GATA4 在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中的研究進(jìn)展

邱濤，王春慶

(貴州醫(yī)科大學(xué),貴州 貴陽)

1 轉(zhuǎn)錄因子GATA4 的分子生物學(xué)特性

GATA 轉(zhuǎn)錄因子家族能與DNA 的特異性序列(A/T)GATA(A/G)結(jié)合，屬于特異性轉(zhuǎn)錄因子。該家族的6 種特異性轉(zhuǎn)錄因子在多種生命進(jìn)程起調(diào)控作用，其中GATA1、GATA2、GATA3 主要表達(dá)造血細(xì)胞，調(diào)控造血系統(tǒng)；GATA4、GATA5、GATA6 在胚胎形成的早期就開始表達(dá)，并且對中胚層和內(nèi)胚層的發(fā)育具有重要的調(diào)節(jié)作用，其中轉(zhuǎn)錄因子GATA4 在調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞影響心肌發(fā)育及骨代謝的相關(guān)作用現(xiàn)已被研究發(fā)現(xiàn)[6-7]。GATA4 具有特異的DNA 結(jié)合區(qū)域，該區(qū)域由2 鋅指結(jié)構(gòu)(Cys-X2-Cys-X17-Cys-X2- Cys)組成，其C 端鋅指主要結(jié)合特異性的DNA 序列的結(jié)構(gòu)，而N 端鋅指能結(jié)合GATA 元件周邊序列及輔因子結(jié)合，也可以調(diào)節(jié)與 DNA 結(jié)合的穩(wěn)定性和特異性，兩者協(xié)同作用提高了與 DNA結(jié)合的親和力和識別范圍，同 GATA 元 件周邊序列及輔因子結(jié)合，此外還可以結(jié)合于DNA， RNA，DNA- RNA 雜交體和其他鋅指蛋白結(jié)合， 調(diào)控其他基因的表達(dá)[8-10]。

2 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）

BMSCs 是一種成體干細(xì)胞，是人們在哺乳動物的骨髓基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的一種具有多種分化潛能的細(xì)胞亞群，具有多種分化潛能、可塑性高、易于導(dǎo)入表達(dá)外源性基因等生物學(xué)特性，在特定的微環(huán)境誘導(dǎo)培養(yǎng)下，能夠分化形成骨、軟骨、脂肪、神經(jīng)及成肌細(xì)胞的[11-13]。原始間充質(zhì)干細(xì)胞主要來源于骨髓中非造血成體干細(xì)胞中，它們對骨髓中的造血干細(xì)胞（HSC）不僅有機(jī)械支持作用，還能分泌多種生長因子，例如：白介素-6（IL-6），白介素11（IL-11），巨噬細(xì)胞集落刺激因子（M-CSF）及干細(xì)胞因子（SCF）等來維持機(jī)體造血系統(tǒng)的正常。BMSCs 主要來源于骨髓，但其存在于骨髓中的含量極少，僅為單個核細(xì)胞中的0.0001%～0.01%。目前骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞主要是從哺乳動物的骨髓中分離和提取，但BMSCs 的生長狀態(tài)與提取動物的年齡、生長狀況、分離純化的方法，及培養(yǎng)的微環(huán)境密切相關(guān)。目前主要有4 種較為常用的體外分離純化BMSCs 的方法，包括全骨髓貼壁篩選法、密度梯度離心法、流式細(xì)胞儀分選法、免疫磁珠法，其中前兩種方法較為常用。BMSCs 繁殖能力強(qiáng)，貼壁生長，傳代至2 代以后，一般呈長梭形，漩渦狀排列[14-16]。近年來有關(guān)miRNA 在BMSCs 中調(diào)控機(jī)制的熱點(diǎn)研究與日俱增，目前研究發(fā)現(xiàn)BMSCs 分化為成骨細(xì)胞、心肌細(xì)胞的過程中GATA4 在其中起調(diào)控作用，進(jìn)而影響骨代謝過程及心臟功能。

