RNA聯(lián)合信號(hào)通路調(diào)控脂肪干細(xì)胞分化的機(jī)制研究分析

李軍最 黃克 李林 李興艷 張波 胡敏 梁紅鎖 蔡敏 杜勇軍 馬鴛霞

作者單位：530031 廣西南寧，廣西醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院

近年來(lái)，隨著干細(xì)胞研究的不斷深入，來(lái)源于骨髓、脂肪、神經(jīng)胚胎等組織的干細(xì)胞已經(jīng)成為組織再生和工程領(lǐng)域有吸引力的干細(xì)胞來(lái)源，且再生醫(yī)學(xué)、轉(zhuǎn)化（分化去分化）醫(yī)學(xué)以及3D打印近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注。然而脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞在種子細(xì)胞來(lái)源、遺傳穩(wěn)定性、多向分化潛能等特性上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞（ADSCs）可來(lái)源于骨髓、脂肪、皮膚、肌肉、角膜等各類(lèi)組織，現(xiàn)在也有報(bào)道從牙齒中提取。同時(shí)，因其具有多方向潛能受到研究者關(guān)注。自發(fā)現(xiàn)ADSCs以來(lái)，人們對(duì)ADSCs做了大量研究，尤其在它的來(lái)源（去分化）和多向分化效率上，這些研究都旨在明確 ADSCs能否結(jié)合細(xì)胞組織工程從而解決人類(lèi)疾病問(wèn)題。而在ADSCs的多向分化潛能上，它的多向分化機(jī)制不詳決定了它的分化效率低下從而直接限制它的應(yīng)用。根據(jù)文獻(xiàn)回顧性分析，此前大量的研究報(bào)道都側(cè)重于蛋白質(zhì)信號(hào)通路入手，也有少部分文獻(xiàn)報(bào)道了RNA參與脂肪干細(xì)胞多向分化調(diào)節(jié)的生物學(xué)機(jī)制，但關(guān)于細(xì)胞內(nèi)各種蛋白質(zhì)信號(hào)通路合并編碼非編碼RNA調(diào)控脂肪干細(xì)胞分化生物學(xué)機(jī)制研究的文獻(xiàn)報(bào)道較少。因此有必要為RNA聯(lián)合細(xì)胞信號(hào)通路調(diào)控脂肪干細(xì)胞分化的生物學(xué)機(jī)制研究作一系統(tǒng)的總結(jié)及分析，為研究RNA聯(lián)合信號(hào)通路調(diào)控脂肪干細(xì)胞分化提供直接信息，提高研究者效率。

1 脂肪干細(xì)胞的多向分化潛能

脂肪干細(xì)胞（Adipose derived stem cells）是從脂肪組織中分離得到的一種具有多向分化潛能的干細(xì)胞，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)卣T導(dǎo)可以分化為脂肪[1]、骨[2]、軟骨、神經(jīng)、肌肉、內(nèi)皮細(xì)胞[3]、心肌起搏細(xì)胞[4]等多種細(xì)胞，同時(shí)具有修復(fù)器官組織損傷及調(diào)節(jié)機(jī)體免疫等功能，被廣泛運(yùn)用于疾病治療（器官組織損傷和調(diào)節(jié)免疫功能）、美容整形（再生與轉(zhuǎn)化功能）、抗衰老（遺傳穩(wěn)定性）等方面[5]。它實(shí)際上是一類(lèi)間充質(zhì)干細(xì)胞，與來(lái)自骨髓的間充質(zhì)干細(xì)胞不同，它最大的優(yōu)點(diǎn)在于其增殖能力與年齡無(wú)關(guān)，而只與提供者的體質(zhì)有關(guān)。在來(lái)源方面，最近發(fā)表在Medicine期刊上的一項(xiàng)新研究在髖關(guān)節(jié)置換丟棄的滑膜組織中發(fā)現(xiàn)了一種新型的干細(xì)胞來(lái)源[6]，來(lái)自美國(guó)塔夫斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)元祖細(xì)胞去分化的“重回”狀態(tài)[7]。然而在脂肪干細(xì)胞軟骨分化效率及應(yīng)用上，它的多向分化機(jī)制不詳決定了它的分化效率低下從而直接限制了它的應(yīng)用，大量的研究者都著重于脂肪干細(xì)胞軟骨分化過(guò)程中蛋白質(zhì)分子信號(hào)通路參與的機(jī)制研究[8，9]，如BMP/TGF-β、Notch、Wnt/β-連 環(huán) 蛋 白、Hedgehog和 Hippo通路等；也有少部分學(xué)者研究RNA對(duì)脂肪干細(xì)胞分化的作用機(jī)制[10,11]，其中研究較多的為miRNA、lncRNA、circRNA等非編碼RNA。

