ERK信號傳導通路在人臍帶間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化作用中的研究進展

頜面部各種原因?qū)е碌牟煌潭鹊墓侨睋p是困擾著整形、正畸以及頜面外科等口腔臨床學科的一大難題。骨組織工程技術(shù)被認為是最理想的修復骨缺損的生物學方法[1]，其中種子細胞的相關(guān)研究最為關(guān)鍵。人臍帶間充質(zhì)干細胞可作為種子細胞分化為成骨細胞，不僅在骨組織工程領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，同時對人臍帶間充質(zhì)干細胞進行深入的研究進一步了解胚胎細胞發(fā)育的特性，從而對兒科尤其是頜面兒科，特別是針對先天性唇腭裂患兒骨組織修復有著積極的意義。在間充質(zhì)干細胞成骨分化過程中，MAPK信號通路是決定性通路之一，其中ERK通路是MAPK家族中與細胞增殖和起始分化密切相關(guān)者。本文將回顧近年來關(guān)于ERK信號轉(zhuǎn)導途徑在人類臍帶間充質(zhì)干細胞向成骨細胞增殖分化作用的研究，并將這一領(lǐng)域的研究進展綜述如下:

1 ERK信號傳導通路

1.1 MAPK通路:絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-Activated Protein Kinase，MAPK)屬于絲/蘇氨酸蛋白激酶，存在于大多數(shù)生物體細胞胞質(zhì)內(nèi)，參與調(diào)節(jié)細胞的各種生理功能和變化[1]。早在1989年～1991年，學者們就發(fā)現(xiàn)了第一組MAP激酶序列，從而發(fā)現(xiàn)了一組新的蛋白激酶[2]。MAPK通過有三至五個環(huán)節(jié)構(gòu)成的保守三級酶促級聯(lián)反應(即MAPKKK-MAPKK-MAPK)，激活轉(zhuǎn)錄因子，促使核內(nèi)事件的發(fā)生。MAPK是通過VIII區(qū)域蘇氨酸、酪氨酸雙位點磷酸化活化和由脯氨酸介導的Ser/Thr蛋白激酶(其同工酶均有最小共同靶序列Ser/Thr-Pro)[3]。目前，MAPK家族有五大類成員，分別為細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(Extracellular-signal regulated protein kinase， ERK)1/2、c-Jun氨基末端激酶(JNK)/應激激活蛋白激酶(Stress-activated protein kinase， SAPK)、p38MAPK、ERK5/BMK1 (bigMAP kinase 1)和ERK3/4 等[4]。本文就與成骨細胞的發(fā)生關(guān)系密切的ERK信號轉(zhuǎn)導通路來進行闡述。

1.2 ERK轉(zhuǎn)導通路的主要過程:當細胞外基質(zhì)與前體細胞(如間充質(zhì)干細胞)接觸，細胞外基質(zhì)即與表面整合素受體結(jié)合，受體異源二聚化，自身磷酸化，粘附斑激酶磷酸化，鳥核苷酸交換因子募集，從而使與Ras結(jié)合的GDP脫落而結(jié)合GTP，激活Ras，然后通過MAPKKK(MEK)-MAPKK-MAPK途徑激活轉(zhuǎn)錄因子，促進細胞增殖和分化[5]。ERK信號通路是目前研究較為徹底的MAPK通路之一，是多數(shù)生長因子、細胞因子調(diào)控細胞增殖分化的重要途徑，對其機制的深入研究有利于體外誘導間充質(zhì)干細胞向成骨細胞的分化，從而有助于骨組織工程學的發(fā)展。然而近年來，對骨髓間充質(zhì)干細胞分化的研究較為普遍，尤其是研究其向神經(jīng)細胞、肝細胞、脂肪細胞以及成骨細胞的分化等，但對于人臍帶間充質(zhì)干細胞的研究報道則相對較少，研究相對滯后。

1.3ERK通路與P38、JNK通路之間的關(guān)系:真菌中的MAPK信號通路并無相互作用，其每一條MAPK通路都是相對獨立的，一般不會發(fā)生交聯(lián)。但是，在哺乳類細胞中各個MAPK信號通路之間通過復雜的機制既可相互區(qū)別，又可相互調(diào)節(jié)，保持其自身的獨立性，同時又相互促進或抑制。ERK、JNK、p38MAPK三條通路，總是可以在不同的作用位點找到相互交匯的地方[6]。Hotokezaka等[7]發(fā)現(xiàn)p38抑制劑引起p38磷酸化減少的同時伴隨了ERK磷酸化的增加，而MEK抑制劑減少ERK的磷酸化同樣也使p38的磷酸化程度增加。Suzuki 等[8] 利用鼠顱骨源的成骨細胞系MC3T 32E1 細胞研究發(fā)現(xiàn)， 經(jīng)過胎牛血清誘導，ERK通路可快速激活， 而p38通路 和JNK通路激活則大大延遲。國內(nèi)廖清船等[9]實驗發(fā)現(xiàn)植物雌激素金雀異黃酮可激活p38MAPK通路，但同時抑制ERK通路，而人雌激素則對ERK和p38MAPK通路均有激活作用[10]。關(guān)于ERK、p38、JNK三者之間究竟是怎樣互相作用與調(diào)節(jié)，具體作用環(huán)節(jié)在何處，如何形成交聯(lián)網(wǎng)絡等還有待進一步的闡明。

