Sox基因?qū)ι窠?jīng)干細(xì)胞發(fā)育及神經(jīng)損傷后修復(fù)的研究進(jìn)展

郝震，李洋綜述 李青松審校

綜 述

Sox基因?qū)ι窠?jīng)干細(xì)胞發(fā)育及神經(jīng)損傷后修復(fù)的研究進(jìn)展

郝震，李洋綜述 李青松審校

Sox基因；神經(jīng)干細(xì)胞；發(fā)育；損傷后修復(fù)

Sox基因的研究開展于20世紀(jì)90年代，人們在研究哺乳動(dòng)物性別決定基因的相關(guān)片段時(shí);發(fā)現(xiàn)了決定性別的SRY基因[1]。研究者在研究SRY基因時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些DNA片段，即HMG-box區(qū)(大約由80個(gè)核苷酸保守序列組成)，學(xué)術(shù)界將與其相關(guān)的一類相似基因統(tǒng)稱為Sox基因[2]。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高以及研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)Sox基因擁有很多亞族。至2015年已發(fā)現(xiàn)7個(gè)亞族，它們各司其職對生物體有著重要的影響，尤其在個(gè)體發(fā)育的過程中發(fā)揮極其重要的作用。它們影響著性別、胚胎發(fā)育、神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)育，以及一些器官的形成和發(fā)育、晶狀體、軟骨、骨骼肌等[3]。另外在干細(xì)胞領(lǐng)域，研究人員也取得了很大的突破。干細(xì)胞由于自身多分化的特性，近年一直引導(dǎo)研究人員的研究方向。目前學(xué)術(shù)界對神經(jīng)干細(xì)胞的研究仍處于初級階段，根據(jù)疾病的起因和轉(zhuǎn)歸，大多數(shù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病都與神經(jīng)干細(xì)胞功能的異常有關(guān)。相當(dāng)數(shù)量的研究人員致力于神經(jīng)干細(xì)胞移植的研究，希望找出治療疾病的新途徑。本文通過研究Sox基因?qū)ι窠?jīng)干細(xì)胞發(fā)育的影響，以及其對中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后修復(fù)的研究進(jìn)行綜述，報(bào)道如下。

1 Sox基因的生物學(xué)功能

Sox基因家族是對Sox基因及其表達(dá)產(chǎn)物的總稱。它包含編碼轉(zhuǎn)錄因子的DNA框架(HMG保守區(qū)域)，以及與其DNA框架高度相似的Sox蛋白，后者按照HMG基序與DNA相結(jié)合。

Sox基因的作用：首先用于鑒定Sry基因的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域[1，2]。Sox蛋白在哺乳動(dòng)物中有20個(gè)不同的亞型，這些蛋白組成一個(gè)共同的Sox蛋白組。其次Sox基因在決定雄性哺乳動(dòng)物性別和特異性分化時(shí)發(fā)揮了重要作用。Sox基因誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育也已被證明，例如爪蟾的SoxD基因在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中的廣泛表達(dá)(集中表達(dá)于神經(jīng)外胚層和神經(jīng)管的發(fā)育期)[1，4]。

1.1 Sox基因影響神經(jīng)干細(xì)胞的表達(dá) 在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，神經(jīng)干細(xì)胞分化表達(dá)產(chǎn)生許多不同類型的神經(jīng)元細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞。Sox基因保障其終末分化的穩(wěn)定性和神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)在環(huán)境的穩(wěn)定。Sox家族的轉(zhuǎn)錄因子保證這一生物進(jìn)程的順利進(jìn)行[5，6]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)干細(xì)胞的維護(hù)過程中，Sox1、Sox2和Sox3以高表達(dá)的方式維持這一生物過程的正常進(jìn)行。另一方面，Sox基因提高神經(jīng)干細(xì)胞分化的潛力，如少突膠質(zhì)細(xì)胞分化的過程中，Sox10的表達(dá)均高于平時(shí)。周圍神經(jīng)系統(tǒng)(PNS)的Sox基因的表達(dá)方式與中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同。這揭示了在CNS和PNS的發(fā)育過程中，Sox基因的表達(dá)存在差異[7]。

1.2 Sox相關(guān)基因影響神經(jīng)干細(xì)胞向神經(jīng)外胚層分化 人們在研究非洲爪蟾時(shí)發(fā)現(xiàn)，其神經(jīng)外胚層的形成依賴于Sox2的異位表達(dá)。當(dāng)細(xì)胞在自我更新分化成神經(jīng)外胚層的衍生物時(shí)，Sox1和Sox2發(fā)揮了相似的功能。這個(gè)理論依據(jù)可以延伸到Sox3，其與Sox1和Sox2組成SoxB1族[8]。SoxB1在神經(jīng)外胚層早期發(fā)育的過程中重疊式表達(dá)，因?yàn)樗麄兊纳锘瘜W(xué)功能相似。SoxB1具有刪減和補(bǔ)償缺失的作用，當(dāng)有2種Sox亞等位基因缺失的情況下，余下的Sox亞等位基因仍可保障神經(jīng)外胚層細(xì)胞的正常形成和分化[5]。神經(jīng)系統(tǒng)在發(fā)育過程中反復(fù)出現(xiàn)Sox蛋白質(zhì)的共表達(dá)。這一現(xiàn)象表明其他亞等位基因替代功能異常的Sox亞等位基因，從而保障生物過程的正常進(jìn)行。這一實(shí)驗(yàn)研究的證明，為未來基因靶向治療神經(jīng)系統(tǒng)先天性發(fā)育異常帶來曙光。