截至2017年11月15日，在美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中通過(guò)關(guān)鍵字搜索發(fā)現(xiàn)注冊(cè)的關(guān)于脂肪干細(xì)胞的研究超過(guò)159項(xiàng)（其中東亞最多，約45項(xiàng)；美國(guó)其次，約38項(xiàng)；歐洲約36項(xiàng)），這顯示脂肪干細(xì)胞具有廣闊的應(yīng)用前景?？偠灾?，脂肪干細(xì)胞因其具有多向分化潛能、取材容易等各方面優(yōu)勢(shì)受到研究者的關(guān)注。

2 蛋白質(zhì)信號(hào)通路調(diào)控脂肪干細(xì)胞分化

大量研究表明，ADSCs可以分化為多種類(lèi)型的細(xì)胞，但其具體生物學(xué)機(jī)制不詳。蛋白質(zhì)細(xì)胞的通路水平主要受 BMP/TGF-β、Notch、Wnt /β- 連環(huán)蛋白、Hedgehog和Hippo通路[12]等信號(hào)通路調(diào)控。參與通路的每一個(gè)蛋白質(zhì)分子都受到遺傳（轉(zhuǎn)錄翻譯）、表觀遺傳（甲基化、組蛋白修飾）和外源信號(hào)傳導(dǎo)因子的復(fù)雜陣列調(diào)節(jié)，使其在細(xì)胞發(fā)育和分化期間引導(dǎo)細(xì)胞行為,如β-連環(huán)蛋白和Notch信號(hào)通路促進(jìn)造血祖細(xì)胞的擴(kuò)增[13]、齊墩果酸通過(guò)抑制Notch信號(hào)來(lái)增強(qiáng)間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨能力[14]、Notch信號(hào)可以使脂肪細(xì)胞祖細(xì)胞分化為成熟的脂肪細(xì)胞[15]等。同時(shí)也有研究發(fā)現(xiàn)，NICD與CSL蛋白的結(jié)合使CSL蛋白由轉(zhuǎn)錄抑制物轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)錄激活物，激活靶基因的轉(zhuǎn)錄從而抉擇脂肪干細(xì)胞的分化方向[16]。而有研究[17]發(fā)現(xiàn)Wnt/β-Catenin信號(hào)通路可以促進(jìn)成骨細(xì)胞在炎癥環(huán)境中的分化，Chen等[18]發(fā)現(xiàn) 0.5 Gy X 射線輻射通過(guò) Wnt /β- 連環(huán)蛋白信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)成骨細(xì)胞分化；同年Tang等[19]研究肥胖早期Wnt5a通過(guò)MAPK非依賴(lài)途徑調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和脂肪的形成，Morsczeck等[20]利用Wnt3a和在脂肪組織衍生的間充質(zhì)干細(xì)胞中誘導(dǎo)成骨分化。

有研究顯示W(wǎng)nt信號(hào)對(duì)脂肪來(lái)源干細(xì)胞分化胰島β細(xì)胞有明確的關(guān)系[21]，這有助于治療糖尿病、胰腺炎等疾病。而Hedgehog通路活性水平的融合抑制劑對(duì)顱骨發(fā)育過(guò)程中的成骨增殖和分化是至關(guān)重要的[22]。同時(shí)通路之間也密切聯(lián)系，進(jìn)一步控制干細(xì)胞的分化。如Wnt信號(hào)通路與PPARγ也有著密切的聯(lián)系[23,24]。上述研究均已明確體現(xiàn)出不同的信號(hào)通路可以促進(jìn)脂肪干細(xì)胞向不同的方向分化。但其具體發(fā)生發(fā)展的生物學(xué)機(jī)制仍不明確。

