肝细胞核因子4α与肝脏疾病

韩 冉 周俊英

(河北医科大学第三医院感染科,石家庄 050051)

肝细胞核因子4α与肝脏疾病

韩 冉 周俊英＊

(河北医科大学第三医院感染科,石家庄 050051)

肝细胞核因子4α(hepatic nuclear factor 4 alpha,HNF4α)属于细胞核受体超家族成员,它在肝脏的发育、肝细胞分化成熟过程中起重要调控作用。HNF4α有阻断肝纤维化、肝硬化、肝癌的疾病进程,改善肝脏功能的作用。另外,HNF4α在肝干细胞移植方面也发挥重要作用,提高肝细胞移植的成功率。本文就 HNF4α在肝细胞中的表达、作用及其相关疾病的研究进展做一综述。

HNF4α; 肝纤维化; 肝癌; 肝干细胞移植

Hepatic nuclear factor 4 alpha; Hepatic fibrosis; Hepatocellular carcinoma;Liver stem cells transplantation

肝细胞核因子(HNF4α)属于细胞核受体超家族2A亚家族(NR2A)成员[1],主要分布在肝脏,有参与维护肝细胞的蛋白合成、脂肪代谢、能量代谢、胆汁酸合成、解毒等重要功能,也是调控上皮细胞表型(如紧密连接、缝隙连接、桥粒以及细胞与细胞基质间黏附分子和细胞骨架蛋白等)表达的重要基因。HNF4α有阻断肝纤维化、肝硬化、肝癌的疾病进程,改善肝脏功能的作用。另外,HNF4α在肝干细胞移植方面也发挥重要作用,提高肝细胞移植的成功率。本文就 HNF4α在肝细胞中的表达、作用及其相关疾病的研究进展做一综述。

1.肝细胞核因子4α概述

肝细胞核因子(HNF)家族有6个成员,包括:HNF1、3、4、6,CCAAT/增强子结合蛋白和 D-结合蛋白。肝细胞核因子4(HNF4)是一种锌指结构蛋白,在成体肝脏、消化道、胰腺和肾脏中均发现HNF4的表达。在脊椎动物中发现了 HNF4α、HNF4β、HNF4γ3 种亚型 ,其中 HNF4α是 HNF4的重要亚型,HNF4α与 HNF4γ有70%的同源性,二者DNA结合区的氨基酸序列几乎完全相同,在以上各种组织中均有表达,并与肝脏的特异基因表达密切相关。

HNF4α是细胞核中一种组成性表达的转录因子,主要分布在肝脏,HNF4α以二聚体形式与顺式作用元件结合,可通过乙酰化、磷酸化以及与smad3或4[2]结合调节自身活性,调节染色体的结构,使染色体解聚,激活靶基因的表达。HNF4α单体有酰基辅酶A(ACS)和游离脂肪酸(FAP)两个酰基结合位点[3],两者分别以不同模式协同调节 HNF4α的转录活性。

