劉欣辰 盧金金 陳雨蒙 邱瀅 鄭夢(mèng)丹 王梓霖 李祥偉

1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院牙體牙髓科，長(zhǎng)春 130021；

2.吉林省牙發(fā)育及頜骨重塑與再生重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130021；

3.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院兒童牙病科，長(zhǎng)春 130021；4.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院病理科，長(zhǎng)春 130021

在生物學(xué)中，自噬被定義為溶酶體中細(xì)胞質(zhì)蛋白和亞細(xì)胞器降解的基因調(diào)控的細(xì)胞學(xué)過(guò)程。該過(guò)程在大多數(shù)組織中以基礎(chǔ)水平發(fā)生，有助于細(xì)胞質(zhì)組分的常規(guī)更新，是細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的一部分[1]。干細(xì)胞的自我更新和分化需嚴(yán)格控制蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化和溶酶體介導(dǎo)的細(xì)胞器降解，細(xì)胞在不斷變化中獲得精確的形態(tài)和功能，因此，自噬在其中發(fā)揮了重要作用[2]。

1 自噬促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cell，MSCs）干性維持和自我更新

人MSCs的自噬水平受到各種因素的影響。年輕供體明顯高于年老供體，來(lái)自于下頜骨的MSCs的自噬水平明顯高于來(lái)自脛骨的MSCs[3]。相應(yīng)的nanog、OCT-4、Sox2等干性基因在年輕供體和下頜骨中表達(dá)量更高[3]。Zheng等[4]研究發(fā)現(xiàn)，體外傳代培養(yǎng)的MSCs在衰老過(guò)程中，自噬水平會(huì)上調(diào)，出現(xiàn)大量自噬小泡，伴自噬基因Atg7、Atgl2、LC3的高表達(dá)。用雷帕霉素激活哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）或使干細(xì)胞中減少mTOR轉(zhuǎn)錄物會(huì)導(dǎo)致多能性轉(zhuǎn)錄因子（nanog、OCT-4和Sox2）的表達(dá)水平顯著升高[5]。研究[6]表明，在多種動(dòng)物模型和人源細(xì)胞中，自噬基因，如ATG1、ATG5、ATG6、ATG7、ATG8和ATG12的敲除所導(dǎo)致的自噬水平降低直接或間接的導(dǎo)致了細(xì)胞干性的下降。相反，ATG5或ATG12的過(guò)度表達(dá)[7]，則延緩多種衰老指征的下降。上述研究結(jié)果說(shuō)明，自噬在MSCs的干性維持和自我更新方面發(fā)揮了重要作用。

2 自噬促進(jìn)MSCs分化

自噬對(duì)MSCs的分化也具有一定影響。Nuschke等[8]研究證明，未分化的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）積累未降解的自噬泡，幾乎沒(méi)有自噬流產(chǎn)生，刺激其成骨分化，則會(huì)導(dǎo)致自噬流的持續(xù)增強(qiáng)。陳全剛等[9]發(fā)現(xiàn)，在脂肪干細(xì)胞中，自噬也可以促進(jìn)其向軟骨細(xì)胞分化。此外，SATB2是一種結(jié)合富含AT區(qū)段DNA的DNA結(jié)合蛋白，具有促進(jìn)BMSCs成骨分化和修復(fù)骨缺損的功能，該種蛋白通過(guò)激活磷脂酰肌醇3-激酶（phos phatidylinositol 3-kinase，PI3K）/絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（serine/threonine protein kinase，AKT）/mTOR信號(hào)通路，上調(diào)自噬基因，從而促進(jìn)MSCs的成骨向分化[3]。Yang等[10]研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1α（cell-derived factor-1α，SDF-1α）可通過(guò)激活mTOR信號(hào)通路提高牙髓干細(xì)胞的自噬水平，從而誘導(dǎo)牙髓干細(xì)胞成牙向分化，從而促進(jìn)牙髓再生。成血管分化中，自噬也發(fā)揮了重要作用，Ma等[11]發(fā)現(xiàn)HMBOX1通過(guò)維持細(xì)胞自噬從而促進(jìn)BMSCs和小鼠胚胎干細(xì)胞向血管內(nèi)皮細(xì)胞分化。綜上所述，自噬參與干細(xì)胞分化，并在其中產(chǎn)生重要影響。

