造血干細胞自我更新相關基因的研究進展
【關鍵詞】 造血干細胞 自我更新 基因研究
在機體的一生中，由小部分全能造血干細胞來產生祖細胞與成熟血細胞。為了在如此長的時期內維持造血，造血干細胞（HSCs）具備平衡定向分化與自我更新的能力是至關重要的。自我更新指由親代細胞分裂而成的兩個子代細胞，其中一個保留造血干細胞全部生物學特征，從而維持干細胞池的大小，即干細胞數量與質量的恒定。具備自我更新能力是HSCs的標志性特征，但該過程發生與調控的分子機制尚不明確。在本文中，筆者將綜述最近發表的文獻，即對影響HSCs自我更新的基因的過表達或敲除的研究，總結目前已知的HSCs自我更新的分子調控子及這些途徑相互作用的可能方式。
1 HOX
同源盒（HOX）基因是編碼調節擬胚體形成與器官發生的進化上比較保守的一類轉錄因子，是許多組織，包括造血系統中干細胞發育的一關鍵調節因子。HOXa5與HOXa10是長期造血干細胞（LT?HSCs）的特異性標志，HOXa2在長/短期造血干細胞（LT?HSCs，ST?HSCs）表面均有表達，HOXa9表達于造血干細胞與種系決定祖細胞［1］。Ferrell等［2］還發現HOXa9與HOXa10可上調Wnt信號通路中Wnt10b與其受體卷曲蛋白1，5（Frizzled1，5）基因的表達。
轉錄因子HOXb4最早被發現高水平表達于人富含長期培養起始細胞（LTC?ICs）的CD34+CD38-/loCD45RA-CD71-骨髓細胞，而在稍成熟的祖細胞中消失。用逆轉錄病毒轉導HOXb4入小鼠骨髓細胞，經5?FU處理后，在15%FBS，IL?3、IL?6與SCF中培養10～14 d，發現實驗組中重建細胞數目增長了40倍，遠遠高于未轉導HOXb4的對照組。由此認為，HOXb4的持續表達在某種程度上可阻止細胞因子誘導的HSCs的分化。Buske等［3］發現HOXb4表達水平升高，導致具有干/祖細胞特性的人臍血細胞數量大大增加，并增強了造血干/祖細胞的增殖活性。擴增后的HSCs具正常造血重建功能、種系分化特異性和LTC?ICs活性。
在小鼠模型中利用Cre/loxP技術將HOXb4基因完全敲除，造血干細胞池的重建會受到影響。Brun等［44］也發現HOXb4缺失小鼠可發生相對正常的造血發育，但存在中度的增殖缺陷。移植HOXb4?/?HSCs的SCID小鼠對5?FU的耐受增強。對照組與實驗組中，小鼠骨髓來源的原始造血祖細胞或集落形成能力并無顯著差異，但后者對外源性生長因子的增殖應答降低。且競爭性重建造血分析表明，HOXb4-/-細胞的重建造血能力降低2倍［4］。
2 Bmi?1
Bmi?1是polycomb group（PcG）家族的一員，高表達于小鼠與人原始骨髓細胞。已有研究表明Bmi?1參與調節HSCs的增殖［5］。Bmi?1基因敲除小鼠的研究證實，盡管Bmi?1缺失胚胎胎肝中的HSCs數目維持正常，這種小鼠在出生后2月內死于廣泛漸進性的全血細胞缺失，包括原始祖細胞的缺失［6］。Park等［7］用RT?PCR與基因表達分析，發現在造血發育中表達下降的Bmi?1，在純化的小鼠與人HSCs上高度表達。競爭性再生試驗表明，移植自Bmi?1-/-小鼠獲得的胎肝細胞與新生骨髓細胞10周后，受體內幾乎沒有供體來源的成熟造血細胞［7］。這是因為供體來源的HSCs不能進行自我更新。Bmi?１過表達可增強HSCs的對稱分裂，介導細胞分裂時保持stemness遺傳。而且，Bmi?1表達增強致多潛能祖細胞的體外大量擴增，HSCs體內重建造血能力顯著提高。功能丟失分析表明，Bmi?1缺失與HSCs的自我更新缺陷緊密相關［5,8］。
Bmi?1通過調節干細胞命運決定基因、存活基因、抗增殖基因預感細胞相關基因來調控HSCs的自我更新［7］。Park等［7］發現Bmi?1-/-HSCs呈現幾種表達在胚胎，神經與造血干細胞的基因的異常表達，以及幾種調節細胞循環與凋亡的基因表達的改變，包括細胞周期抑制因子p16INK4a與 p19ARF 的上調及凋亡抑制因子AI?6的下調。這些可能用以解釋Bmi?1-/-小鼠體內HSCs的缺失：上調p16INK4a基因與衰老相關；下調AI?6與上調p19ARF可導致細胞凋亡。
3 Shh