2.HNF4α在肝细胞分化、基因表达及肝脏结构形成过程中的作用

肝细胞的分化是在大量转录因子的协同作用下,肝细胞特异基因(包括白蛋白、甲胎蛋白、α-antitrypsin等)有序表达的结果。Nagy等[4]发现在成年肝脏中,当卵圆细胞分化为肝细胞时 HNF4α开始表达,认为 HNF4α在卵圆细胞向肝细胞的增殖、分化过程中起作用。研究发现,HNF4α在鼠肝中的表达始于胚胎第9天(E9),与肝憩室开始形成的时间一致,并且在此后肝的发育过程中一直有表达,出生后第1天(P1)仍有高表达。原位杂交显示,从E9到P1鼠多数肝索细胞均呈 HNF4αmRNA阳性,而胆管板及胆管上皮细胞、血管内皮细胞、造血细胞等均呈阴性。结果提示 HNF4α与肝憩室的形成有关,在肝干细胞向肝细胞分化过程中发挥作用。Babeu等[5]的研究发现,HNF4α可促进体外肠道上皮及小鼠肠道上皮的分化。Michele等[6]通过微点阵和分子分析发现,HNF4α调节许多细胞连接结合蛋白以调控肝脏发育。此外,Li等[7]发现 HNF4α敲除后,apoA Ⅰ、apoA Ⅱ、apoB、apoCⅡ、apoCⅢ、PAH、Epo等与成熟肝细胞功能相关的基因不表达,据此提出 HNF4α是肝细胞分化所必需的。Parviz等[8]应用基因重组的方法,培育出一种胚胎肝脏中不表达 HNF4α的小鼠模型,研究表明,胚胎的发育早期阶段(E12)不表达 HNF4α,对于肝细胞的基因表达有阻断作用,但是在该发育阶段,并未发现细胞形态的变化,肝脏外形没有显著的变化。在胚胎期第E18时,HNF4α缺失的肝细胞体积小、胞质深度染色,与该时期正常肝细胞的形态差别很大,电镜观察也显示突变的细胞胞质很少,几乎不含糖原,畸形的细胞核中充满了异染色质,更为重要的是,变异肝细胞无法表达出与细胞连接有关的蛋白分子,失去细胞连接的结构,致使细胞膜与邻近细胞之间出现异常空隙,无法形成肝窦状隙等结构。因此,HNF4α在肝细胞特异基因表达中是必不可少的。

3.HNF4α在抑制肝纤维化中的作用

肝纤维化是不同病因引起慢性肝脏损害后组织修复过程的一种代偿性反应,以胶原为主的细胞外基质(ECM)在肝内过分沉积为病理特征。肝纤维化的发生主要是肝星状细胞(hepatic stellate cell,HSC)激活并转化成肌成纤维样细胞(myofibroblasts,MFs),所以抑制 HSC的激活、增殖与迁移,诱导HSC的凋亡是肝纤维化治疗的重要方法。近年研究发现,除了 HSC外肌成纤维细胞也可来源于其他细胞,一系列研究相继证实[9],在肝纤维化发展进程中,肝脏上皮细胞如胆管上皮细胞等均可通过上皮细胞间质转型(epithelial-to-mesenchymal transition,EMT)转化为MFs,参与 ECM合成与分泌,进一步促进肝纤维化的发生发展。

EMT主要是指具有极性的上皮细胞通过在细胞形态、细胞结构、细胞功能、细胞黏附以及迁移能力等方面的转换形成具有活动能力、能够在细胞基质间自由移动的间质细胞的过程。它以上皮细胞极性的丧失及间质特性的获得为重要特征,具体包括:细胞黏附分子(E2钙黏蛋白)表达减少,角蛋白为主的细胞骨架转变为波形蛋白为主的细胞骨架,从而引起细胞形态的改变[10]。

对 HNF4α基因敲除的小鼠研究发现,在不同发育阶段肝细胞均出现大量功能基因表达下调,这些基因参与维护肝细胞脂肪代谢、白蛋白合成、药物解毒、能量代谢、胆汁酸合成等重要功能。此外,HNF4α与肝纤维化EMT过程密切相关。在体外,多种细胞因子如转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)、表皮生长因子 (epidermal growth factor,EGF)等可使肝细胞发生 EMT。在TGF-β诱导下,肝细胞可发生 EMT,获得间质细胞的特性,伴随肝细胞功能基因如 HNF4α等表达下调,间质细胞表型基因Snail表达增加,多项研究表明,Snail是参与 EMT过程的一个重要的转录因子[11]。将Snail基因直接导入小鼠肝细胞株,可诱导其发生 EMT,并伴有 HNF4a表达下降;当外源导入HNF4a基因后可阻断Snail基因诱导的肝细胞 EMT[12]。Parviz等[8]将 HNF4α基因导入成纤维细胞NIH-3T3,NIH-3T3出现间质细胞上皮转型(mesenchymal-to-epithelial transition,MET),表明HNF4α是维持上皮细胞表型的重要调节因子。所以,HNF4a既能抑制活化 HSC的间质细胞特性,又发挥其促进肝脏再生和肝干细胞分化的作用。从而为研究肝纤维化的发病机制和防治提供新的思路。