3 GATA4 調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化為心肌細(xì)胞

GATA4 是心臟前體細(xì)胞的最早期標(biāo)志之一，在心臟發(fā)育過程中起重要作用。GATA4 在胚胎以及心臟發(fā)育的整個過程中表達(dá)，其首先在心前期的中胚層表達(dá)，隨后在心內(nèi)膜和心肌中表達(dá)，并與其他心臟發(fā)育相關(guān)因子相互作用， 從而進(jìn)一步影響心臟發(fā)育。但GATA4 并不是心肌細(xì)胞分化的決定因素，在GATA-4 基因缺失的胚胎干細(xì)胞中，GATA 家族中的GATA5 及GATA6 能代償分化為心肌細(xì)胞，但其分化的心肌細(xì)胞與正常心肌細(xì)胞存在差異，正常水平表達(dá)的GATA4 表達(dá)對心臟功能起重要作用[17]。

心力衰竭是指心肌不能滿足機(jī)體代謝的需要。與某些器官不同，心臟在受傷后的修復(fù)能力有限。心臟移植仍然是治療心力衰竭的最終方法，但這是昂貴的，并且排除了那些由于共病或無法獲得供體器官而不適合移植的患者。干細(xì)胞治療是逆轉(zhuǎn)迄今為止被認(rèn)為是終末期心臟損傷影響的第一個現(xiàn)實(shí)的策略。總的來說，研究表明干細(xì)胞移植治療使左心室功能得到改善，梗死瘢痕縮小，左心室重構(gòu)減弱，血管密度增大，移植后存活率增加。在干細(xì)胞移植治療中，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是最合適的移植細(xì)胞，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞相對容易生長，可在培養(yǎng)中擴(kuò)增至移植所需的細(xì)胞數(shù)量，同時骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞修復(fù)受損心肌的另一個優(yōu)勢是其抑制免疫排斥和抑制炎癥反應(yīng)的能力。在胚胎早期發(fā)育過程中，GATA4 的突變或缺失會導(dǎo)致多種先天性心臟?。ㄈ绶逅穆?lián)癥及動脈導(dǎo)管未閉等）的發(fā)生。先天性心臟病在1%的活產(chǎn)嬰兒中發(fā)生，這使它成為全世界最常見的先天缺陷。這些兒童中有許多人患有心力衰竭。此外，遺傳性和獲得性擴(kuò)張型心肌病都是兒童心力衰竭的重要原因[18]。在心臟發(fā)育成熟后，GATA4 通過多種途徑調(diào)控心肌纖維化及心肌肥厚病理過程，導(dǎo)致心臟結(jié)構(gòu)的變化，從而進(jìn)一步影響心臟的功能。已有研究表明骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞攜帶脫氧土霉素(DOX)誘導(dǎo)的GATA4 的外泌體共培養(yǎng)，誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向心肌樣細(xì)胞分化，減少缺氧誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡，改善梗死后心肌功能[19]。此外也有實(shí)驗證明，外源性Nkx2.5 和GATA4 基因轉(zhuǎn)染入骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，與單獨(dú)基因轉(zhuǎn)染相比，其誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化的能力更強(qiáng)；與未處理的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞相比，轉(zhuǎn)染Nkx2.5 或GATA4 的心肌細(xì)胞體外共培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞對心肌的修復(fù)作用顯著增強(qiáng)[20]。GATA4 其作用機(jī)制目前尚無定論，有研究表明可能與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中GATA-4 的過表達(dá)下調(diào)了miR-15 家族成員的表達(dá)，通過上調(diào)Bcl-2 家族中抗凋亡蛋白的表達(dá)，導(dǎo)致缺血抵抗增強(qiáng)[21]。也有研究表明骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞過表達(dá)GATA-4，與多種抗凋亡因子相互作用，調(diào)控多種細(xì)胞生存信號通路，如GATA-4 調(diào)控miR-144/451 基因簇，較少心肌缺血及再灌注導(dǎo)致的心肌死亡，進(jìn)一步改善心肌功能[22]。

