SDF-1/CXCR4介导骨髓干细胞归巢至损伤肝脏的研究进展

柳晓霞(综述),胡坚方(审校)

(南昌大学a.研究生院医学部2007级;b.江西省人民医院消化科,南昌 330006)

基质细胞衍生因子-1(SDF-1)与其受体CXCR4结合,所介导的骨髓干细胞迁移归巢在多种组织器官损伤后的再生修复中发挥重要作用。研究表明,在肝损伤及肝细胞再生的过程中,干细胞起着重要的作用[1],而骨髓干细胞是肝细胞的重要的肝外来源[2]。SDF-1及其受体CXCR4组成的功能轴在骨髓干细胞迁移方面的研究进展,为治疗肝损伤提供了新的方向。本文主要对SDF-1/CXCR4轴体系统的生物学特性及其在骨髓干细胞归巢至损伤肝脏的作用进行综述。

1 SDF-1及其受体CXCR4的生物学特性

SDF-1或称前 B细胞刺激因子(PBSF)或称CXCL12,SDF-1基因位于10号染色体长臂,通过表达克隆的方法,分离到它的cDNA,长1776 bp,3′端1451 bp的非编码序列内有多个在调节细胞因子基因表达中起重要作用的富含A+U序列,编码区仅含有1个267 bp核苷酸序列的开放读框,编码89个氨基酸多肽,根据其氨基酸序列含有4个半胱氨酸及N端含2个半胱氨酸被1个其他氨基酸隔开,将其归为趋化因子CXC亚家族,广泛地表达于多种细胞和组织中,包括免疫细胞、脑、心脏、肾、肝、肺和脾。SDF-1有在调节表达和功能方面均相同的2个异构体α和β,是由同一基因编码的2种不同的拼接变异体,最近发现其4个新亚型:SDF-1γ、SDF-1δ、SDF-1ε和 SDF-1ф[3]。它们分别比SDF-1α在羧基端多30、51、1和 11个氨基酸,其编码基因仅在起始的3个外显子是完全相同的,而且有器官表达差异性。但SDF-1的羧基末端与其结合受体无关,因此它们的活性无太大差别。鼠和人的SDF-1的氨基酸序列具有高度的同源性。SDF-1主要由低氧诱导表达[3],由基质细胞持续分泌,而其他趋化因子由炎症介质诱导,由炎症细胞表达。

CXCR4是SDF-1唯一的特异性受体,在人体内,编码基因位于人染色体2q21,有1个胞外N端、3个胞内环、3个胞外环和1个胞内C端。其N端区域(胞外区)与配体结合,胞内区与G蛋白偶联,C端含丝氨酸/苏氨酸,可磷酸化,参与信号转导。SDF-1与CXCR4的N端结构域结合,并与CXCR4的第二胞外环状区相互作用才能启动下游信号通路。在人的CXCR4细胞外区N-末端22与25位点间的6H8抗原决定簇对CXCR4的趋化功能是绝对必要的,6H8结合的特定丢失不能使 CXCR4趋化[4]。

CXCR4是SDF-1唯一的特异性受体,干细胞归巢到组织损伤部位包括干细胞的动员、迁移和定植等多个步骤。干细胞首先被动员从其聚集的组织或器官中移出并进入外周血,感受到指引其归巢的趋化性浓度梯度,然后按信号指引方向迁移到组织损伤部位并黏附于血管内皮,通过分泌基质金属蛋白酶(MMP)穿透微血管壁,定植于新的有利于其增殖和免受程序性细胞死亡的微环境中,进一步分化成相关细胞,从而修复缺损组织。SDF-1/CXCR4轴通过控制这些步骤影响干细胞的整个归巢过程[5]。