Sonic hedgehog（Shh）是一種共價結合膽固醇的分泌形蛋白，在動物發育中發揮重要作用［9］。許多Hh家族成員信號分子參與體外培養時血細胞及內皮細胞的產生，Hh蛋白可刺激定向造血干/祖細胞的增殖。Hh通路變異或用Hh信號抑制劑環杷明處理的金龍魚胚胎呈現成體造血干細胞形成缺陷［8］。加Hh及Shh中和抗體入含1個SCID重建細胞（SRC）的103CD34+CD38-Lin-細胞培養體系，然后將這些細胞以有限稀釋法注入NOD/SCID小鼠體內，7 d后，仍只含1個SRC。用可溶性Shh處理的細胞可在體內產生大量的人造血細胞，表明HSCs應答Hh信號進行自我更新分裂［10］。
已有研究表明，Shh活性與BMP信號相關。Noggin，BMP?4的天然抑制物，可抑制Shh誘導的表型原始的造血細胞的增殖，其模式類似于Hh中和抗體。因此，Shh作為HSCs的一個調節因子，可能與其它轉錄因子聯合作用，依賴于下游的BMP信號［10］。
4 Wnt
Wnt蛋白是另一類重要的干細胞調節因子，通過自分泌或旁分泌發揮作用。已有研究表明，在胚胎及成體造血干/祖細胞發育中，Wnt信號發揮重要的調節作用［9，11］。Feng等也發現在小鼠ES細胞向造血分化時，Wnt?β?連環蛋白（Wnt信號通路的一下游激活子）被下調，表明Wnt信號在小鼠ES細胞向造血分化中發揮作用。將純化的小鼠Wnt3a加入c?kit+ ThyloSca?1+Lin-小鼠骨髓細胞，隨后將之注入致死量照射的小鼠體內，6周后進行多譜系移植分析。發現，HSCs應答純化Wnt3a經歷自我更新［12］。用逆轉錄病毒將Wnt3轉導入hTERT基質細胞，發現其過表達增強Wnt?β?連環蛋白信號，致顯著的形態學改變與生長遲緩。共培養2周后，試驗組與對照組中CD34+細胞的擴增無明顯差別，但實驗組的鵝卵石區形成顯著減少。
Wnt 可以與Frizzled家族成員或低密度脂蛋白受體相關蛋白（LRP）結合發揮作用，激活該受體復合物可致β?連環蛋白（β?catenin）的累積�；钚驭�?catenin的過表達可產生20～49倍擴增的c?kit+ ThyloSca?1+Lin-表型的細胞［13］。相反，axin（促進β?catenin的降解，進而抑制Wnt信號）或Frizzled配體結合域（阻斷可溶性Wnt的結合）的異常表達導致體外培養HSCs的增殖抑制與重建造血能力的減弱［１４］。為了研究Wnt信號在體內內環境是否有活性，Reya等［14］用帶GFP 的LEF?1/TCF（lymphoid enhancer factor?1/T cell factor，與β?catenin相互作用，促進靶基因轉錄）感染HSCs。將其移植入小鼠體內，他們分析表達GFP的HSCs，表明內源性干細胞可應答Wnt信號。他們還觀察到β?catenin轉導的HSCs表達3～4倍或更高水平的HOXb4與Notch1，表明HSCs自我更新的調節因子間可能存在相互作用。
5 Notch
在進化上高度保守的 Notch信號可導致譜系特異性基因的轉錄抑制，保持祖細胞的未分化狀態。已有研究表明，Notch通路在造血細胞發育的不同階段影響其生存、增殖及分化，包括造血干細胞的自我更新及分化［9］。
Notch信號在抑制分化中發揮重要作用。隨著HSCs分化，其表達水平被下調。抑制Notch信號導致HSCs體外加速分化，體內缺失。Notch信號參與Wnt介導的維持HSCs未分化狀態［15］。用逆轉錄病毒轉導小鼠Notch4的活性形式（Int?3）入富含干細胞的小鼠骨髓細胞，培養2周后，發現Int?3轉導組分化標志物的表達更低，且較對照組其集落形成細胞CFU?GM/BFU?E數目高出3～5倍［16］。轉導Notch4的活性部分（Notch?IC）入人臍血CD34+CD38-細胞。較之對照組，其總的髓系集落形成細胞顯著減少（3～10倍），但其長期擴增能力增強。將轉導的臍血細胞移植入NOD/SCID?β2-/-小鼠，在其骨髓與脾內均可檢測到CD34+CD38-細胞［17］。
已有研究表明骨髓基質細胞表達的Jagged1（Notch配體之一）可促進造血干/祖細胞的擴增［18］；盡管之前Walker與Karanu等已經分別證實Jagged1?Notch通路可維持CD34+細胞處于不成熟狀態,且人Jagged1可誘導具多譜系重建能力的人干細胞的存活與增殖。
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