鄭小宇 綜述,石蓓 審校
(遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心內(nèi)科,貴州遵義563000)
Notch信號(hào)通路在心臟干/祖細(xì)胞中的研究進(jìn)展
鄭小宇 綜述,石蓓 審校
(遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心內(nèi)科,貴州遵義563000)
心臟;干細(xì)胞;細(xì)胞分化;Notch信號(hào)通路;綜述
Notch信號(hào)通路存在于機(jī)體細(xì)胞與細(xì)胞之間的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中,參與多種細(xì)胞的形成過(guò)程:如細(xì)胞分化、激活、凋亡/存活和增殖等,相鄰的細(xì)胞可通過(guò)Notch配體與受體結(jié)合傳遞Notch信號(hào),從而擴(kuò)大并固化細(xì)胞間的分子差異,最終決定細(xì)胞命運(yùn)[1]。由于心肌細(xì)胞的再生能力有限,各種原因致心肌壞死后愈合形成纖維化瘢痕,導(dǎo)致心功能進(jìn)行性下降。心臟干/祖細(xì)胞(CSCs/CPCs)因其具有分化為心肌細(xì)胞的能力而成為心肌梗死后心臟修復(fù)的研究熱點(diǎn),在這一過(guò)程中,Notch信號(hào)通路的激活參與了心臟祖細(xì)胞的增殖、分化與凋亡,使心功能得以改善[2]。本文就該方面的研究進(jìn)展作一綜述。
1.1 Notch信號(hào)通路的組成Notch信號(hào)通路的受體和配體均是Ⅰ型跨膜蛋白。目前已在哺乳動(dòng)物中鑒定出4種Notch受體(Notch1~4)和5種Notch配體,其中Jagged(Jag)1和Jag2來(lái)自Jagg/serrate家族,Dll1、3、4來(lái)自Delta樣家族(Dll)[3]。Notch1受體及其配體Jagged1是位于成人心臟中主要的Notch家族成員,心臟發(fā)生缺血再灌注損傷時(shí),缺血預(yù)處理及缺血后處理的方式均可使Notch1信號(hào)途徑被激活,從而發(fā)揮穩(wěn)定線粒體膜電位和減少活性氧的功能[4];Notch2則參與了干細(xì)胞因子(SCF)介導(dǎo)的紅細(xì)胞系增殖及分化[5];肺動(dòng)脈高壓時(shí),低氧誘導(dǎo)使Notch3表達(dá)上調(diào),這在疾病的發(fā)展過(guò)程中是至關(guān)重要的[6];Notch4和Dll4在成熟血管形成過(guò)程中扮演了主要角色,使其在腫瘤血管生成方面成為研究熱點(diǎn)[7-8]。由此可見(jiàn),Notch信號(hào)的不同受體與配體間相互組合可以產(chǎn)生不同效應(yīng)。
1.2 Notch通路的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑目前研究較多的是Notch經(jīng)典信號(hào)途徑,由Notch跨膜配體與鄰近細(xì)胞上Notch跨膜受體的胞外結(jié)構(gòu)域相結(jié)合,首先催化TNF-α轉(zhuǎn)化酶(ADAM/TACE)對(duì)受體的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)域進(jìn)行水解,使跨膜區(qū)域分開(kāi),導(dǎo)致Notch膜捆綁分裂形式(NEXT)形成[9]。r-分泌酶復(fù)合物再對(duì)受體的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域進(jìn)行水解,經(jīng)過(guò)這2次水解后,受體的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)Notch受體活化形式(NICD/ICD)被釋放到細(xì)胞質(zhì)中[10]。Notch ICD轉(zhuǎn)移定位到細(xì)胞核,并且與CBF1/Su(H)/Lag-1(CSL)家族中的DNA連接蛋白相結(jié)合,DNA連接蛋白是哺乳動(dòng)物免疫球蛋白中kappa J區(qū)域(RBPJ-κ)或kappa連接因子2(KBF2)的重組信號(hào)連接蛋白,其與共激活劑Mastermind(MAM)協(xié)同作用促進(jìn)下游目標(biāo)基因:Hes和Hes相關(guān)家族(Hesr)的表達(dá)[11-12],從而發(fā)揮多種功能,如細(xì)胞與細(xì)胞間通信,決定細(xì)胞命運(yùn),維持組織的穩(wěn)態(tài)和再生。
