Bmi1基因與干細(xì)胞增殖和腫瘤發(fā)生研究進(jìn)展

王 平，龐全海，夏 玉，張 超，吳崇暉

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，山西太谷030801）

一般認(rèn)為，腫瘤的發(fā)生是細(xì)胞自我更新和生長等功能活動中重要的基因突變累積的結(jié)果。而干細(xì)胞本身已經(jīng)具有自我更新的能力，因此其更易發(fā)生轉(zhuǎn)變，突變?yōu)槟[瘤干細(xì)胞。腫瘤干細(xì)胞和腫瘤的發(fā)生、復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移有關(guān)。許多分子和細(xì)胞通路與干細(xì)胞的增殖以及自我更新密切相關(guān)，這些通路包括PcG家族基因、Notch信號通路、Wnt信號通路和轉(zhuǎn)化生長因子（TGF）-β信號通路。本文對PcG家族基因中的Bmi1基因與干細(xì)胞的自我更新和腫瘤發(fā)生的關(guān)系做一綜述。

1 Bmi1基因

Bmi1作為原癌基因首先在逆轉(zhuǎn)錄病毒引起的小鼠淋巴瘤中被發(fā)現(xiàn)，該基因位于小鼠2號染色體，由9個外顯子和9個內(nèi)含子組成。近年研究表明，Bmi1基因與神經(jīng)干細(xì)胞、造血干細(xì)胞、人骨髓間充質(zhì)細(xì)胞、白血病干細(xì)胞和胚胎肝干細(xì)胞的自我更新和增殖密切相關(guān)［1-2］。增強(qiáng)Bmi1基因的表達(dá)，能夠顯著增強(qiáng)造血干細(xì)胞在體內(nèi)外的擴(kuò)增和生長能力，說明Bmi1基因PcG家族基因中對干細(xì)胞自我更新能力的調(diào)節(jié)起最關(guān)鍵的作用。Bmi1基因能夠負(fù)調(diào)控腫瘤抑制基因p16Ink4a和p19Arf基因［1］。p16Ink4a和p19Arf基因編碼細(xì)胞周期依賴激酶抑制劑，調(diào)控細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡和細(xì)胞衰老。在Bmi1基因缺陷鼠體內(nèi)，p16Ink4a基因和p19Arf基因顯著增加，干擾二者表達(dá)后，造血干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞重新獲得自我更新能力［3］。小鼠纖維母細(xì)胞和淋巴細(xì)胞缺少Bmi1基因時，細(xì)胞內(nèi)p16Ink4a基因和p19Arf基因表達(dá)上升，細(xì)胞周期素cyclin A和cyclin E表達(dá)下降，纖維母細(xì)胞無法進(jìn)入S期；而且缺少Bmi1基因的纖維母細(xì)胞質(zhì)比例增大，轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄郊?xì)胞，對生長刺激因子無反應(yīng)，這些都是纖維母細(xì)胞進(jìn)入衰老期的標(biāo)志。經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)染Bmi1基因到纖維母細(xì)胞后，cyclinA和cyclinE水平恢復(fù)正常。鼠胚胎肝干細(xì)胞經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)染Bmi1基因后，p16Ink4a基因和p19Arf基因表達(dá)顯著下降，肝干細(xì)胞自我更新能力增強(qiáng)［4］。p16Ink4a基因是Bmi1基因在體內(nèi)作用的下游目標(biāo)分子，Bmi1基因通過負(fù)調(diào)控p16Ink4a基因和p19Arf基因，提高干細(xì)胞的自我更新能力［3-4］。缺乏Bmi1基因，會導(dǎo)致造血干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞缺失，骨骼、造血和神經(jīng)系統(tǒng)異常，脾和胸腺嚴(yán)重發(fā)育不全以及骨髓中缺乏造血細(xì)胞。