1.3 CNS干細(xì)胞的維護(hù)需要Sox相關(guān)蛋白的協(xié)調(diào) 整個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)均有SoxB1蛋白的表達(dá)；其主要作用是維護(hù)神經(jīng)上皮祖細(xì)胞的自我更新。根據(jù)目前的評估，SoxB1蛋白質(zhì)在CNS維護(hù)方面的研究取得了長足的進(jìn)展。SoxB1蛋白質(zhì)也維護(hù)干細(xì)胞的穩(wěn)定和積極地抑制神經(jīng)干細(xì)胞某些方向的分化[8]。此生物過程的關(guān)鍵是SoxB1蛋白質(zhì)在神經(jīng)元分化過程中發(fā)揮反向效果，以此來抵消前體神經(jīng)細(xì)胞蛋白質(zhì)的共同表達(dá)。這可能是因?yàn)镾ox蛋白隔絕了蛋白復(fù)合物，進(jìn)而引發(fā)前體神經(jīng)蛋白不能與DNA結(jié)合或失去反式激活的能力[9]。SoxB1的功能表達(dá)也體現(xiàn)在成熟神經(jīng)干細(xì)胞上。例如Sox2，尤其在側(cè)腦室的腦室下區(qū)有強(qiáng)表達(dá)，并在海馬區(qū)的下層齒狀回作用明顯。小鼠的亞等位基因突變時(shí)，其Sox2的表達(dá)會有所降低。海馬區(qū)發(fā)育異常導(dǎo)致的癲癇發(fā)作，是否與其相關(guān)值得探討。

1.4 Sox相關(guān)因子對PNS發(fā)育的作用 周圍神經(jīng)系統(tǒng)即與中樞神經(jīng)系統(tǒng)相連的腦神經(jīng)和脊神經(jīng)的總稱。PNS由神經(jīng)嵴干細(xì)胞發(fā)育形成。神經(jīng)嵴干細(xì)胞是一類具有自我復(fù)制、自我更新，并有極強(qiáng)增殖能力和多向分化潛力的細(xì)胞。Sox基因?qū)ζ溆绊懪c中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同，SoxE族發(fā)揮重要作用[10]。小鼠實(shí)驗(yàn)表明，Sox9與Sox10的缺失嚴(yán)重影響神經(jīng)嵴干細(xì)胞的發(fā)育[11，12]，Sox10在影響腸迷走神經(jīng)嵴細(xì)胞發(fā)育時(shí)效果明顯。小鼠的Sox10等位基因的缺失,將導(dǎo)致結(jié)腸末端神經(jīng)節(jié)細(xì)胞缺陷癥，并伴有黑色素細(xì)胞的發(fā)育障礙。Sox10基因突變表達(dá)在人類身體時(shí)，將會使人患上Waardenburg綜合征并且合并先天性巨結(jié)腸。由此可見，SoxE蛋白對周圍神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育起著不可或缺的作用。Sox9在大多數(shù)神經(jīng)嵴細(xì)胞的發(fā)育過程中短暫表達(dá)。Sox10在神經(jīng)嵴干細(xì)胞分化遷移的過程中持續(xù)表達(dá)，其主要功能是保障干細(xì)胞的存活、維持干細(xì)胞分化多能性和抑制某些神經(jīng)元分化。Sox10在PNS神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的分化過程中扮演重要角色[13]，它調(diào)節(jié)施旺氏細(xì)胞形成髓鞘，因此有一些患有Sox10突變的患者往往伴有周圍神經(jīng)系統(tǒng)疾病。究其原因，可能是由于髓鞘基因表達(dá)紊亂導(dǎo)致了施旺氏細(xì)胞發(fā)育異常。由此可見，Sox基因?qū)χ車窠?jīng)干細(xì)胞的發(fā)育也發(fā)揮了重要作用。

2 Sox基因參與神經(jīng)干細(xì)胞損傷后的表達(dá)

神經(jīng)干細(xì)胞是一種具有多分化能力的細(xì)胞，但此種干細(xì)胞與人體其他類型的干細(xì)胞不同。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)干細(xì)胞有多種類型，各種類型的神經(jīng)干細(xì)胞經(jīng)過分化后形成不同的成體細(xì)胞。根據(jù)神經(jīng)干細(xì)胞的這種特性，為中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后的治療指明了方向。研究人員在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷治療的過程中，也在尋找相關(guān)因子對干細(xì)胞的影響。在損傷修復(fù)的過程中多種因子參與其中。如Sox相關(guān)因子(Sox11等)[14]，以及腦衍生神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)等，這些因子均影響神經(jīng)干細(xì)胞的表達(dá)。

