)而降解細(xì)胞外基質(zhì)和基底膜,促進(jìn)BMSCs遷移[49]。另外,辛伐他汀可提高CXCR4在BMSCs表面及細(xì)胞內(nèi)部表達(dá),并且可增強(qiáng)PI3K/AKT通路活化,活化的PI3K/AKT抑制MiR-9表達(dá),增強(qiáng)SDF-1/CXCR4介導(dǎo)的BMSCs遷移作用[50]。研究[51-53]發(fā)現(xiàn),SDF-1預(yù)處理BMSCs后,可明顯促進(jìn)CXCR4過表達(dá)及BMSCs遷移,且用LY294002(PI3K抑制劑)能明顯阻斷BMSCs遷移,因此推斷SDF-1/CXCR4軸可能激活了PI3K/Akt通路而促進(jìn)BMSCs遷移。
圖2 PI3K/Akt信號通路Fig.2 AKT as an example of a PI3K effector (from Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2012, 13(3):200)
MAPK是細(xì)胞內(nèi)的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,存在于絕大多數(shù)細(xì)胞內(nèi),在細(xì)胞內(nèi)具有生物進(jìn)化的高度保守性,可將細(xì)胞外刺激信號轉(zhuǎn)導(dǎo)至細(xì)胞及其核內(nèi)。MAPK經(jīng)典通路一般由三級級聯(lián)反應(yīng)組成,各種細(xì)胞因子、G蛋白偶聯(lián)受體等激活一級激酶(mitogen-activated protein kinase kinase kinase,MAPKKK),然后其激活和磷酸化中間激酶(MAPKK),MAPKK在激活和磷酸化三級激酶MAPK,MAPK是主要的效應(yīng)分子[54]。目前,在哺乳動物中已經(jīng)確定的MAPK家族成員有五組:ERK1/2、JNKs(c-jun amino-terminal kinases,JNKs)、p38、ERK3/4及ERK5,目前研究最詳細(xì)的是ERK1/2、JNKs及p38激酶,MAPK對調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化、凋亡及遷移有重要作用,這幾種MAPK通路激活機(jī)制如圖3[55]。
圖3 MAPK通路激活機(jī)制Fig.3 Signaling cascades leading to activation of the MKs (from Microbiol Mol Biol Rev, 2004, 68(2):321)
ERK與MAPK具有共同的結(jié)構(gòu)和生化特征,屬于MAPK家族,與ERK相關(guān)的MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路被認(rèn)為是經(jīng)典通路。受體酪氨酸激酶、G蛋白偶聯(lián)受體及部分細(xì)胞因子受體均可激活ERK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,ERK被激活后,可轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核內(nèi),磷酸化c-jun、E-20-6原癌基因蛋白1等的轉(zhuǎn)錄因子。研究[56]證實(shí),ERK1/2即p44MAPK/p42MAPK可提高肌球蛋白輕鏈激酶(myosin light-chain kinase,MLCK)活性,增加MLC磷酸化及促進(jìn)細(xì)胞遷移,也可磷酸化細(xì)胞質(zhì)內(nèi)細(xì)胞骨架成分微管相關(guān)蛋白1(Micro-tubule-associated protein,MAP)及MAP2,重塑細(xì)胞骨架,促進(jìn)細(xì)胞遷移。研究表明MAPK/ERK的遷移作用與SDF-1/CXCR4有關(guān),Cui等[57]發(fā)現(xiàn)當(dāng)給予CXCR4抑制劑AMD3100或抗CXCR4后,ERK磷酸化水平明顯降低,細(xì)胞遷移明顯受抑制,因此推測SDF-1/CXCR4軸通過激活MAPK/ERK通路,促進(jìn)細(xì)胞遷移。也有學(xué)者[58]指出,重組SDF-1可作為上游信號分子激活其下游信號分子—轉(zhuǎn)錄激活因子3(activator of transcription 3,STAT3)及MAPK/ERK,促進(jìn)BMSCs體外遷移。