2 ERK信號轉(zhuǎn)導通路與人臍帶間充質(zhì)干細胞

2.1人臍帶間充質(zhì)干細胞(human umbilical cord mesenchymal stem cells， hUCMSCs):人臍帶間充質(zhì)干細胞是存在于臍帶和血管周圍組織中的一種干細胞，具有多向分化和自我更新的潛能[11]。自1966年Friedenstein [12]發(fā)現(xiàn)骨髓間充質(zhì)干細胞以來，由于易于培養(yǎng)、擴增和遺傳因素相對穩(wěn)定的特點而常用于科研中。但骨髓間充質(zhì)干細胞在具有細胞增殖分化能力的同時，其數(shù)目隨年齡增長而下降，采集尚不方便，因此臨床上也需尋找一種新的間充質(zhì)干細胞以克服上述不足。人臍帶間充質(zhì)干細胞(hUCMSCs)就是一類具有自我更新、增殖和多向分化潛能的干細胞，具有來源豐富，易于采集、保存和運輸，無異體排斥，避免倫理爭議等諸多優(yōu)點，近年來的研究也表明hUCMSCs有可能替代骨髓間充質(zhì)干細胞成為重要的種子細胞來源，并有望大量應用于口腔頜面部骨缺損的臨床治療中。

2006年，Hoynowski等[13]發(fā)現(xiàn)hUCMSCs除了可以表達骨髓間充質(zhì)干細胞的細胞因子外，還可表達GM-CSF和GSF，并特異性表達HLA-G和神經(jīng)膠質(zhì)來源的神經(jīng)營養(yǎng)因子。Campard等[14]在2008年利用肝細胞生長因子成功地在體外將hUCMSCs向肝細胞分化。2009年，野向陽等[15]對人臍帶間充質(zhì)干細胞進行成骨誘導，其堿性磷酸酶檢測陽性，說明其具有骨髓間充質(zhì)干細胞的特異性表明標志，且具有同種異體移植的低免疫原性。此后還有學者[16]也將人臍帶間充質(zhì)干細胞進行體外誘導培養(yǎng)，并證實hUCMSCs具有成脂、成骨的分化能力。以上研究均表明hUCMSCs可代替骨髓間充質(zhì)干細胞作為組織工程，尤其是骨組織工程的種子來源。而ERK信號轉(zhuǎn)導通路是間充質(zhì)干細胞成骨分化的決定性通路之一，故可通過研究ERK調(diào)節(jié)成骨分化的具體分子機制而促進hUCMSCs向成骨細胞分化，在骨組織工程應用領(lǐng)域有著重要的意義。

2.2 ERK信號傳導通路在間充質(zhì)干細胞增殖分化中所起的作用:研究發(fā)現(xiàn)，ERK途徑對細胞的增殖和誘導起重要作用。廖清船等[17]誘導小鼠的MSCs向成骨細胞分化，觀察p44/p42 MAPK通路(即ERK通路)在MSCs向成骨細胞分化過程的作用，實驗結(jié)果表明p44/p42 MAPK可能參與MSCs的增殖調(diào)節(jié)。Jalswad等[18]發(fā)現(xiàn)，在誘導成人MSCs向成骨細胞分化過程中，ERK具有重要作用。Salasznyk等[19]證明了ERK對ECM誘導的MSCs的成骨分化具有十分重要的驅(qū)動作用。2006年，Salasznyk等[20]研究發(fā)現(xiàn)胞外基質(zhì)(ECM)，特別是層粘連蛋白(Ln-5)通過ERK相關(guān)的信號通路對MSCs的成骨分化起著有效的誘導作用。

3ERK信號轉(zhuǎn)導通路與成骨細胞分化

3.1成骨細胞:成骨細胞是骨形成的主要功能細胞，負責骨基質(zhì)的合成、分泌和礦化。骨不斷地進行著重建，骨重建過程包括破骨細胞貼附在舊骨區(qū)域，分泌酸性物質(zhì)溶解礦物質(zhì)，分泌蛋白酶消化骨基質(zhì)，形成骨吸收陷窩;其后，成骨細胞移行至被吸收部位，分泌骨基質(zhì)，骨基質(zhì)礦化而形成新骨。破骨與成骨過程的平衡是維持正常骨量的關(guān)鍵，成骨細胞數(shù)目減少、功能減弱將導致骨形成降低，進一步引起骨質(zhì)疏松。在膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨中，MSCs分化為成骨細胞，同時分泌胞外基質(zhì)，隨著細胞外基質(zhì)的鈣化，成骨細胞被包埋在骨質(zhì)中成為骨細胞。