4.HNF4α的抗肿瘤作用

肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)具有起病隐匿、恶性程度高、侵袭转移快的特点,严重威胁人类的健康和生命安全。肝癌的病因和发病机制尚未完全确定,可能是多种因素共同作用的结果,其中最主要的是病毒性肝炎和肝硬化,肝细胞的恶变可能是在肝细胞再生过程中发生,即经肝细胞损害引起再生或不典型增生。因而探求肝癌的发病机制,寻求有效的治疗方法是全球关注的热点和医务工作者不懈努力的方向。Lazarevich等[13]研究发现,在 HCC发生过程中,HNF4α的表达下降,在HCC细胞中转染外源性 HNF4α后,其侵袭性降低,增殖速度减缓,成熟肝细胞的结构、功能逐步恢复,细胞与胞外基质之间的联系重建,说明 HNF4α的下调在 HCC的形成过程中具有重要作用,HNF4α发挥强有力的抗肿瘤作用。另外,利用表达HNF4α的重组复制缺陷型腺病毒(AdHNF4α)体外感染肝肿瘤细胞株,可明显增强其肝细胞相关功能基因表达,抑制肿瘤细胞增殖并诱导其凋亡,降低肿瘤细胞成瘤性,抑制转移瘤的形成。上述结果初步证实了上调 HNF4α,可抑制肿瘤细胞在体内外的增殖,表明上调 HNF4α表达可能成为 HCC有效的治疗方法。Yin等[14]构建腺病毒介导的基因送递系统,将 HNF4α基因传递入人肝肿瘤细胞株 Hep3B和 Hep G2,使其高表达 HNF4α,结果显示该两种肝肿瘤细胞均出现明显的细胞凋亡,和 Hep G2细胞周期停滞及细胞衰老,并且,全身注射AdHNF4α能抑制肝脏转移肿瘤的生长,而裸鼠皮下种植瘤内局部注射AdHNF4α可使已形成的肿瘤退化缩小,同时免疫组化显示伴有AFP、Ki67等蛋白表达下降。因此,HNF4α在肝脏肿瘤的发生、发展以及转移瘤的形成过程中发挥重要抑制作用。