3 自噬在MSCs分化和自我更新中具有調(diào)節(jié)作用

一般認(rèn)為，細(xì)胞的分化和自我更新是兩個(gè)對(duì)立的過(guò)程，不能同時(shí)進(jìn)行。但實(shí)際上，在多能干細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)，多能干細(xì)胞往往會(huì)在靜止?fàn)顟B(tài)和激活狀態(tài)之間維持穩(wěn)態(tài)。干細(xì)胞大部分時(shí)間都處于可逆性停滯的細(xì)胞周期階段（G0期），等待啟動(dòng)信號(hào)重新進(jìn)入細(xì)胞周期[12]。當(dāng)組織受到一定的刺激時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的多潛能祖細(xì)胞，這些祖細(xì)胞是組織特異性成熟細(xì)胞的前體，如MSCs細(xì)胞群中的成骨細(xì)胞、成脂肪細(xì)胞和成軟骨細(xì)胞。一旦組織修復(fù)完成，激活的干細(xì)胞及其子細(xì)胞就會(huì)分化或恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)，以維持機(jī)體的干細(xì)胞池[13]。因此，干細(xì)胞的分化和自我更新可以同時(shí)進(jìn)行，二者并不對(duì)立。

自噬不僅可以調(diào)控MSCs的自我更新，而且可以調(diào)控其分化。MSCs的自我更新和分化受多種生長(zhǎng)因子、受體、細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子和轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)，在環(huán)境誘導(dǎo)和激素激活的條件下，自噬能有效地輸送轉(zhuǎn)錄因子、黏附分子或分泌因子。Sox2是經(jīng)典的干性相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，在啟動(dòng)細(xì)胞重編程、維持MSCs多能性等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。有研究[14]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)抑制mTOR受體激活自噬可以促進(jìn)Sox2的表達(dá)，促進(jìn)MSCs啟動(dòng)重編程和維持多能性。研究[15]證實(shí)，條件性敲除Sox2可導(dǎo)致骨折延遲愈合。SATB2不僅具有促進(jìn)BMSCs成骨分化和修復(fù)骨缺損的功能，而且還具有維持MSCs自我更新的能力，MSCs中過(guò)表達(dá)STAB2可防止干細(xì)胞衰老[3]。另外，CD44是細(xì)胞表面廣泛分布的糖蛋白，可與細(xì)胞外基質(zhì)特異性結(jié)合影響細(xì)胞-細(xì)胞、細(xì)胞-基質(zhì)的相互黏附作用，從而影響MSCs的分化[16]。同時(shí)，CD44也是一種重要的干細(xì)胞表面標(biāo)志物[16]。大量研究[17]表明，自噬可顯著上調(diào)CD44的表達(dá)。白介素（interleukin，IL）-6作為一種炎癥因子，在骨性關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松、牙周炎導(dǎo)致的牙槽骨吸收等疾病中發(fā)揮了促進(jìn)作用。研究[18]發(fā)現(xiàn)，多種MSCs如牙周膜間充質(zhì)干細(xì)胞和羊膜間充質(zhì)干細(xì)胞等具有分泌IL-6的潛能，后者與干細(xì)胞分化相關(guān)。另有研究[19]表明，激活自噬可以明顯抑制IL-6的分泌?？梢?jiàn)，自噬可能通過(guò)抑制干細(xì)胞IL-6的分泌而抑制干細(xì)胞分化，進(jìn)而促進(jìn)維持干細(xì)胞干性和分化潛能。

4 自噬參與干細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控的機(jī)制

根據(jù)細(xì)胞底物進(jìn)入溶酶體方式不同，可以將自噬分為三類，巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。在干細(xì)胞研究領(lǐng)域中，巨自噬是最常見(jiàn)、最主要的自噬形式。因此，未指出特定類型的自噬，多為巨自噬。由于自噬是一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為了方便描述，通常將自噬分為4個(gè)階段，第1階段為自噬前體或吞噬泡的形成階段，即游離的雙層膜擴(kuò)張形成杯狀結(jié)構(gòu)的過(guò)程；第2階段為自噬體的形成階段，該階段雙層膜結(jié)構(gòu)擴(kuò)張延伸形成包裹降解物的圓形或橢圓形結(jié)構(gòu)；第3階段為自噬溶酶體的形成階段，即自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體的過(guò)程；第4階段為內(nèi)容物降解階段，即溶酶體酶降解自噬體內(nèi)膜后，自噬體內(nèi)容物暴露在溶酶體內(nèi)，從而進(jìn)一步被溶酶體酶降解成小分子物質(zhì)[1]。

