造血干細(xì)胞發(fā)生關(guān)鍵信號(hào)通路

徐家楷

【摘 要】造血干細(xì)胞是目前臨床治療上應(yīng)用最廣的干細(xì)胞類型，深入研究造血干細(xì)胞將有助于我們分析并治療諸多的血液疾病和免疫疾病。如何高效獲得造血干細(xì)胞是近二十年來一直沒有解決的問題，于此我們簡(jiǎn)要總結(jié)了目前造血干細(xì)胞研究領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)的與造血干細(xì)胞體內(nèi)發(fā)育或體外分化相關(guān)的重要信號(hào)通路，旨在加深對(duì)造血干細(xì)胞的認(rèn)識(shí)。

【關(guān)鍵詞】造血干細(xì)胞；信號(hào)通路；NotchBMPWNT

Abstract：The hematopoietic stem cell is currently the most widely used stem cell type in clinical treatment. In-depth study of hematopoietic stem cells will help us analyze and treat many blood diseases and immune diseases. How to efficiently obtain hematopoietic stem cells is a problem has not been solved in the past twenty years. Here we briefly summarize the important signaling pathways related to the development of in vitro or in vitro differentiation of hematopoietic stem cells found in the field of hematopoietic stem cell research， aiming to deepen the understanding of hematopoietic stem cells.

Key words： Hematopoietic Stem cell， Signal pathway， Notch， BMP， WNT

【中圖分類號(hào)】R35.36 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】1005-0019（2018）20-0-01

造血系統(tǒng)是人體功能最活躍的系統(tǒng)之一，每天都要產(chǎn)生上千億個(gè)血液細(xì)胞，而這樣旺盛的新生過程主要依賴造血干細(xì)胞（Hematopoietic Stem Cells， HSCs）的強(qiáng)大功能。

HSCs具有極大的臨床應(yīng)用價(jià)值。1957年，Thomas等人通過給放療和化療后的病人輸送健康骨髓成功治療了造血功能障礙。目前HSCs已被廣泛應(yīng)用于血液和免疫疾病的臨床治療。HSCs主要從骨髓、臍帶血或外周血中獲取，其來源的有限性嚴(yán)重限制了基于HSCs的移植試驗(yàn)、疾病模型的建立和藥物篩選等應(yīng)用。然而目前并不能有效地?cái)U(kuò)增具有長(zhǎng)期重建能力的HSCs。因此，我們需要對(duì)調(diào)控HSCs生存和功能的信號(hào)通路進(jìn)行深入的了解和分析，來指導(dǎo)我們進(jìn)一步的研究。

一、造血干細(xì)胞

造血干細(xì)胞是一類具有自我更新和多向分化的潛能，能夠分化形成各種成熟血液細(xì)胞的成體干細(xì)胞。目前主要用流式細(xì)胞術(shù)來對(duì)HSCs依據(jù)表面抗原進(jìn)行收集和純化。CD34抗原最早被報(bào)道可以富集HSCs，但CD34還遠(yuǎn)不足以進(jìn)行HSCs的特異性標(biāo)記，現(xiàn)在科研中常用的小鼠和人的造血干祖細(xì)胞表面抗原見表1。

二、造血干細(xì)胞發(fā)生相關(guān)信號(hào)通路

胚胎發(fā)育過程中，HSCs的發(fā)生需要信號(hào)分子進(jìn)行時(shí)空特異性的精確調(diào)控。首先由造血中胚層產(chǎn)生生血內(nèi)皮，之后在特異信號(hào)通路的誘導(dǎo)下特化為HSCs。

2.1 調(diào)控造血中胚層特化的信號(hào)分子

HSCs在背主動(dòng)脈產(chǎn)生，而背主動(dòng)脈由胚胎腹側(cè)尾部側(cè)板中胚層發(fā)育而來。參與尾部中胚層形成的信號(hào)通路主要為Wnt、BMP信號(hào)通路。不同組織的形成需要各種不同信號(hào)分子的調(diào)控。研究表明，造血中胚層特化的過程中，Nodal、Wnt和BMP主要誘導(dǎo)Cdx基因的表達(dá)，而Cdx基因進(jìn)一步調(diào)控Hox基因的表達(dá)，如Hoxa9和Hoxb4等[1]，這些基因表達(dá)對(duì)于HSCs發(fā)育均為必需。Wang等通過分別添加 WNT3α和BMP4，觀察各自影響效果的差異，得出了WNT信號(hào)通路和BMP信號(hào)通路共同指導(dǎo)胚胎干細(xì)胞向HSCs分化的結(jié)論[2]。