1.1 Bmi1基因?qū)?xì)胞增殖的影響

揭示Bmi1在腫瘤發(fā)生過程中關(guān)鍵作用的第一個證據(jù)是轉(zhuǎn)Bmi1基因大鼠體內(nèi)T淋巴瘤和B淋巴瘤的發(fā)生過程，該基因受Eμ啟動子的調(diào)控［5-6］，該基因的過表達(dá)可以導(dǎo)致淋巴細(xì)胞的異常擴(kuò)增。同時，淋巴干細(xì)胞的增殖潛力和自我更新能力會因為Bmi1的缺失而受損［7］。這些證據(jù)表明Bmi1基因?qū)τ谡{(diào)控新生造血細(xì)胞的增殖具有關(guān)鍵性作用。在轉(zhuǎn)Eμ-Bmi1基因大鼠B細(xì)胞淋巴瘤的初始階段，由于c-Myc的過量表達(dá)，致使腫瘤發(fā)展速度加快。由此推測，在Bmi1和c-Myc原癌基因之間可能存在協(xié)同作用。該過程抑制了Myc誘導(dǎo)的p19Arf的表達(dá)，以及由此引發(fā)的細(xì)胞凋亡［8］。另有研究表明，Bmi1基因在造血干細(xì)胞自我更新的過程中起關(guān)鍵作用，該基因可以做為治療性改造造血干細(xì)胞的靶基因。在體外和體內(nèi)，Bmi1表達(dá)的增加都可以刺激造血干細(xì)胞的自增殖［9］。還發(fā)現(xiàn)通過反轉(zhuǎn)錄病毒和人乳頭瘤病毒將Bmi1及E6、E7和人端粒末端轉(zhuǎn)移酶基因?qū)敕蛛x到的人間充質(zhì)干細(xì)胞中，可以使間充質(zhì)干細(xì)胞在體外增殖達(dá)150代，且繼代后的間充質(zhì)干細(xì)胞能正常被誘導(dǎo)分化為心肌細(xì)胞［2］。

對Bmi1的研究結(jié)果表明，該基因在對成體造血干細(xì)胞、成體末梢和中樞神經(jīng)系統(tǒng)干細(xì)胞自增殖效率方面影響很大［7，11］，但對于分化細(xì)胞的影響甚微。例如，將缺失Bmi1基因的胎肝細(xì)胞移植到受到破壞性照射的宿主中，可以使造血功能暫時恢復(fù)，這表明Bmi1基因缺失的胎肝造血干細(xì)胞不能產(chǎn)生更多的干細(xì)胞，但它們可以產(chǎn)生多潛能的祖細(xì)胞，以暫時地維持造血功能。缺失Bmi1基因的神經(jīng)干細(xì)胞在體外自我更新的能力衰竭，但特定祖細(xì)胞的增殖和存活能力并沒有受到影響［10］。

Bmi1基因在大鼠和人的小腦前體細(xì)胞中有大量表達(dá)。體內(nèi)和體外試驗均表明，該基因?qū)α＜?xì)胞前體的擴(kuò)增至關(guān)重要。在生物體中，Shh信號通路的激活，可以引發(fā)成神經(jīng)管細(xì)胞瘤。試驗結(jié)果表明，Bmi1的過量表達(dá)、Shh靶蛋白Gli1的過量表達(dá)、在小腦粒細(xì)胞前體培養(yǎng)基中添加Shh都可以導(dǎo)致小腦粒細(xì)胞前體的大量擴(kuò)增，這表明Bmi1的過表達(dá)可能是成神經(jīng)管細(xì)胞瘤的另一誘發(fā)因素［11］。

1.2 Bmi1信號通路

Bmi1可以通過抑制p16和急性背功能衰竭（acute renal failure，ARF）的表達(dá)阻止肝星狀細(xì)胞（hepatic stellate cells，HSC）的凋亡。當(dāng)Bmi1表達(dá)缺失時，p16蛋白的表達(dá)能抑制周期蛋白D-CD4／CD6復(fù)合物的活性，從而抑制細(xì)胞周期循環(huán)。該復(fù)合物活性同時也能被p18抑制，p18蛋白的缺失會誘導(dǎo)HSC的自增殖；Bmi1蛋白表達(dá)的缺失也會誘導(dǎo)ARF的表達(dá)，ARF能抑制MDM2活性，從而通過抑制周期蛋白E-CD2復(fù)合物的活性激活視神經(jīng)與細(xì)胞瘤蛋白（retinoblastoma protein，Rb）蛋白。p27蛋白也能抑制周期蛋白E-CD2復(fù)合物的活性。p21和p27蛋白表達(dá)的減少同樣會誘導(dǎo)HSC的自增殖。在大鼠基因敲除模型中，HSC通常表達(dá)Bmi1、p18、p21、p27，但是沒有檢測到p16和ARF的表達(dá)［12］。