Notch通路還可通過(guò)非經(jīng)典途徑進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),其與經(jīng)典信號(hào)途徑的主要區(qū)別在于由非經(jīng)典配體激活,不需要水解Notch受體,并且部分形式中不包括CSL[13]。非經(jīng)典途徑中的配體Delta樣同系1/2(Dlk1/2)與經(jīng)典途徑中的Dll配體結(jié)構(gòu)類(lèi)似但缺乏DSL結(jié)構(gòu)域,此配體不能通過(guò)轉(zhuǎn)錄激活,而是通過(guò)cis-抑制劑與經(jīng)典配體競(jìng)爭(zhēng)而起作用[14]。非經(jīng)典途徑的具體作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。
從胚胎發(fā)育時(shí)期心臟形成開(kāi)始,Notch對(duì)心外膜的形成和冠狀動(dòng)脈血管的形態(tài)發(fā)生均有著顯著影響。使用基因調(diào)控胚胎期心肌細(xì)胞間的Notch信號(hào)可導(dǎo)致嚴(yán)重的心臟畸形,包括異常的心房和心室生長(zhǎng)及心臟間隔缺損[15]。Notch1在心外膜中異位表達(dá)造成心外膜完整性缺失,心室肌變薄,并且冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞和心外膜細(xì)胞出現(xiàn)過(guò)早分化[16]。然而,Notch亦能夠在成年損傷心臟中發(fā)揮著積極有利的作用。心肌梗死后,移植胚胎干細(xì)胞及誘導(dǎo)多能干細(xì)胞至受損心臟,可以抑制心室重構(gòu),且Notch-1和Hes-1的表達(dá)顯著增加,這表明Notch信號(hào)通路參與了這一過(guò)程,保護(hù)了心臟功能[17]。Li等[18]研究發(fā)現(xiàn),骨髓衍生細(xì)胞移植能促進(jìn)梗死心臟修復(fù),其機(jī)制是Notch1介導(dǎo)了骨髓衍生細(xì)胞(主要是骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞)增殖、遷移和募集到梗死邊緣區(qū),并且可能增加了新生血管的形成。Notch還能夠與PI3K/Akt以及NF-κB等信號(hào)通路交叉對(duì)話,從而在缺血預(yù)處理介導(dǎo)的心臟保護(hù)中起著主要調(diào)控作用[19]。Notch在心臟形成及發(fā)育的整個(gè)過(guò)程中都扮演著重要角色,一方面是因?yàn)槠淇梢耘c其他信號(hào)通路之間相互通信;另一方面則是其能夠調(diào)控心臟中各種細(xì)胞的功能。
研究發(fā)現(xiàn),心臟中含有干細(xì)胞特征的細(xì)胞群,其具有多向分化潛能,能夠自我更新并且維持心肌細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定,被稱(chēng)之為CSCs/CPCs[20-21]。心肌梗死致心肌損傷后,外源性CSCs/CPCs可以被移植至損傷區(qū)域,分化為心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞(SMC),從而修復(fù)受損心臟。Tang等[22]給陳舊性心肌梗死的大鼠冠脈內(nèi)注射經(jīng)體外擴(kuò)增的CPCs后,發(fā)現(xiàn)心肌梗死部位的心肌細(xì)胞數(shù)量增加,纖維化程度減輕,心功能也有所提高,而且移植的CPCs還可以募集內(nèi)源性CPCs到損傷心肌區(qū)域。CSCs移植雖然能從一定程度上彌補(bǔ)了丟失的心肌,改善了心臟功能,然而,心肌損傷使其微環(huán)境發(fā)生變化對(duì)移植后細(xì)胞存活帶來(lái)巨大不利影響。有文獻(xiàn)報(bào)道,干細(xì)胞通過(guò)心肌內(nèi)或冠狀動(dòng)脈內(nèi)注射到心肌后1周,僅有不到5%的移植細(xì)胞被檢測(cè)到[23],存活的干細(xì)胞未能向心臟表型進(jìn)行分化。因此,如何增強(qiáng)移植后CSCs/CPCs的存活、增殖和分化,提高細(xì)胞治療效果成為目前的研究熱點(diǎn)。