3 RNA調(diào)控脂肪干細(xì)胞分化

RNA主要包括編碼RNA與非編碼RNA，編碼RNA（mRNA）作為模板將其從DNA序列中“轉(zhuǎn)錄”而來(lái)的信息“翻譯”到蛋白質(zhì)氨基酸序列當(dāng)中。非編碼RNA則是指一類(lèi)不能作為翻譯模板的RNA，早期它主要是指核糖體RNA（rRNA）、轉(zhuǎn)運(yùn) RNA（tRNA）、snRNA。也有研究在 RNA 長(zhǎng)度上將非編碼RNA按長(zhǎng)度大于或小于200nt人為地分為長(zhǎng)鏈非編碼RNA（lncRNA）和小非編碼RNA（small noncoding RNA）。同時(shí)按其發(fā)生來(lái)源、序列信息特性及生物學(xué)功能劃分，非編碼RNA主要分為環(huán)形 RNA（circRNA）、microRNA（在細(xì)胞質(zhì)中），microRNA通過(guò)結(jié)合AGO2對(duì)mRNA進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后調(diào)控，一些長(zhǎng)鏈非編碼RNA以及部分環(huán)形RNA在細(xì)胞質(zhì)中作為競(jìng)爭(zhēng)性?xún)?nèi)源RNA（ceRNA）來(lái)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合microRNA、piRNA、lincRNA、antisense lncRNA等。有研究表明[21]非編碼RNA因其各種各樣的生物學(xué)特性及細(xì)胞內(nèi)亞定位的不同，在細(xì)胞再生分化水平上起著重要的生理調(diào)控功能。如miRNA和lncRNA在細(xì)胞成骨分化中發(fā)揮重要作用，來(lái)自Hu[25]課題組的非編碼RNAs成骨細(xì)胞分化的全基因組分析和預(yù)測(cè)明確了這一點(diǎn)，它們通過(guò)基因芯片以及各種涉及編碼非編碼RNA（包括各種編碼與非編碼之間的互聯(lián)網(wǎng)）及蛋白質(zhì)分子信號(hào)通路的在線軟件技術(shù)把miRNA、IncRNA成骨分化聯(lián)系在一起從而發(fā)現(xiàn)XR_111050（一種IncRNA）是成骨細(xì)胞分化的必需品。

同時(shí)Sera等[26]研究的miRNA調(diào)控骨骼發(fā)育課題發(fā)現(xiàn)隨著成骨分化共檢測(cè)到1 269個(gè)差異的miRNA，其中648個(gè)基因顯著上調(diào)，621個(gè)基因下調(diào)；Wei等[27]課題組發(fā)現(xiàn)MicroRNA-21通過(guò)靶向Smad5來(lái)調(diào)節(jié)牙周韌帶干細(xì)胞的成骨分化；Cao等[28]染miR-214后發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin信號(hào)增強(qiáng)并促進(jìn)牙周膜干細(xì)胞成骨分化；Zhang等[29]發(fā)現(xiàn)另外一種miRNA（MiR-335-5p）的過(guò)度表達(dá)也能促進(jìn)小鼠骨形成和再生[28]。也有研究著重研究環(huán)狀RNA分子，Qian等[30]在BMP2誘導(dǎo)的MC3T3-E1細(xì)胞的成骨分化過(guò)程中通過(guò)差異性circRNA表達(dá)譜發(fā)現(xiàn)cirRNA與成骨分化有著不可分割的關(guān)系。而長(zhǎng)非編碼RNA已經(jīng)是現(xiàn)在所有國(guó)基課題研究中最熱門(mén)的分子之一，各項(xiàng)研究都表明它結(jié)合miRNA后對(duì)mRNA起抑制作用，從而使基因表達(dá)增強(qiáng)，如2017年Zhou等[31]發(fā)現(xiàn)IncRNA H19介導(dǎo)乳腺癌細(xì)胞在EMT和MET可塑性期間通過(guò)差異化地?cái)U(kuò)增miR-200b/c和let-7b而使它的可塑性增強(qiáng)；Chen等[32]在IncRNA（TINCR）作為競(jìng)爭(zhēng)性?xún)?nèi)源性RNA起作用的課題中，將miR-375擴(kuò)展到胃癌來(lái)調(diào)節(jié)PDK1的表達(dá)?？傊?，隨著基因組織工程及3D再生醫(yī)學(xué)的興起，脂肪干細(xì)胞多向分化的潛能毋庸置疑，大多數(shù)的研究者把重點(diǎn)放在信號(hào)通路以及RNA上，而把細(xì)胞信號(hào)通路、各種RNA與脂肪干細(xì)胞分化方向聯(lián)系起來(lái)的研究較少，如Zhang等[33]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)的非編碼RNA CASC2通過(guò)在食管癌中靶向miR-18a-5p調(diào)節(jié)PTEN的表達(dá)來(lái)抑制腫瘤發(fā)生；Ouyang等[34]轉(zhuǎn)染lncRNA BCAR4后發(fā)現(xiàn)BCAR4可以通過(guò)保護(hù)β-catenin免于降解，從而激活經(jīng)典Wnt信號(hào)通路傳導(dǎo)促進(jìn)結(jié)腸癌的發(fā)生。這些少數(shù)的研究雖把三者聯(lián)系起來(lái)，但都只涉及到上游和下游的具體生物學(xué)機(jī)制問(wèn)題，并沒(méi)有深入到具體亞定位及miRNA與各種RNA之間的剪切問(wèn)題，具體機(jī)制有待進(jìn)一步深入研究。