E2a-Pbx1可能誘導(dǎo)Bmi1的表達(dá)，它很難轉(zhuǎn)化到Bmi1基因缺失的造血祖細(xì)胞中。p16Ink4a的強(qiáng)制表達(dá)可以改善E2a-Pbx1對B細(xì)胞前體存活和分化的不利影響。這些發(fā)現(xiàn)將E2a-Pbx1和Bmi1的聯(lián)系定位于同一癌癥通路中，此通路通過下調(diào)Ink4a-Arf基因的表達(dá)，從而在人類淋巴白血病的發(fā)病中起關(guān)鍵作用［14］。Bmi1的表達(dá)可能也受Cited2基因的誘導(dǎo)，敲除了Cited2基因的成纖維細(xì)胞的Bmi1和Mel18的表達(dá)降低。將Cited2導(dǎo)入成纖維細(xì)胞中，可以誘導(dǎo)Bmi1和Mel18的表達(dá)，從而抑制Ink4a／Arf。將Bmi1和Mel18導(dǎo)入敲除了Cited2的成纖維細(xì)胞中，同樣也能促進(jìn)細(xì)胞增殖［13］。

2 Bmi1基因與干細(xì)胞

對Bmil基因進(jìn)行“喪失功能”分析發(fā)現(xiàn)，Bmi1基因具有維持造血干細(xì)胞的功能。增強(qiáng)造血干細(xì)胞Bmil基因的表達(dá)能夠增強(qiáng)其自我更新能力，促進(jìn)造血干細(xì)胞對稱分化，增強(qiáng)對稱分化的子代細(xì)胞干細(xì)胞特性；增強(qiáng)Bmil基因能夠顯著增強(qiáng)造血干細(xì)胞在體內(nèi)和體外的擴(kuò)增和生長能力，而缺乏Bmi1基因?qū)е略煅杉?xì)胞失去自我更新能力［9］。Bmil基因與位于中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)于細(xì)胞的自我更新密切相關(guān)。Bmi1基因缺陷的神經(jīng)干細(xì)胞自我更新能力下降，神經(jīng)干細(xì)胞細(xì)胞周期蛋白依賴激酶抑制基因p16Ink4a上調(diào)，神經(jīng)干細(xì)胞增殖速度下降，其細(xì)胞數(shù)量隨時間逐漸下降。干擾p16Ink4a基因的表達(dá)，使神經(jīng)干細(xì)胞重新獲得自我更新能力。這些發(fā)現(xiàn)說明Bmil基因能夠通過抑制p16Ink4a基因提高神經(jīng)干細(xì)胞的自我更新能力。缺少Bmil基因的乳腺干細(xì)胞活性也明顯下降［14］。研究發(fā)現(xiàn)，Bmil基因?qū)ε咛ジ胃杉?xì)胞的自我更新和生長起關(guān)鍵的作用。經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)染Bmil基因到胚胎肝干細(xì)胞，胚胎肝干細(xì)胞在體外擴(kuò)增能力提高，細(xì)胞角蛋白7陽性細(xì)胞比例增加［4］。因此Bmi1基因過表達(dá)可以提高肝干細(xì)胞的自我更新能力。根據(jù)以上試驗，發(fā)現(xiàn)Bmil基因?qū)Ω杉?xì)胞的自我更新有廣泛的調(diào)節(jié)作用。