5.HNF4α在肝干细胞移植中的作用

目前原位肝移植是治疗各种晚期肝脏疾病的有效措施,但由于合适供体肝脏的缺乏和长期使用免疫抑制药物所导致的不良反应,大大限制了该技术的广泛应用。肝细胞移植(hepatocyte transplantation,HCT)技术可以解决目前肝脏移植所面临的部分问题。HCT的供体来源主要包括异体肝细胞、自体肝干细胞、胚胎肝细胞、胚胎肝干细胞。因此,有增殖和分化潜能的肝干细胞(liver stem cells,LSCs)成为细胞移植治疗的重要的供体来源,利用基因调控手段上调肝干细胞分化基因表达,成为肝细胞移植领域的研究热点。LSCs移植中的细胞按来源主要包括肝源性和非肝源性2大类:肝源性主要指肝卵圆细胞、成肝细胞、胚胎干细胞,非肝源性包括脐带血干细胞、骨髓间充质干细胞、胰腺上皮祖细胞、心肌细胞、唾液腺祖细胞等[15]。LSCs属于前体细胞,来源于肝脏 Herring间隙(汇管区和终末小胆管的连接部分)和肝内胆管,具有双向分化潜能,可以分化为肝实质细胞和胆管上皮细胞。一般情况下,LSCs都处于静止不分裂状态,只有在肝脏受到严重损伤且尚存的肝细胞不能代偿时,LSCs才被激活、分化。LSCs分化为成熟肝细胞过程中,伴有多种细胞分化基因的表达,其中包括 HNF家族。研究发现在成年大鼠肝脏中,HNF4α的表达与肝干细胞向成熟肝细胞分化直接相关。另外,在小鼠胚胎发育的各个阶段多数肝索细胞呈 HNF4α阳性反应,成年时仍有少数 HNF4α阳性的肝索细胞,而胆管板及胆管上皮细胞、血管内皮细胞、造血细胞等均为阴性,故认为 HNF4α表达与肝憩室的形成有关,并参与肝干细胞向肝细胞的增殖、分化过程,其在正常成年肝中的表达可能与肝细胞正常形态的维持有关。Jochheim等[16]对胚胎、幼鼠和成年大鼠肝脏中分化调控基因的研究发现,肧胎肝细胞发育过程中伴随有多种分化基因表达的变化,其基因表达在细胞不同发育阶段具有各自的特点。在发育7.5d时,HNF4α基因 mRNA检侧不出;胚胎发育9-11.5d 时,HNF4α基因 mRNA 表达增高;至13.5d表达逐渐下降;在成年大鼠肝脏中维持高水平。HNF4α缺乏的胚胎大鼠不能形成完整的原肠胚,故常因内脏内胚层功能不全而死亡。Li等[7]上调胚胎干细胞 HNF4α表达后,可诱导多种载脂蛋白、转铁蛋白及视黄醇结合蛋白等基因的表达增加。表明 HNF4α在肝细胞发育过程中的表达与肝干细胞的分化过程直接相关,可能是器官分化早期的使动因子。尤楠等[17]将胎肝干细胞植入肝损伤的大鼠体内,结果显示对照组大鼠中央静脉极度扩张,肝细胞坏死,大量炎症细胞浸润,而经移植胎肝干细胞的大鼠肝病理切片见肝脏损伤修复明显。说明植入的胎肝干细胞可迁移至受损的细胞区域,并在微环境作用下分化修复坏死的肝组织,免疫组化和Western blot的结果显示,对照组 HNF4α蛋白表达较高,而移植组随着治疗时间的延长、肝功能的逐渐恢复,HNF4α蛋白表达逐渐下降,肝细胞的修复与HNF4α的时序性变化表现出良好的相关性。这说明 HNF4α可能参与了肝干细胞向受损肝细胞定向分化的过程。因此,在肝干细胞移植过程中,外源性提供 HNF4α将有利于肝干细胞的成活与分化。

目前,肝干细胞作为 HCT技术的供体来源已经逐步应用于各种晚期肝脏疾病(例如Wilsons病、Crigler-Najjar综合征等)的治疗研究中,显示出一定的疗效。对于肝干细胞及其分化基因表达调控的研究,为 HCT提供新的、更优越的细胞来源,不仅为肝干细胞诱导分化提供了新的方法,同时也将扩大HCT技术的临床应用范围和治疗效果,为晚期慢性肝病移植治疗和基因治疗开辟新的思路和途径。近期研究发现:干细胞移植给造血系统恶性疾病的患者后,还可以产生肝实质细胞和其他类型的细胞。因此,干细胞移植作为患者等待肝移植期间的“桥梁治疗”,最有可能成为第一步的临床研究目标。

6.结论

HNF4α在正常分化成熟的肝细胞中高表达,在各种慢性肝病(肝纤维化、肝癌等)进程中 HNF4α表达下降,我们可以通过人为提高 HNF4α表达的方法,促进肝细胞分化,改善肝脏功能,达到治疗肝病的目的。另外,肝干细胞移植中,我们也可以加入外源性 HNF4α,调控肝干细胞的分化,从而提高肝干细胞移植成功率。随着人们对 HNF4α不断深入研究,必将对各种肝病,特别是晚期慢性肝病的治疗提供有益的帮助。

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R512.6

A

10.3870/zgzzhx.2011.02.018

2010-02-10

2011-02-01

韩冉,女(1984年),汉族,硕士研究生。

＊通讯作者(To whom correspondence should be addressed)