激活自噬的通路主要是腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）-mTOR-ULK1/2信號(hào)通路。AMPK是細(xì)胞的能量感受器。正常細(xì)胞中的腺苷酸（adenosine monophosphate，AMP）含量較少，因此，AMPK通常處于無(wú)活性的去磷酸化狀態(tài)。當(dāng)能量缺乏時(shí)，AMPK發(fā)生磷酸化，從而激活下游信號(hào)通路。mTOR可以參與兩種蛋白復(fù)合物的形成，分別為mTOR復(fù)合物（mTOR complex，mTORC）1和mTOR2，mTORC1在自噬相關(guān)調(diào)節(jié)中發(fā)揮主要作用，是胞內(nèi)主要的生存壓力感受器。抑制mTORC1活化的因素均可以誘導(dǎo)激活自噬，如激活A(yù)MPK、激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、缺氧、活性氧和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激等[20]，緊接著ULK1/2與Atg13、Atg101以及FIP200形成自噬復(fù)合物，后者調(diào)控細(xì)胞黏附、遷移、增殖和死亡等生物學(xué)活動(dòng)。

自噬對(duì)干細(xì)胞命運(yùn)的決策具有重要影響。在MSCs分化中，Notch信號(hào)通路發(fā)揮重要作用。研究[21]表明，抑制Notch信號(hào)通路可以通過(guò)PTEN-PI3K/Akt/mTOR誘導(dǎo)早期自噬，使BMSCs向成脂方向分化。同時(shí)，一項(xiàng)基于造血干細(xì)胞的研究[22]發(fā)現(xiàn)，Notch信號(hào)通路的下調(diào)和自噬增強(qiáng)在造血干細(xì)胞的形成中發(fā)揮了重要作用。MAPK信號(hào)通路參與了細(xì)胞內(nèi)多項(xiàng)生命活動(dòng)，Whitehouse等[23]發(fā)現(xiàn)，膜成分染色體17表面標(biāo)記2（membrane component chromosome 17 surface marker 2，Nbr1）作為自噬受體可以導(dǎo)致成骨細(xì)胞活性增加，而且與p38途徑的活化增強(qiáng)有關(guān)。Hwang等[24]發(fā)現(xiàn)，芥子酸可以通過(guò)增強(qiáng)p38 MAPK的活性而維持脂肪干細(xì)胞干性，同時(shí)，芥子酸也可以激活細(xì)胞自噬[25]。

5 調(diào)控自噬水平在干細(xì)胞治療中的應(yīng)用

近幾年，隨著干細(xì)胞研究的深入，利用MSCs修復(fù)骨缺損逐步得到認(rèn)可，而自噬作為骨形成的一個(gè)重要調(diào)節(jié)因素同樣受到了廣泛關(guān)注。Chen等[26]發(fā)明的聚糖微球和光交聯(lián)甲基丙烯酸化水凝膠包裹的青藤堿可以通過(guò)激活自噬途徑而抑制IL-1b誘導(dǎo)的骨性關(guān)節(jié)炎。Deng等[27]通過(guò)3D打印技術(shù)制備了一種摻雜Mn的β-磷酸三鈣陶瓷支架，應(yīng)用該支架可通過(guò)激活自噬來(lái)保護(hù)炎癥性骨關(guān)節(jié)炎環(huán)境中的軟骨細(xì)胞。Ha等[28]發(fā)現(xiàn)，二氧化硅納米粒子可通過(guò)刺激自噬而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。Chiu等[29]將殼聚糖膜負(fù)載到3D培養(yǎng)支架上促進(jìn)MSCs的成骨分化，進(jìn)一步的機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象是由自噬激活而介導(dǎo)完成的。同時(shí)也說(shuō)明殼聚糖膜促進(jìn)多能基因表達(dá)、抑制衰老，并增強(qiáng)MSCs的增殖和成骨分化潛能。

以往的研究認(rèn)為，干細(xì)胞的自我更新和分化是相互對(duì)立的，近幾年來(lái)，隨著對(duì)自噬研究的不斷深入，這一觀點(diǎn)受到挑戰(zhàn)。在干細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)，不論是在細(xì)胞水平還是分子水平，自噬在干細(xì)胞的自我更新和分化中均發(fā)揮重要作用，并且二者的通路部分重疊。然而，自噬對(duì)干細(xì)胞干性和自我更新的維持以及干細(xì)胞分化的影響及其調(diào)控的分子機(jī)制仍需要進(jìn)一步深入研究。針對(duì)自噬在干細(xì)胞自我更新、靜息狀態(tài)及增殖分化的基礎(chǔ)研究有待成為干細(xì)胞工程的突破點(diǎn)，對(duì)干細(xì)胞的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

利益沖突聲明：作者聲明本文無(wú)利益沖突。