3 Bmi1基因與腫瘤

Bmil基因在許多腫瘤中廣泛表達(dá)，在霍奇金淋巴瘤［15］、乳腺癌［16］、非小細(xì)胞肺癌［17］、結(jié)直腸癌［18］和肝癌［19］中都發(fā)現(xiàn)其有過表達(dá)，現(xiàn)已經(jīng)證明Bmi1基因和腫瘤發(fā)生有密切關(guān)系［20］。轉(zhuǎn)基因小鼠Bmil基因過表達(dá)導(dǎo)致T、B淋巴瘤是Bmil基因在腫瘤發(fā)生中有重要作用的一個證據(jù)。Bmi1基因持續(xù)的表達(dá)，能夠提高神經(jīng)干細(xì)胞的自我更新能力，可能是神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生腫瘤的一般機(jī)制。在髓母細(xì)胞瘤，Bmi1基因過表達(dá)的同時伴有Shh通路激活的標(biāo)志Patched-1過表達(dá)，在髓母細(xì)胞瘤的產(chǎn)生中起關(guān)鍵的作用［21］。研究發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌發(fā)生的早期階段Bmil基因過表達(dá)，激活人端粒逆轉(zhuǎn)錄酶的轉(zhuǎn)錄從而提高端粒酶活性，導(dǎo)致乳腺上皮細(xì)胞突破“復(fù)制衰老”，細(xì)胞“永生”，進(jìn)一步導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生［16］。下調(diào)Bmi1基因后使腫瘤細(xì)胞生長減速并削弱腫瘤細(xì)胞在裸鼠體內(nèi)的生長能力［22］。

在肝細(xì)胞癌中也發(fā)現(xiàn)Bmi1基因過表達(dá)［19］。有報道在137例肝細(xì)胞癌患者中100%的患者肝癌細(xì)胞都表達(dá)Bmil基因，29.9%的患者高表達(dá)Bmi1基因；Bmil基因在肝細(xì)胞癌組織中廣泛表達(dá)，在低-中分化、高分化的肝癌細(xì)胞、癌旁和肝硬化細(xì)胞中都有發(fā)現(xiàn)［23］。這些說明，Bmi1基因可能是在肝細(xì)胞癌早期發(fā)展過程中起作用，而不是晚期。更重要的是在肝細(xì)胞癌發(fā)生的過程中存在p16Ink4a基因和p19Arf基因轉(zhuǎn)錄紊亂［24-25］。而且高表達(dá)Bmi1基因的肝細(xì)胞癌預(yù)后較差［23］。肝干細(xì)胞在動物模型中可以產(chǎn)生肝細(xì)胞癌［26］，因此肝干細(xì)胞可能是在Bmil基因過表達(dá)作用下，負(fù)性調(diào)控腫瘤抑制基因p16Ink4a和p19Arf基因，提高肝干細(xì)胞自我更新的能力，繼而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。

在肝癌細(xì)胞株中分離出的側(cè)群（SP）細(xì)胞具有部分腫瘤干細(xì)胞的性質(zhì)。通過逆轉(zhuǎn)錄病毒轉(zhuǎn)染Bmil基因到SP細(xì)胞后，SP細(xì)胞自我更新能力提高，SP細(xì)胞擴(kuò)增能力提高了8倍；CDl33陽性細(xì)胞在SP細(xì)胞中比例升高；SP細(xì)胞在裸鼠體內(nèi)成瘤性提高，腫瘤早期侵襲性提高［27］。

4 展望

腫瘤干細(xì)胞和干細(xì)胞有很多相似性，二者都具有自我更新能力，腫瘤干細(xì)胞也表達(dá)許多干細(xì)胞的表面標(biāo)志如CDl33、CD90等［28-29］。腫瘤干細(xì)胞對腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移和預(yù)后都起關(guān)鍵的作用。Bmi1基因通過負(fù)性調(diào)控腫瘤抑制基因p16Ink4a基因和p19Arf基因，增強(qiáng)肝干細(xì)胞自我更新的能力，繼而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生［4］。肝癌細(xì)胞中Bmi1基因表達(dá)上升，p16Ink4a基因和p19Arf基因轉(zhuǎn)錄紊亂。因此Bmil基因和腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。

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