2 SDF-1介导造血干细胞归巢至损伤肝脏

在对造血干细胞(HSC)动员和归巢机制的研究中,人们发现SDF-1及其受体CXCR4在其中发挥重要作用。1997年,Aiuti A.等[6]首次发现SDF-1是CD34+造血干细胞的趋化因子,随后大量的研究不断证实SDF-1在骨髓干细胞的细胞迁移中起重要作用,并且发现来源于骨髓、脐血动员的外周血中的CD34+造血干/祖细胞表面表达其相应受体CXCR4,而SDF-1能特异性地对CXCR4产生趋化作用[7]。CD34+造血干细胞从骨髓中动员和调节,SDF-1在此过程中起了重要的作用[8-9]。SDF-1影响造血干细胞动员的机制仍不清楚,尽管是通过调控黏附分子如极迟活化分子-4(VLA-4)这种特别改变使祖细胞黏附到骨髓微环境[10]。SDF-1已被证明通过激活磷脂酰肌醇3激酶(PI3-K)/AKT的途径来抵消细胞凋亡从而促进循环中的CD34+的造血干细胞的存活[11]。募集的干细胞必须黏附在损伤部位的内皮上,Peled A.等[10]报道,SDF-1激活人造血干细胞整合素淋巴细胞功能相关抗原LFA-1、VLA-4和VLA-5;SDF-1诱导人CD34+造血干细胞的牢固黏附和跨内皮细胞的迁移。Kollet O.等[12]最近研究表明SDF-1/CXCR4介导的信号传导在人类祖细胞迁移到小鼠肝脏起了关键作用;用抗CXCR4抗体中和CXCR4受体后能明显抑制人类脐带血或者动员的外周血CD34+造血干细胞归巢到经放射处理的NOD/SCID鼠的肝脏中。此外,注射人类SDF-1到小鼠肝组织中,进一步增强了人类干细胞向肝迁移。Kollet O.等[12]的研究显示肝脏受炎症等损伤后,胆管上皮细胞分泌的SDF-1分泌增加,同MMP-9和肝细胞生长因子(HGF)一样都有招募CD34+造血干细胞的功能,造血干细胞来到肝脏成簇地聚集在胆管周围,并分化成表达白蛋白的细胞。在Voermans C.等[13]的研究中,SDF-1诱导CD34+造血干细胞中肌动蛋白快速、短暂聚合并定位于细胞骨架,这可能是SDF-1诱导细胞迁移的分子基础。然而,在细胞中肌动蛋白快速、短暂聚合前SDF-1/CXCR-4是如何传递生化信号目前还不是很清楚,但有关这方面的研究已取得了不少成果。通过百日咳毒素抑制SDF-1/CXCR-4生物学效应的研究中,证实Gi蛋白存在于SDF-1/CXCR-4信号传导途径中[13-15]。进一步研究发现多种激酶参与了Gi蛋白下游信号传导[16-20],如蛋白激酶C、蛋白激酶 B、PI-3激酶、细胞外信号调节蛋白-2、JAK/STAT家族成员JAK2、MAPK等。上述激酶的活化可以引起CD34+造血干黏附部位的组分中酪氨酸的磷酸化,包括相连部位黏附灶的酪氨酸的磷酸化,衔接分子P130Cas和细胞骨架蛋白小柱的磷酸化,进一步引起核转录因子如 NF-κ B、ELK-1等磷酸化,从而在核里引起某些核蛋白的磷酸化,改变造血干细胞的遗传信息。

3 SDF-1介导骨髓间充质干细胞归巢至损伤肝脏

最近对肝损伤动物模型的研究表明,SDF-1/CXCR4对调节骨髓间充质干细胞(BMSC)进入损伤肝组织起主要作用[21]。Ji J.F.等[22]用RT-PCR技术证实,BMSC也可表达CXCR4,且体内外的实验都表明,SDF-1对BMSC有趋化作用[23-24]。Ding P.等[23]通过Boyden小室法证实趋化因子SDF-1(5、50、500 μ g◦ L-1)体外可以趋化充质干细胞(MSC),并且发现SDF-1浓度为50 μ g◦L-1时趋化作用达到高峰,同时观察到抗SDF-1多克隆抗体可对抗SDF-1的趋化迁移作用,从侧面证实了SDF-1对MSC体外迁移的特异性。Jung Y.J.等[25]将同种BMSC移植到CCL4诱导的小鼠肝损伤模型内,观察发现移植后模型鼠的肝脾肿大及肝坏死均得到改善,肝酶降低,植入的BMSC特异性地迁移到受损肝组织,流式细胞计数仪及免疫组织化学法检测发现损伤肝组织内CXCR4和SDF-1的表达增加,从而验证了SDF-1/CXCR4的相互作用对移植的干细胞定位到受损肝组织起到了关键作用,移植的BMSC在损伤肝组织中正性调节SDF-1的表达。唐俊明等[26]的研究结果提示MSC迁移能力的调控与磷酰肌醇-3激酶PI3K-MAPK丝裂酶原活化蛋白激酶途径有一定的关系,而与PI-PLC途径关系密切。提示SDF-1与CXCR4结合后,通过磷脂酰肌醇特异性磷脂酶PI-PLC和PI3K激活的蛋白激酶C(PKC)亚型不同。近来研究表明,PI3K-MAPK途径下游所激活的MMP与SDF-1/CXCR4介导的BMSC迁移有密切关系[12]。