JNK也屬于MAPK家族,也是一類絲氨酸/蘇氨酸激酶,又被稱為SAPK,含有雙重磷酸化模體結(jié)構(gòu)Thr-Pro-Tyr。目前已知,JNK蛋白激酶可被三種基因編碼,JNK1和JNK2基因在體內(nèi)廣泛表達(dá),而JNK3的基因主要在腦、心臟中表達(dá)。研究表明[59-60],JNK可被細(xì)胞膜上其上游信號分子MKK4、MKK7等激酶激活,而且是通過對其酪氨酸和蘇氨酸活化環(huán)的Thr-Pro-Tyr模體結(jié)構(gòu)雙重磷酸化實(shí)現(xiàn)的(如圖4),JNK/SAPK在將信號轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)與底物c-jun、Elk-1等結(jié)合形成二聚體,提高轉(zhuǎn)錄因子活性,調(diào)節(jié)細(xì)胞功能,如增殖、存活、凋亡及遷移。
圖4 JNK激活機(jī)制Fig.4 Stress-activated MAPK signaling modules (from Cell, 2000, 103(2):240)
研究證實(shí)JNK/SAPK對促進(jìn)細(xì)胞遷移具有重要作用,Kawabata等[61]研究顯示,EGF(epidermal growth factor,EGF)可促進(jìn)成骨細(xì)胞遷移,并且在10 ng/mL的濃度下遷移作用最明顯,并且給予EGF刺激后,JNK/SAPK的磷酸化明顯增強(qiáng),當(dāng)給予resveratrol干預(yù)后,EGF的遷移遷移作用明顯被抑制,JNK/SAPK的磷酸化也明顯減弱,說明EGF通過激活JNK/SAPK通路促進(jìn)成骨細(xì)胞的遷移。Zhang等[62]在研究中也證實(shí)Actin B通過激活JNK/SAPK通路促進(jìn)BMSCs遷移。
Yuan等[63]發(fā)現(xiàn),低水平剪切應(yīng)力可促進(jìn)BMSCs遷移,并且提高SDF-1和CXCR4表達(dá)及促進(jìn)JNK/SAPK和p38MAPK磷酸化,使用CXCR4特異性抑制劑AMD3100后,BMSCs的遷移明顯被抑制,JNK、p38的磷酸化也明顯減弱,進(jìn)一步說明了JNK/SAPK參與BMSCs遷移過程。Pi等[64]研究發(fā)現(xiàn),JNK3可作為eNOS的下游信號分子,SDF-1預(yù)處理內(nèi)皮細(xì)胞后,激活eNOS產(chǎn)生NO,磷酸化JNK3,而不是JNK1/2,進(jìn)而促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞遷移。
SDF-1還可通過其他機(jī)制促進(jìn)干細(xì)胞遷移,Li等[65]在實(shí)驗中利用SiRNA轉(zhuǎn)染技術(shù)抑制CXCR4的表達(dá),然后給予SDF-1以刺激牙髓干細(xì)胞(human dental pulp stem cells,hDPSCs),發(fā)現(xiàn)抑制了FAK、PI3K、Akt、GSK3β和β-catenin磷酸化,并且抑制了hDPSCs遷移,這表明FAK、PI3K、Akt、GSK3β和β-catenin作為CXCR4的下游信號分子參與SDF-1誘導(dǎo)的hDPSCs遷移過程。Ye等[66]發(fā)現(xiàn)CXCR4作為低氧誘導(dǎo)因子-1(hypoxia-inducible factor-1,HIF-1)的靶基因,在HIF-1修飾BMSCs后CXCR4表達(dá)會被上調(diào),并且增強(qiáng)了BMSCs的遷移。此外,其他細(xì)胞因子如FMS樣酪氨酸激酶3(Flt-3)、干細(xì)胞因子(SCF)、白介素-3(IL-3)、白介素-6(IL-6)、造血生長因子(HGF)、轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)及胰島素樣生長因子(IGF-1)修飾MSCs也可上調(diào)SDF-1及CXCR4的表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)MSCs遷移[67-68]。
SDF-1/CXCR4對BMSCs遷移過程具有至關(guān)重要的作用,并且SDF-1及其受體CXCR4的表達(dá)受周圍環(huán)境及其它多種細(xì)胞因子影響,因此能否通過對體內(nèi)SDF-1或其受體CXCR4的表達(dá)進(jìn)行干預(yù),以調(diào)節(jié)BMSCs向靶器官或組織的定向遷移,提高其臨床應(yīng)用價值,具有較大的科研價值。