相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)表明,Notch信號(hào)通路可作為一條潛在的途徑促進(jìn)造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞的擴(kuò)增并應(yīng)用于臨床[24]?;罨腘otch信號(hào)通路能夠介導(dǎo)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(TGF-β1)來(lái)調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和人胚胎干細(xì)胞分化成為SMC[25]。Li等[26]從骨質(zhì)疏松的大鼠中分離出牙周膜干細(xì)胞置于成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基中誘導(dǎo)其分化時(shí),可以觀察到Notch1和Jag1的mRNA及蛋白表達(dá)水平均增加,由此說(shuō)明Notch能夠維持牙周膜干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化。體外實(shí)驗(yàn)觀察胚胎干細(xì)胞分化時(shí)發(fā)現(xiàn),Notch信號(hào)通路是調(diào)控胚胎干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化的關(guān)鍵因子,上調(diào)Notch信號(hào)可促進(jìn)胚胎干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化[27]。以上這些結(jié)果揭示,Notch信號(hào)通路能夠調(diào)控不同干細(xì)胞的增殖及分化,同時(shí),其對(duì)CSCs的功能也有調(diào)控作用。
4.1 Notch與CSCs/CPCs的存活及增殖急性或慢性的心臟缺血缺氧均會(huì)導(dǎo)致心肌損傷,同時(shí)激發(fā)強(qiáng)烈的炎性反應(yīng),分泌一系列促炎因子,如細(xì)胞因子和趨化因子等致使心肌細(xì)胞凋亡[28]。雖然CSCs移植至受損心臟能夠彌補(bǔ)部分丟失的心肌,但是在缺血缺氧環(huán)境的影響下,外源性干細(xì)胞植入后存活率不理想,極大地影響了治療效果。近年來(lái)研究表明,Notch1和Notch2在巨噬細(xì)胞中可抑制TLR-4介導(dǎo)的促炎因子的生成,并且通過(guò)ERK、MyD88/TRAF6及TRIF信號(hào)通路來(lái)促進(jìn)抗炎因子產(chǎn)生[29]。然而,另有報(bào)道稱(chēng),用抑制劑阻斷Notch通路后可顯著減少T細(xì)胞的增殖及浸潤(rùn)[30]。盡管Notch增加了炎癥細(xì)胞的浸潤(rùn),但其卻能與抑制炎癥的信號(hào)通路相互作用,從一定程度上改善炎癥環(huán)境,增加移植后細(xì)胞的存活。同時(shí),Notch還能調(diào)節(jié)干細(xì)胞增殖。Nemir等[31]在小鼠心肌細(xì)胞表面過(guò)度表達(dá)Jag1來(lái)持續(xù)激活Notch通路,活化的Notch能夠促進(jìn)scal-1+CSCs及NKX2.5+心臟前體細(xì)胞增殖,減輕轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β/結(jié)締組織生長(zhǎng)因子介導(dǎo)的心臟纖維化,從而增強(qiáng)心臟應(yīng)激反應(yīng)和心肌細(xì)胞再生能力。Collesi等[32]證實(shí),Notch信號(hào)通路激活后雖然不能將新形成的心肌細(xì)胞還原到祖細(xì)胞狀態(tài),但能夠維持和延長(zhǎng)未成熟心肌細(xì)胞的增殖期,并刺激其在數(shù)量上增加。心臟受到損傷時(shí),激活Notch通路后不僅能夠增加心肌細(xì)胞的存活,還能夠促進(jìn)心臟固有或外源性干細(xì)胞的增殖,修復(fù)和彌補(bǔ)受損心肌,進(jìn)而使心功能得以改善。然而,Notch調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖的潛在機(jī)制并不十分明確。有研究證實(shí),Notch通路在心臟中促進(jìn)細(xì)胞存活的潛在機(jī)制可能是由肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子/c-Met受體和PI3K/Akt生存信號(hào)所介導(dǎo)[33]。Notch在CSCs中的促增殖作用是否也由此通路介導(dǎo),抑或是與其他通路有關(guān)則需要更多的證據(jù)來(lái)證實(shí)。