4 SDF-1介导骨髓单个核细胞归巢至损伤肝脏

孙立影等[27]研究证实SDF-1可以促进骨髓单个核细胞(BMMC)向肝脏迁移,并且迁移至肝脏的骨髓单个核细胞可以向肝细胞分化。研究表明,SDF-1可以促进BMMC的归巢至受损肝脏,移植BMMC可改善肝功能,且白蛋白表达水平和增殖细胞核抗原的表达,实验组明显高于对照组[28]。

5 SDF-1与其他因子之间的相互作用

细胞因子是机体防御系统的主要部分,但产生过多亦可损伤肝细胞,它是免疫反应的产物,同时又可增强免疫反应,促进肝细胞损伤。实验发现TNF-α、IL-1、IL-6、IL-8、IFN-γ等细胞因子参与了肝细胞损伤。肝细胞生长因子能够对肝损伤进行正调节并促进植入的BMSC向肝细胞分化,且通过与SDF-1的相互作用对干细胞的补充起重要作用[12]。干细胞因子(SCF)可以增加CXCR4的表达而增强SDF-1引起干细胞迁移。胰岛素样生长因子1(IGF-1)可以增加CXCR4在MSC中的表达,并且促进MSC向SDF-1迁移的反应能力,IL-8可通过间接激活MMP-9促进造血干细胞释放。在肝损伤时,SDF-1和基质金属蛋白酶MMPs能促进肝细胞动员;肝细胞生长因子通过增加人祖细胞的活力并协同SCF促进SDF-1诱导的定向迁移[29]。Mavier P.等[30]在部分肝切除后使用2-乙酰氨基芴(AAF)治疗时发现,门静脉周围肝脏椭圆细胞(HOCs)数目逐渐增加。在新形成的肝小管结构中,HOCs胞浆大量表达SDF-1蛋白,在使用可结合并抑制SDF-1生物学作用的墨角藻聚糖后,大多数小鼠门静脉周围的 HOCs数目明显减少,说明 SDF-1与诱导HOCs参与损伤肝脏修复有关。可见干细胞通过自分泌或旁分泌途径,促进修复细胞迁移到损伤肝脏。

6 总结与展望

由各种原因引发的终末期肝病严重威胁着人类健康,目前确切治疗方法是原位肝移植。但供体不足、危险性高、终生服用免疫抑制剂、致命性感染、费用昂贵等问题严重限制了肝移植的广泛开展。近年来,以肝脏干/祖细胞为种子细胞的基因工程、干细胞工程作为肝移植的替代疗法越来越显示出良好的应用前景。SDF-1/CXCR4轴不仅影响干细胞移出原干细胞池,而且可以增强干细胞的运动和黏附能力,通过影响细胞内骨架蛋白的重排,增加丝状肌动蛋白束的数量和厚度来提高细胞的运动能力;还可以影响干细胞分泌细胞因子,这些因子对干细胞的顺利迁移具有重要作用。鉴于骨髓干细胞在损伤肝脏修复中有潜在的价值,而且骨髓干细胞具有对病灶的趋化特性,很可能是良好的转基因治疗的靶细胞,故可望通过调控SDF-1的局部浓度来控制骨髓干细胞向靶组织的趋化迁移,达到治疗目的。随着对SDF-1/CXCR4轴体研究的不断深入,相信在不久的将来,SDF-1会更多地应用于临床,挽救更多的肝病患者。

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