黃婷婷,劉玉梅,張自強,張春燕,付文濤
(河南科技大學動物科技學院,河南洛陽471003)
褪黑激素(melatonin,MT),化學名N-乙?;?-甲氧基色氨(N-acetyl-5-methoxytryptamine)是以色氨酸為原料在松果體內合成的一種重要的吲哚類激素。20世紀50年代Lerner等從牛松果腺提取物中首次分離出能使青蛙皮膚褪色的物質,并命名為MT。此后一系列的研究證明,MT 合成之后進入血液和腦脊液而參與調控機體的晝夜節(jié)律、改善睡眠質量、抑制腫瘤生長[1]、提高抗氧化功能[2]、抗細胞凋亡等廣泛的生物學效應。文獻表明,MT 結合相應受體在細胞增殖與凋亡中發(fā)揮著重要的作用。有研究發(fā)現(xiàn)MT 能夠選擇性的與MT 1b和MT 1c受體結合并通過細胞外調節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)及其下游轉錄因子κB(nuclear transcription factor kappa B,NF-κB)促進淋巴細胞的增殖[3]。謝有富等研究表明MT 可通過影響細胞周期蛋白E(cyclin E)、p53和Fas基因的表達,抑制增生性瘢痕成纖維細胞增殖并誘導該細胞凋亡。干細胞是一類具有多向分化潛能和自我復制能力的原始未分化細胞,在適合的條件下或給予合適的信號,它能夠向多種細胞分化。目前,干細胞在體外有效增殖和分化是其應用于臨床的基本保障。但是有些干細胞體外增殖效率低,難以達到移植所需的數(shù)量。近年來,研究發(fā)現(xiàn)褪黑激素能夠影響干細胞的生物學特性。本文綜述MT 對干細胞的增殖與分化的最新研究進展,為干細胞有效的臨床應用提供新參考。
MT 的合成與分泌具有明顯的節(jié)律性,主要受外界環(huán)境和光線的控制,連續(xù)光照可以抑制MT 的釋放,而黑暗條件下能夠刺激MT 的分泌。光照信息刺激到視網膜產生神經沖動,經下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN)之后傳遞到頸上神經節(jié)(superior cervical ganglia,SCG)。然后通過SCG 將交感輸入信息傳遞給松果體,經松果體轉換為內分泌信息輸出,交感神經末梢按照晝夜節(jié)律釋放去甲腎上腺素。去甲腎上腺素與松果體細胞膜上的α-腎上腺素能受體或β-腎上腺素能受體結合,引起環(huán)核苷酶系統(tǒng)和5-羥色胺-N-乙酰轉移酶活性的改變,進而影響MT 的合成和分泌[4-5]。人們已經在SCN,視網膜和松果體等中發(fā)現(xiàn)大量的MT 受體(MT1、MT2),并 且 還 發(fā) 現(xiàn)MT 受 體 的MT1 和MT2激活能夠調節(jié)視網膜的功能,并將光信號傳輸?shù)酱竽X,調控機體的晝夜節(jié)律和季節(jié)性活動。MT作為生物鐘信號在SCN 中可以調節(jié)神經元的活動(MT1)控制信息的傳輸。
胚胎干細胞(embryonic stem cells,ES)來源于哺乳動物的囊胚層,具有無限增殖、自我更新和多向分化的特性。研究證實ES細胞可在體外誘導分化為心肌細胞[6]、神經細胞、成骨細胞和肝細胞[7]等多種細胞類型。Yoo等研究MT 對胚胎干細胞(ESE14TG2a細胞系)轉錄因子表達的影響時發(fā)現(xiàn),MT對ES細胞分化相關轉錄因子Oct4、REX-1、Sox2和Zfp206mRNA 的表達未見明顯影響,但是MT(100 μmol/L)作用于ES-E14TG2a細胞24h后,細胞數(shù)量較對照組顯著增多;且B 淋巴細胞瘤-2(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)的表達顯著升高,而Bax的表達受到抑制,從而證明MT 促進了ES-E14TG2a的增殖、抑制其凋亡。進一步通過Western blot方法證實,MT 促 進 了 絲 氨 酸 激 酶(set-inethreonine kinase,Akt)的磷酸化而抑制糖原合成激酶-3α/β(glycogen synthesis kinase-3α/β,GSK-3α/β)的活性,從而表明MT 影響ES-E14TG2a細胞增殖是通過激活磷 酯 酰 肌 醇-3-激 酶(phosphoinositide-3-kinase,PI3K/Akt)和β-鏈蛋白(β-catenin/Wnt)信號通路而實現(xiàn)[8]。Ashok等探討MT 對初級ES細胞集落形成的影響,發(fā)現(xiàn)MT(0.5mmol/L)作用于ES 8d~12d時可顯著增大細胞集落,并顯著升高了Oct-4和Nanog的表達,從而證實MT 能夠促使ES細胞增殖;促進初級ES 細胞的生長[9]。盡管有關MT影響ES細胞增殖與分化的文獻數(shù)量有限,但是通過上述報道可確定MT 對ES細胞的增殖具有明顯的調控作用。