4 總結(jié)

現(xiàn)今，脂肪干細(xì)胞已經(jīng)成為細(xì)胞治療的有力武器,應(yīng)用于各種疾病研究,但仍存在許多挑戰(zhàn),尤其是由于分化的分子生物學(xué)機(jī)制不詳導(dǎo)致脂肪干細(xì)胞分化效率低下限制了其相關(guān)的臨床應(yīng)用。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)據(jù)庫(kù)以及在線網(wǎng)絡(luò)軟件的完善，如KEGG、GO分析、miRNA數(shù)據(jù)庫(kù)、IncRNA數(shù)據(jù)庫(kù)、TargetScan等在線軟件給現(xiàn)在的研究帶來(lái)了便利。如上所述，現(xiàn)已有大量的研究著重于脂肪干細(xì)胞分化與信號(hào)通路之間的關(guān)系或者是分化與RNA之間的聯(lián)系，很少把三者聯(lián)系起來(lái)。因此，脂肪干細(xì)胞分化過(guò)程中方向的抉擇與信號(hào)通路、各種編碼非編碼RNA之間的聯(lián)系有待以后逐步完成。同時(shí)，上述研究結(jié)果都是在體外條件下獲得的,而且多數(shù)分化的鑒定都只局限于細(xì)胞表型而很少涉及具體的生物學(xué)機(jī)制。因此,接下來(lái)的工作應(yīng)重點(diǎn)研究在體內(nèi)脂肪干細(xì)胞是否可以通過(guò)信號(hào)通路與RNA的連接點(diǎn)選擇預(yù)設(shè)的分化方向，具體的分化方向如何。對(duì)于脂肪干細(xì)胞的多向分化過(guò)程，相關(guān)編碼非編碼RNA及蛋白質(zhì)分子參與的具體生物學(xué)機(jī)制，目前知之甚少，可以通過(guò)基因測(cè)序芯片、基因芯片、基因相互網(wǎng)絡(luò)、在線軟件技術(shù)對(duì)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)組的研究比較脂肪干細(xì)胞、成熟細(xì)胞間基因及蛋白表達(dá)的差異找出關(guān)鍵基因和蛋白質(zhì)分子，從而確定調(diào)控脂肪干細(xì)胞分化方向的各種編碼、非編碼 RNA（如miRNA-IncRNA、EIciRNA-antisense-lncRNA-lincRNA等）與信號(hào)通路的交通點(diǎn)，從而進(jìn)一步通過(guò)體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)。同時(shí),著眼于臨床應(yīng)用,還要有大量的動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)甚至是人體實(shí)驗(yàn)需要完善。

總之，脂肪干細(xì)胞分化方向的生物學(xué)機(jī)制研究才剛剛起步,很多基本問(wèn)題還需要深入研究和探討。而有關(guān)RNA、細(xì)胞信號(hào)通路、脂肪干細(xì)胞分化方向的抉擇這三者聯(lián)系的研究需不斷增加和進(jìn)一步深入。