4 GATA4 調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞

近年對于GATA4 的大部分研究是其在心臟方面的作用。隨著研究的不斷進(jìn)展發(fā)現(xiàn)，GATA4 在骨代謝調(diào)節(jié)、特別是成骨細(xì)胞的分化與形成過程中也起重要作用。骨穩(wěn)態(tài)是由成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞之間的相互平衡所控制的，它們分別調(diào)控骨形成與骨吸收。當(dāng)這兩種細(xì)胞活動之間的相互平衡被打破，將會導(dǎo)致骨密度的異常與典型的骨疾病，如：骨質(zhì)疏松癥。Runx2 在成骨細(xì)胞的分化中起重要的作用。它在骨間充質(zhì)細(xì)胞的沉積、成骨細(xì)胞的分化、軟骨細(xì)胞的肥大和來源于間充質(zhì)干細(xì)胞對發(fā)育骨骼的血管入侵方面都有相關(guān)作用。Runx2 的缺乏將會導(dǎo)致骨形成缺陷疾病、鎖骨發(fā)育不良等疾病。在成骨細(xì)胞分化過程中，Runx2 介導(dǎo)多種成骨細(xì)胞標(biāo)志基因的表達(dá)，如：堿性磷酸酶(ALP）、I 型膠原蛋白、骨橋蛋白、骨唾液蛋白(Bsp)、骨鈣素(OCN)，而這些基因的表達(dá)對骨組織的骨沉積是起相當(dāng)重要的作用。Song 和Kim 研究發(fā)現(xiàn)，在成骨分化過程中，成骨標(biāo)志基因Runx2， ALP， Bsp， OCN 的表達(dá)顯著增加；相比之下，GATA4 在原始成骨細(xì)胞的表達(dá)中比較明顯，隨著成骨細(xì)胞的不斷分化，GATA4 隨著時間的遷移表達(dá)水平不斷下降。這兩位研究人員，通過逆轉(zhuǎn)錄病毒載體來介導(dǎo)原始成骨細(xì)胞中GATA4 的過量表達(dá)，被轉(zhuǎn)染的細(xì)胞培養(yǎng)于正常培養(yǎng)基或者骨形成培養(yǎng)基。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GATA4 對成骨細(xì)胞的分化起負(fù)性調(diào)控作用，GATA4 能夠負(fù)性調(diào)控Dlx5 對Runx2 的作用，從而進(jìn)一步影響成骨分化[23]。目前有研究表明，GATA4 調(diào)控成骨細(xì)胞分化主要是通過BMP（bone morphogenetic protein，骨形態(tài)發(fā)生蛋白）是TGF-β（轉(zhuǎn)化生長因子，transforming growth factor-β）信號通路，也可通過調(diào)控ERα（雌激素受體estrogen receptorα）來調(diào)控成骨分化；還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，GATA4 不僅能抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞過程中RANKL 的表達(dá)，還能調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化[24-27]。同時，GATA4 也可通過影響成骨成牙調(diào)控因子的表達(dá)以及促進(jìn)牙間充質(zhì)細(xì)胞的增殖參與牙齒發(fā)育的調(diào)節(jié)[28]。

5 總結(jié)

綜上所述，目前對于轉(zhuǎn)錄因子GATA4 調(diào)控骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化為心肌細(xì)胞和成骨細(xì)胞，進(jìn)而影響心臟功能與骨代謝的相關(guān)研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展。心肌工程，包括干細(xì)胞移植，是迄今為止被認(rèn)為是逆轉(zhuǎn)心臟最終損傷的第一個現(xiàn)實(shí)的策略。對于GATA4 在骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的研究有望成為治療先天性心臟病及其他心臟疾病的提供新的治療靶點(diǎn)。同時為骨代謝的相關(guān)疾病如骨質(zhì)疏松，提供新的治療靶點(diǎn)和方向。