4.2 Notch與CSCs/CPCs的分化CSCs/CPCs具有自身多向分化潛能。在特定因素的刺激下,這種潛能可以被激發(fā)或者抑制。體外實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn),過(guò)表達(dá)Notch1活性成分ICD的心臟球形干細(xì)胞可被誘導(dǎo)分化為SMC,這個(gè)分化機(jī)制是RBP-J依賴(lài)性的[34]。Boni等[35]觀察到Notch信號(hào)下游的RBP-J共有位點(diǎn)處于Nkx2.5的啟動(dòng)子區(qū)域內(nèi),Notch1受體激活后能夠促進(jìn)CPC中Nkx2.5的表達(dá),有效刺激CPC向心肌細(xì)胞系分化,并維持新形成細(xì)胞的增殖狀態(tài)。藥物阻斷梗死心臟中的Notch通路活化,會(huì)阻礙內(nèi)源性CPC向心肌細(xì)胞分化,從而抑制心臟修復(fù)。Kwon等[36]利用染色質(zhì)免疫共沉淀方法檢測(cè)到心臟分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(Isl1、Myocd)的表達(dá)受到β-catenin的調(diào)控,Notch1可以通過(guò)負(fù)調(diào)控βcatenin,使其磷酸化失活,從而促進(jìn)CPC分化為心肌細(xì)胞及SMC。上述文獻(xiàn)報(bào)道表明了活化的Notch信號(hào)能夠增強(qiáng)CSCs/CPCs的分化能力,促進(jìn)其向心肌及SMC分化,亦有相關(guān)研究闡述Notch信號(hào)表達(dá)的強(qiáng)弱對(duì)CSCs的分化有著不同影響[37]。用不同密度培養(yǎng)CSCs時(shí),可觀察到低密度培養(yǎng)的CSCs中的Notch信號(hào)通路基因表達(dá)較低,能夠更好地維持細(xì)胞干性及向心肌分化的潛能,而高密度培養(yǎng)的CSCs中Notch信號(hào)通路基因表達(dá)偏高,可以終止細(xì)胞周期,使CSCs向內(nèi)皮細(xì)胞分化,由此說(shuō)明減少細(xì)胞中的Notch信號(hào)表達(dá)更有利于CSCs向心肌細(xì)胞分化。結(jié)合以上研究結(jié)果,作者推測(cè)在CSCs中,Notch信號(hào)通過(guò)調(diào)控β-catenin通路,以及控制細(xì)胞分化相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子而發(fā)揮促分化作用的。但是,在這一過(guò)程中是否涉及到其他的信號(hào)分子及傳導(dǎo)通路則并不十分明確。
Notch信號(hào)通路是一條廣泛存在于細(xì)胞中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路,貫穿于生物體的整個(gè)生理病理過(guò)程,對(duì)此信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的深入研究有助于增加對(duì)各種細(xì)胞功能及其作用機(jī)制的了解,也有助于增強(qiáng)對(duì)一系列疾病治療方案的認(rèn)識(shí)。目前的證據(jù)肯定了Notch信號(hào)通路激活后能夠促進(jìn)CSCs/CPCs的增殖,并且向心肌細(xì)胞系分化,有利于修復(fù)受損心臟。但此信號(hào)通路有多個(gè)受體和配體的組合形式,在不同類(lèi)型細(xì)胞中的功能也并不完全相同,近年來(lái)主要研究了主要受體Notch1在CSCs中的作用,而其余受體與相應(yīng)配體結(jié)合后對(duì)細(xì)胞的影響仍然需要進(jìn)一步了解。Notch信號(hào)通路與許多生存信號(hào)、炎癥通路間也存在著相叉對(duì)話,從而發(fā)揮了復(fù)雜又多重的作用。CSCs/CPCs具有向心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞及SMC分化的能力,移植CSCs/CPCs治療心血管疾病是當(dāng)前極具前景的治療方案,通過(guò)對(duì)Notch通路的研究,希望能夠用人工方法誘導(dǎo)CSCs/CPCs表面Notch信號(hào)通路活化,增強(qiáng)外源性及內(nèi)源性CSCs/CPCs的存活、增殖及分化的能力,進(jìn)而為心臟損傷修復(fù)的治療提供新的策略。
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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.05.025
:A
:1009-5519(2015)05-0707-04
2014-10-18)
鄭小宇(1988-),女,重慶渝北人,碩士研究生,主要從事干細(xì)胞治療缺血性心肌病相關(guān)研究;E-mail:1873832514@qq.com。
石蓓(E-mail:shibei2147@163.com)。