2.1 Sox11與BDNF進(jìn)行損傷后調(diào)控 BDNF是一種多效性的生長因子，它影響神經(jīng)元的存活；以及突觸分化的可塑性和再生性[15]。Sox11參與背根神經(jīng)節(jié)(DRG)損傷后的BDNF的轉(zhuǎn)錄監(jiān)管[14，16]。在發(fā)育過程中，Sox11促進(jìn)感覺性神經(jīng)母細(xì)胞的增殖，以及影響神經(jīng)元的存活和軸突生長。Sox11在發(fā)育成熟的DRG感覺神經(jīng)元的表達(dá)通常較低。當(dāng)周圍神經(jīng)發(fā)生損傷時(shí)，Sox11的表達(dá)會在24 h內(nèi)迅速增強(qiáng)。Sox11損傷后的研究闡明它是一個(gè)參與神經(jīng)元存活和生長的重要基因調(diào)節(jié)因子[17]。Sox11協(xié)同microRNA增加細(xì)胞凋亡同時(shí)增強(qiáng)神經(jīng)細(xì)胞突觸再生的能力。Sox11作為損傷后的誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄因子，它的關(guān)鍵作用可能是誘導(dǎo)相關(guān)基因編碼BDNF[18]。BDNF是神經(jīng)生長因子家族中的一種營養(yǎng)蛋白。BDNF在感覺神經(jīng)元的存活、分化以及最終形成特定類型的成熟細(xì)胞的過程中起到了至關(guān)重要的作用。BDNF在成熟細(xì)胞中具有自分泌和旁分泌的作用。它為外周和中樞神經(jīng)元提供穩(wěn)定的營養(yǎng)支持；并且調(diào)節(jié)突觸的可塑性。這可能與一些生理進(jìn)程相關(guān)，例如記憶、學(xué)習(xí)和疼痛信號的釋放[19]。神經(jīng)損傷后的再生，BDNF也發(fā)揮了重要作用。神經(jīng)損傷后啟動(dòng)BDNF基因的轉(zhuǎn)錄，它的表達(dá)迅速升高(24 h內(nèi))，這與神經(jīng)髓鞘、神經(jīng)軸突生長和神經(jīng)再生性基因的表達(dá)相關(guān)聯(lián)[20]。

2.2 Sox11在神經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)過程中的高表達(dá) Aid等[21]對36只小鼠成功實(shí)施脊髓半離斷實(shí)驗(yàn)，在脊髓損傷模型建立后的第3周，發(fā)現(xiàn)受損脊髓的Sox11免疫組化染色明顯增強(qiáng)，而健側(cè)Sox11的表達(dá)非常微弱[14]。脊髓損傷后，Sox11的表達(dá)主要位于中央管的室管膜內(nèi)層細(xì)胞和新生成的神經(jīng)細(xì)胞中。Sox11表達(dá)陽性的細(xì)胞中，尤其是脊髓中央管的室管膜內(nèi)層細(xì)胞[22];Sox11的免疫熒光信號出現(xiàn)共定位。此時(shí)表明Sox11表達(dá)在內(nèi)源性NSCs(神經(jīng)干細(xì)胞)中。Sox11在灰質(zhì)細(xì)胞中的表達(dá)也為陽性，同時(shí)新分化的神經(jīng)元前體和未成熟的神經(jīng)元也有陽性表達(dá)。

3 展 望

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的研究領(lǐng)域里，神經(jīng)干細(xì)胞與其相關(guān)誘導(dǎo)基因的發(fā)現(xiàn)為該領(lǐng)域指明方向。本文對近年來此領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了綜述，發(fā)現(xiàn)Sox相關(guān)基因不僅影響神經(jīng)干細(xì)胞的發(fā)育而且也影響神經(jīng)損傷后的修復(fù)。在損傷修復(fù)的過程中，神經(jīng)干細(xì)胞可以有效修復(fù)部分受損神經(jīng)細(xì)胞以及重建部分傳導(dǎo)路并且恢復(fù)其功能。由此可見，Sox相關(guān)基因協(xié)同神經(jīng)干細(xì)胞治療這類疾患不失為一種有效可行的手段。從長遠(yuǎn)的角度看，這種聯(lián)合協(xié)同的療法不僅可以應(yīng)用于損傷后的修復(fù)；也可以應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的遏制、神經(jīng)病學(xué)科的一些功能性疾病的治療與緩解(帕金森病、癲癇、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病等)。Sox相關(guān)因子與神經(jīng)干細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)過程中協(xié)同發(fā)揮作用，這些研究成果一方面為科學(xué)研究的方向作出引導(dǎo)；另一方面也為疾病的治療提供了重要的理論基礎(chǔ)和有效的治療方案。

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10.3969 / j.issn.1671-6450.2015.11.033

2015-01-26)