MT 屬于一種神經內分泌激素,它不僅通過血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)進入中樞神經系統(tǒng),還能當BBB 損壞時,通過松果體凹槽直接進入循環(huán),從而影響神經細胞的發(fā)育。神經干細胞(neural stem cell,NSCs)是一種具有自我更新能力的成體干細胞,能夠向神經元、星形膠質細胞[10]、少突膠質細胞[11]分化,但其增殖和分化受到環(huán)境、激素等多種因素調節(jié)。Fu J等[12]報道了MT 對缺氧條件下NSCs增殖的影響,發(fā)現(xiàn)100μmol/L的MT 不僅能夠增加NSCs數(shù)量,而且該濃度下的MT 也能夠促進缺氧微環(huán)境下NSCs的增殖。對其分子機制探討后發(fā)現(xiàn),缺氧微環(huán)境下NSCs MT 受體MT1 的mRNA 和蛋白質的表達量顯著升高;絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)磷酸化的ERK1/2明顯增強;加入MT 受體拮抗劑Luzindole后,ERK1/2 的磷酸化顯著降低,最終證實MT 結合其受體MT1在缺氧條件下經過ERK1/2信號通路來調節(jié)神經干細胞的增殖。有學者從成年小鼠腦室下區(qū)獲得NSCs并探討不同濃度MT 對其增殖的影響,發(fā)現(xiàn)MT 處理后的NSCs獲得的神經球數(shù)量增多,因而證明MT 可促進NSCs 的增殖[13]。Song J等[14]研究MT 對NSCs的保 護功能發(fā)現(xiàn),在脂多糖誘導的炎性環(huán)境下,100nmol/L 的MT 能夠抑制NSCs的凋亡,維持神經球的大??;且SOX2、TLX 和 成 纖 維 細 胞 生 長 因 子2 型 受 體(fibroblast growth factor receptor 2,F(xiàn)GFR-2)mRNA的表達顯著增加,表明在脂多糖誘導的炎性條件下,MT 能夠促進NSCs的增殖,抑制其凋亡。進一步研究了分子機制證實,脂多糖炎性微環(huán)境中MT 激活了PI3K/Akt/Nrf2信號,從而增加了NSCs的活性。MT 不僅影響NSCs的增殖,對其分化也有一定的 作用。Kong X Y 等[15]發(fā) 現(xiàn),MT 能 夠 提 高 酪氨酸羥化酶(多巴胺能神經元的標記物)的mRNA和蛋白表達水平;降低星形膠質細胞標志蛋白GFAP的表達,從而證實MT 能夠誘導NSCs向多巴胺神經細胞分化而抑制星形膠質細胞的生成。由此可見,MT 對NSCs的增殖與分化具有十分重要的作用。因此,深入了解MT 對NSCs增殖與分化的作用機制并開展大量的臨床試驗,將會為神經退行性疾病的預防和治療提供理論依據。
脂肪間充質干細胞(adipose-derived stem cells,ADSCs)是從脂肪組織中分離出的一類間充質干細胞,不僅具有自我更新的能力,在特定的條件還可以向骨[16]、軟骨[17]、心肌[18]等多種終末細胞分化。近幾年報道ADSCs與MT 聯(lián)合應用可以影響ADSCs的增殖與分化。Zaminy等研究MT 對ADSCs增殖與分化的影響發(fā)現(xiàn),經MT(0.01 nmol/L~10 nmol/L)處理后,ADSCs的活性急劇減弱,細胞數(shù)量顯著降低,表明MT 抑制了ADSCs的增殖,促進其凋亡。同時,將MT 與成骨誘導液混合作用ADSCs后發(fā)現(xiàn),ADSCs內鈣化結節(jié)的數(shù)量比對照組明顯減少,且堿性磷酸酶的活性受到抑制,說明MT 抑制ADSCs向成骨細胞分化。表明MT 促進了ADSCs的凋亡,阻止了其向成骨細胞的分化[19]。陳嘉等[20]研究MT 對ADSCs向內皮細胞分化的影響,發(fā)現(xiàn)1.0μmol/L和0.1μmol/L 的MT 誘導ADSCs第8天時,血管性假血友病因子(von Willebrand factor,vWF)和血管內皮鈣黏蛋白(VE-Cadherin,VE)的陽性表達率可達40%~50%,并且可形成血管管腔樣結構,結果證明MT 可有效促進ADSCs向內皮細胞分化。試驗中還發(fā)現(xiàn)細胞內鈣離子濃度逐漸升高,p-ERK 蛋白表達顯著增加,證實MT 通過增加細胞內鈣離子的濃度,激活ERK/MAPK 信號通路促進ADSCs向內皮細胞分化。ADSCs具有來源廣泛、取材方便等優(yōu)勢而且為避免免疫排斥可以實現(xiàn)自體移植,目前已成為組織工程中最理想的種子細胞之一,而ADSCs在體外有效的增殖和分化是其應用的前提和基礎。分析以上報道可知,MT 不僅能夠影響ADSCs的增殖而且可以調控ADSCs的分化。
骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)是具有自我復制和多向分化潛能的成體干細胞,在特定的條件下能夠向骨、軟骨[21]、神經[22]等細胞分化。然而,BMSCs移植后在體內微環(huán)境中極易發(fā)生凋亡,影響了BMSCs修復組織損傷的效果。因此,提高植入BMSCs的存活率和降低凋亡率成為BMSCs臨床應用的關鍵。Wang F W 等[23]研究了MT 對過氧化氫誘導的BMSCs凋亡的影響,發(fā)現(xiàn)MT(1、10、100nmol/L)預處理BMSCs 30min后,可有效抵抗過氧化氫誘導的凋亡,并證實MT 是通過抑制P38MAPK 信號途徑發(fā)揮作用。最近有研究者報道了MT 在缺氧環(huán)境下對BMSCs增殖的影響,發(fā)現(xiàn)200nmol/L 的MT 不僅提高BMSCs 的活性,而且能夠促進缺氧條件下BMSCs的增殖。對其分子機制進行深入研究發(fā)現(xiàn),在缺氧微環(huán)境中,活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)的產生受到抑制,Bax/Bcl-2蛋白表達率得到增加,線粒體膜電位減弱,半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3(Caspase-3)被 激 活。由 此 證 明MT 經 由ERK1/2和p38信號通路促進移植的BMSCs存活,提高細胞生存能力[24]。
Gronthos等首次報道在人牙髓組織中存在干細胞即牙髓干細胞(dental pulp stem cells,DPSCs)。牙髓干細胞是繼多種成體干細胞發(fā)現(xiàn)之后又一種能夠向多種細胞分化的成體干細胞。研究已經證明DPSCs能夠向神經[25]、脂肪、骨骼[26]等細胞分化。Cho等探討MT 對DPSCs向肝細胞分化的影響,發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)的DPSCs加入肝性誘導劑(hepatogenic medium,HM)培 養(yǎng)21d 時,添 加MT(0.1 μmol/L~10μmol/L)后,白蛋白(albumin,Alb)、細胞角蛋白18(cytokeratin 18,CK18)、C/EBPα 和 肝 細 胞 核 因 子(hepatocyte nuclear factor,HNF)的表達顯著提高;DPSCs分化肝細胞的能力明顯增強,表明MT能夠促進HM 誘導DPSCs向肝細胞分化。對其作用機制探索發(fā)現(xiàn),骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein 2,BMP-2)的表達增強,Smad1/5/8的表達受到抑制,進而證明MT通過BMP、p38、ERK和NF-κB信號通路實現(xiàn)調控DPSCs向肝細胞分化。同時,研究者利用CCL4建立體外肝纖維化模型,探討MT 和DPSCs聯(lián)合應用對肝纖維化的治療作用。與對照組比較,MT和DPSCs聯(lián)合移植入肝纖維化小鼠體內后,肝纖維化受到抑制,丙氨酸氨基轉移酶、天門冬氨酸氨基轉移酶和氨的水平得到恢復。進而證明MT 能夠促進DPSCs治療CCL4引起的肝纖維化[27]。目前,尚未發(fā)現(xiàn)MT 影響DPSCs增殖相關的報道,但是上述文獻充分肯定了MT 能夠調控DPSCs向肝細胞分化。由此,臨床中應用DPSCs治療肝臟相關的疾病時可以考慮MT在其中的作用。
綜上所述,MT 對ES細胞、NSCs、ADSCs、BMSCs和DPSCs增殖與分化具有重要的調控作用,其作用機制的復雜性越來越受研究者們的關注。今后需進一步探討和研究MT 與干細胞聯(lián)合應用的作用效果,發(fā)現(xiàn)和闡明MT 作用后的機制,為提高干細胞移植修復組織損傷提供參考。
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