2.2 調(diào)控生血內(nèi)皮形成的信號(hào)分子

HSCs的發(fā)生直接來源于背主動(dòng)脈腹側(cè)底部的生血內(nèi)皮細(xì)胞，該細(xì)胞群表達(dá)VEGF受體KDR（也稱為FLK1和VEGFR2）。在小鼠和雞胚中，兩側(cè)的動(dòng)脈在胚胎中線處融合形成主動(dòng)脈后才能產(chǎn)生HSCs。該過程受Shh和VegfA兩種信號(hào)的調(diào)控。干擾Shh信號(hào)表達(dá)，部分成血管細(xì)胞雖能夠遷移到中線處參與動(dòng)脈融合，但不能啟動(dòng)血細(xì)胞表面抗原的表達(dá)。這說明主動(dòng)脈的形成與HSCs的發(fā)生需要共同的信號(hào)分子誘導(dǎo)。

HSCs只在動(dòng)脈中產(chǎn)生說明動(dòng)脈的特化是其產(chǎn)生的前提。動(dòng)脈內(nèi)皮的特化依賴于Notch信號(hào)。缺失Notch1或Notch4或者Notch信號(hào)通路的重要因子均導(dǎo)致動(dòng)脈內(nèi)皮的缺失。由于動(dòng)脈內(nèi)皮的特化往往在內(nèi)皮細(xì)胞遷移至胚胎中線之前就已經(jīng)開始，所以HSCs的特化也應(yīng)該在內(nèi)皮遷移和融合的過程中發(fā)生。

2.3 調(diào)控生血內(nèi)皮產(chǎn)生造血干細(xì)胞的信號(hào)分子

HSCs最終由背主動(dòng)脈的生血內(nèi)皮產(chǎn)生，該過程受多種信號(hào)通路調(diào)控。

2.3.1 Notch信號(hào)

Notch信號(hào)不僅調(diào)節(jié)動(dòng)脈內(nèi)皮和靜脈內(nèi)皮的產(chǎn)生，還調(diào)控HSCs的特化。Notch信號(hào)通路和Wnt信號(hào)通路可以選擇性地調(diào)控造血過程。Zhou等發(fā)現(xiàn)，Wnt信號(hào)通路調(diào)控的基因在特定分化時(shí)間的AGM區(qū)和胎肝中的表達(dá)出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，可以保持造血前體細(xì)胞的增殖潛能，而此時(shí)出現(xiàn)的Notch信號(hào)通路上調(diào)則與該造血前體細(xì)胞維持不分化的狀態(tài)有很大關(guān)系。敲除Notch下游基因Mib的小鼠和斑馬魚胚胎不能產(chǎn)生HSCs；小鼠Notch信號(hào)通路中Csl的敲除導(dǎo)致HSCs數(shù)量銳減；阻斷Notch信號(hào)通路后，HSCs的分化率和造血系統(tǒng)的重建能力提高。Notch配體Jagged 1敲除后，小鼠能形成動(dòng)脈但HSCs卻顯著減少[3]。Notch1可上調(diào)Gata2和Runx184進(jìn)而誘導(dǎo)生血內(nèi)皮產(chǎn)生HSCs。Notch信號(hào)是保持HSCs未分化的關(guān)鍵，能維持HSCs的自我更新能力，并抑制其成熟。但是HSCs發(fā)育過程中并不是一直需要Notch信號(hào)， 特別是在內(nèi)皮細(xì)胞向造血細(xì)胞轉(zhuǎn)化的過程中Notch信號(hào)需要一定程度的下調(diào)。

2.3.2 Shh-VegfA信號(hào)

Notch介導(dǎo)的HSCs的特化直接受Shh-VegfA信號(hào)通路調(diào)控。Shh信號(hào)誘導(dǎo)體節(jié)分泌VegfA；VegfA通過受體VEGFR2調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)動(dòng)脈標(biāo)記Efnb2a并激活Notch受體Notch3表達(dá)；Notch則誘導(dǎo)生血內(nèi)皮特化為HSCs。因此，Shh、Vegfr2和Notch信號(hào)共同誘導(dǎo)HSCs產(chǎn)生。

2.3.3 BMP信號(hào)

BMP和Wnt共同調(diào)節(jié)造血中胚層的發(fā)生。但最近研究表明，BMP也參與人胚胎干細(xì)胞向HSCs分化的過程[4]。BMP-4在體外環(huán)境下被證明可以使猴子造血前體細(xì)胞數(shù)量大幅增加。在人體內(nèi)也可以誘導(dǎo)人胚胎干細(xì)胞分化為滋養(yǎng)層細(xì)胞而且造血前體細(xì)胞在培養(yǎng)過程中大量增加。阻斷BMP信號(hào)通路將導(dǎo)致HSCs的特化失敗；而外植體培養(yǎng)中AGM區(qū)分泌的BMP4能夠增強(qiáng)AGM區(qū)產(chǎn)生HSCs的潛能。

