SDF-1/CXCR4介導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.研究生院醫學部2007級;b.江西省人民醫院消化科,南昌 330006)

基質細胞衍生因子-1(SDF-1)與其受體CXCR4結合,所介導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中發揮重要作用。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的非編碼序列內有多個在調節細胞因子基因表達中起重要作用的富含A+U序列,編碼區僅含有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有在調節表達和功能方面均相同的2個異構體α和β,是由同一基因編碼的2種不同的拼接變異體,最近發現其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的羧基末端與其結合受體無關,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主要由低氧誘導表達[3],由基質細胞持續分泌,而其他趨化因子由炎癥介質誘導,由炎癥細胞表達。

CXCR4是SDF-1唯一的特異性受體,在人體內,編碼基因位于人染色體2q21,有1個胞外N端、3個胞內環、3個胞外環和1個胞內C端。其N端區域(胞外區)與配體結合,胞內區與G蛋白偶聯,C端含絲氨酸/蘇氨酸,可磷酸化,參與信號轉導。SDF-1與CXCR4的N端結構域結合,并與CXCR4的第二胞外環狀區相互作用才能啟動下游信號通路。在人的CXCR4細胞外區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皮,通過分泌基質金屬蛋白酶(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境中,進一步分化成相關細胞,從而修復缺損組織。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,人們發現SDF-1及其受體CXCR4在其中發揮重要作用。1997年,Aiuti A.等[6]首次發現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,并且發現來源于骨髓、臍血動員的外周血中的CD34+造血干/祖細胞表面表達其相應受體CXCR4,而SDF-1能特異性地對CXCR4產生趨化作用[7]。CD34+造血干細胞從骨髓中動員和調節,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抗原LFA-1、VLA-4和VLA-5;SDF-1誘導人CD34+造血干細胞的牢固黏附和跨內皮細胞的遷移。Kollet O.等[12]最近研究表明SDF-1/CXCR4介導的信號傳導在人類祖細胞遷移到小鼠肝臟起了關鍵作用;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誘導細胞遷移的分子基礎。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生物學效應的研究中,證實Gi蛋白存在于SDF-1/CXCR-4信號傳導途徑中[13-15]。進一步研究發現多種激酶參與了Gi蛋白下游信號傳導[16-20],如蛋白激酶C、蛋白激酶 B、PI-3激酶、細胞外信號調節蛋白-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介導骨髓間充質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對調節骨髓間充質干細胞(BMSC)進入損傷肝組織起主要作用[21]。Ji J.F.等[22]用RT-PCR技術證實,BMSC也可表達CXCR4,且體內外的實驗都表明,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)體外可以趨化充質干細胞(MSC),并且發現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誘導的小鼠肝損傷模型內,觀察發現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,流式細胞計數儀及免疫組織化學法檢測發現損傷肝組織內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鍵作用,移植的BMSC在損傷肝組織中正性調節SDF-1的表達。唐俊明等[26]的研究結果提示MSC遷移能力的調控與磷酰肌醇-3激酶PI3K-MAPK絲裂酶原活化蛋白激酶途徑有一定的關系,而與PI-PLC途徑關系密切。提示SDF-1與CXCR4結合后,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介導的BMSC遷移有密切關系[12]。

4 SDF-1介導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的主要部分,但產生過多亦可損傷肝細胞,它是免疫反應的產物,同時又可增強免疫反應,促進肝細胞損傷。實驗發現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對肝損傷進行正調節并促進植入的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同SCF促進SDF-1誘導的定向遷移[29]。Mavier P.等[30]在部分肝切除后使用2-乙酰氨基芴(AAF)治療時發現,門靜脈周圍肝臟橢圓細胞(HOCs)數目逐漸增加。在新形成的肝小管結構中,HOCs胞漿大量表達SDF-1蛋白,在使用可結合并抑制SDF-1生物學作用的墨角藻聚糖后,大多數小鼠門靜脈周圍的 HOCs數目明顯減少,說明 SDF-1與誘導HOCs參與損傷肝臟修復有關。可見干細胞通過自分泌或旁分泌途徑,促進修復細胞遷移到損傷肝臟。

6 總結與展望

由各種原因引發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,通過影響細胞內骨架蛋白的重排,增加絲狀肌動蛋白束的數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,很可能是良好的轉基因治療的靶細胞,故可望通過調控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會更多地應用于臨床,挽救更多的肝病患者。

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