3.2 ERK信號轉(zhuǎn)導通路在向成骨細胞分化過程中的作用:在成骨方面，ERK信號通路起著一個傳遞細胞內(nèi)外信號導線的作用，對細胞外各種信號刺激如激素/生長因子的刺激、細胞外基質(zhì)-整合蛋白的結(jié)合及機械負荷的刺激等作出反應。活化的ERK可以磷酸化ELK-1，啟動即刻早期基因的表達，在成骨細胞分化過程可以激活眾多靶蛋白，包括轉(zhuǎn)錄因子復合物AP1和成骨細胞特異性轉(zhuǎn)錄因子Osf2 /Cb-fal。Lai等[6]應用顯性失活法將ERK-DN ( ERK-dominant negative) 轉(zhuǎn)染人成骨細胞，阻滯ERK/MAPK通路的活性，導致成骨細胞的增殖分化能力下降，闡述了在成骨細胞中ERK不僅對成骨細胞的增殖，而且對成骨細胞的粘附、伸展、遷移以及整合素的表達都有重要意義。此后國內(nèi)有關(guān)學者[21]用不同劑量的ERK通道阻滯劑-PD98059可抑制骨髓間充質(zhì)干細胞向成骨分化，并存在劑量依賴性，說明ERK通路可能在MSC向成骨細胞分化中起到重要作用。Takami等[22]通過研究說明ERK信號通路對成骨細胞RANKL的表達起重要作用，單獨抑制ERK信號通路不能完全抑制RANKL的表達，這與其受多種信號通路調(diào)節(jié)相關(guān)。之后還有學者發(fā)現(xiàn)較大的應力改變可以早期激活成骨細胞內(nèi)的ERK通路[23]。Ge等[24]用轉(zhuǎn)基因技術(shù)確定了ERK-MAPK途徑通過調(diào)節(jié)cb-falmRNA的表達而刺激成骨細胞的分化及骨骼發(fā)育的作用。2009年，國內(nèi)研究人員[25]通過實驗說明了降鈣素刺激phos-ERK1/2蛋白的表達，且上調(diào)成骨細胞cb-fa1mRNA的表達。因此，可知ERK參與了對Osf2/Cb-fal的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)并且在成骨細胞特異基因表達中發(fā)揮重要作用。但是，目前ERK通路對間充質(zhì)干細胞向成骨細胞的分化作用尚有爭議，具體分子機制尚不完全清楚。

4前景

人臍帶間充質(zhì)干細胞具有自我更新、增殖和多向分化潛能、來源豐富，易于采集、保存和運輸，無異體排斥，避免倫理爭議等諸多優(yōu)點，在體內(nèi)外均可定向分化為骨細胞、軟骨細胞、肝細胞、心肌細胞、骨骼肌細胞以及神經(jīng)元細胞等，是一種具有多種轉(zhuǎn)化功能的干細胞。hUCMSCs有可能替代骨髓間充質(zhì)干細胞成為重要的種子細胞來源從而促進骨組織工程的科學研究，并有望大量應用于口腔頜面部骨缺損的臨床治療中，特別是針對面部骨損傷嚴重的患者和先天骨性畸形的患兒有著重要的臨床意義。在這一轉(zhuǎn)化過程中，ERK信號轉(zhuǎn)導通路正是人臍帶間充質(zhì)干細胞hUCMSCs向成骨細胞分化的重要路徑之一，對ERK通路的研究不僅可以促進骨組織工程的科學研究，應用于臨床實踐，同時對ERK通路的研究還可以進一步掌握胚胎細胞發(fā)育的特性，從而對兒科尤其是頜面兒科的發(fā)展產(chǎn)生積極的意義。

雖然人臍帶間充質(zhì)干細胞目前最有可能替代骨髓間充質(zhì)干細胞成為較為理想的種子細胞，但針對這一類細胞深入的研究尚有不足;另一方面，目前雖有大量針對ERK信號傳導通路的實驗研究，但這些研究均以小鼠間充質(zhì)干細胞或人骨髓干細胞為樣本，且實驗結(jié)論尤其是對于臨床工作的意義還存在一定爭議。但必須指出的是，相比骨髓間充質(zhì)干細胞而言，人臍帶間充質(zhì)干細胞作為骨組織工程重要的種子細胞，其研究還相對滯后，且細胞信號通路方面的研究較少，尤其是在對骨組織工程至關(guān)重要的種子細胞向成骨細胞多向分化的通路途徑方面存在爭議，所以，對ERK信號轉(zhuǎn)導通路在人臍帶間充質(zhì)干細胞向成骨細胞的分化作用仍有一定的研究空間。相信在不久的將來，通過對人臍帶間充質(zhì)干細胞向成骨細胞分化作用研究的進一步深入，有望使人臍帶間充質(zhì)干細胞應用于骨組織工程的希望成為可能，為面部嚴重骨性損傷的患者和先天發(fā)育畸形的患兒帶來福音。

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[收稿日期]2010-08-07 [修回日期]2010-10-13

編輯/李陽利