2.3.4 WNT信號(hào)

Wnt信號(hào)通路和BMP信號(hào)通路為HSCs分化所必需。實(shí)驗(yàn)證明，WNT信號(hào)通路通過多條途徑起始和維持HSCs的特化。Wnt3a信號(hào)蛋白可以激活經(jīng)典信號(hào)通路，引起β-catenin積累進(jìn)而和轉(zhuǎn)錄因子T、淋巴結(jié)增強(qiáng)因子發(fā)生反應(yīng)激活下游的靶基因來調(diào)控HSCs的自我更新。Wnt3a敲除的小鼠胎肝的HSCs數(shù)量減少，且不能夠連續(xù)移植受體小鼠；β-catenin敲除的生血內(nèi)皮大都喪失產(chǎn)生HSCs的能力[5]。這些結(jié)果證明經(jīng)典的WNT-β-catenin信號(hào)對(duì)于生血內(nèi)皮啟動(dòng)造血發(fā)育是必需的。而斑馬魚Wnt16及其配體缺失導(dǎo)致HSCs無法形成證明了非經(jīng)典WNT信號(hào)通路在HSCs的特化中也起著不可或缺的作用。Huang等在不存在細(xì)胞因子作用的環(huán)境下調(diào)控 Wnt信號(hào)通路，體外成功擴(kuò)增小鼠的HSCs，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了Wnt信號(hào)通路的誘導(dǎo)調(diào)控作用。

三、總結(jié)與展望

本文總結(jié)了目前HSCs研究中一些重要的信號(hào)通路及其相互之間的關(guān)聯(lián)，這些信號(hào)通路可以直接調(diào)控HSCs的發(fā)生過程，了解這些重要的信號(hào)通路將有助于深入了解造血干細(xì)胞發(fā)生過程，是我們深入研究HSCs的必經(jīng)之路。

當(dāng)下，細(xì)胞治療和基因治療已經(jīng)成為再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，HSCs作為再生領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，目前從胚胎干細(xì)胞分化為造血干/祖細(xì)胞的操作已經(jīng)變得可行且有一定的重復(fù)性保證。隨著基因測(cè)序和RNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，富集HSCs的分選策略的成熟，人們對(duì)HSCs的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有了更全面、更準(zhǔn)確的認(rèn)知，使得HSCs的大量獲得不再空談。

但目前的研究中，存在一些難點(diǎn)與障礙：首先，對(duì)真正HSCs的定義是不明確的，對(duì)于真正能夠重建整個(gè)血液系統(tǒng)的功能性造血干細(xì)胞的標(biāo)準(zhǔn)仍待探究；其次，HSCs目前還不能真正實(shí)現(xiàn)在體外的長(zhǎng)期培養(yǎng)，在體外培養(yǎng)時(shí)，HSCs干性不斷減弱，更傾向于進(jìn)行細(xì)胞分化。目前還沒能發(fā)現(xiàn)可以穩(wěn)定在體外維持HSCs狀態(tài)的傳代培養(yǎng)基；最后，鼠作為主要的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃腿说腍SCs存在著非常大的差異，很多實(shí)驗(yàn)無法通過鼠來進(jìn)行驗(yàn)證。

以上三個(gè)亟待解決的問題將是HSCs研究領(lǐng)域下一個(gè)突破點(diǎn)，相信隨著科研的不斷深入，我們將能夠把HSCs更好地應(yīng)用到臨床治療當(dāng)中來更好地造福人類。

參考文獻(xiàn)

Winnier G，Blessing M，Labosky P A，et al.Bone morphogenetic protein-4 is required for mesoderm formation and patterning in the mouse[J].Genes & Development，1995，9（17）：2105-2116.

Y Wang，K Umeda，N Nakayama.Collaboration between WNT and BMP signaling promotes hemoangiogenic cell development from human fibroblast-derived iPS cells[J].Stem Cell Research，2010，4（3）：223-231.

?lex Robert-Moreno ?，J Guiu，C Ruiz-Herguido，et al.Impaired embryonic haematopoiesis yet normal arterial development in the absence of the Notch ligand Jagged1[J].Embo Journal，2014，27（13）：1886-1895.

K Chadwick，L Wang，L Li，et al.Cytokines and BMP-4 promote hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells[J].Blood，2003，102（3）：906-915.

C Ruizherguido，J Guiu，T D'Altri，et al.Hematopoietic stem cell development requires transient Wnt/β-catenin activity[J].Journal of Experimental Medicine，2012，209（8）：1457-1468.