Bmi1基因与干细胞增殖和肿瘤发生研究进展

王 平，庞全海，夏 玉，张 超，吴崇晖

（山西农业大学动物科技学院，山西太谷030801）

一般认为，肿瘤的发生是细胞自我更新和生长等功能活动中重要的基因突变累积的结果。而干细胞本身已经具有自我更新的能力，因此其更易发生转变，突变为肿瘤干细胞。肿瘤干细胞和肿瘤的发生、复发和转移有关。许多分子和细胞通路与干细胞的增殖以及自我更新密切相关，这些通路包括PcG家族基因、Notch信号通路、Wnt信号通路和转化生长因子（TGF）-β信号通路。本文对PcG家族基因中的Bmi1基因与干细胞的自我更新和肿瘤发生的关系做一综述。

1 Bmi1基因

Bmi1作为原癌基因首先在逆转录病毒引起的小鼠淋巴瘤中被发现，该基因位于小鼠2号染色体，由9个外显子和9个内含子组成。近年研究表明，Bmi1基因与神经干细胞、造血干细胞、人骨髓间充质细胞、白血病干细胞和胚胎肝干细胞的自我更新和增殖密切相关［1-2］。增强Bmi1基因的表达，能够显著增强造血干细胞在体内外的扩增和生长能力，说明Bmi1基因PcG家族基因中对干细胞自我更新能力的调节起最关键的作用。Bmi1基因能够负调控肿瘤抑制基因p16Ink4a和p19Arf基因［1］。p16Ink4a和p19Arf基因编码细胞周期依赖激酶抑制剂，调控细胞周期、细胞凋亡和细胞衰老。在Bmi1基因缺陷鼠体内，p16Ink4a基因和p19Arf基因显著增加，干扰二者表达后，造血干细胞和神经干细胞重新获得自我更新能力［3］。小鼠纤维母细胞和淋巴细胞缺少Bmi1基因时，细胞内p16Ink4a基因和p19Arf基因表达上升，细胞周期素cyclin A和cyclin E表达下降，纤维母细胞无法进入S期；而且缺少Bmi1基因的纤维母细胞质比例增大，转变为扁平细胞，对生长刺激因子无反应，这些都是纤维母细胞进入衰老期的标志。经逆转录病毒转染Bmi1基因到纤维母细胞后，cyclinA和cyclinE水平恢复正常。鼠胚胎肝干细胞经逆转录病毒转染Bmi1基因后，p16Ink4a基因和p19Arf基因表达显著下降，肝干细胞自我更新能力增强［4］。p16Ink4a基因是Bmi1基因在体内作用的下游目标分子，Bmi1基因通过负调控p16Ink4a基因和p19Arf基因，提高干细胞的自我更新能力［3-4］。缺乏Bmi1基因，会导致造血干细胞和神经干细胞缺失，骨骼、造血和神经系统异常，脾和胸腺严重发育不全以及骨髓中缺乏造血细胞。

1.1 Bmi1基因对细胞增殖的影响

揭示Bmi1在肿瘤发生过程中关键作用的第一个证据是转Bmi1基因大鼠体内T淋巴瘤和B淋巴瘤的发生过程，该基因受Eμ启动子的调控［5-6］，该基因的过表达可以导致淋巴细胞的异常扩增。同时，淋巴干细胞的增殖潜力和自我更新能力会因为Bmi1的缺失而受损［7］。这些证据表明Bmi1基因对于调控新生造血细胞的增殖具有关键性作用。在转Eμ-Bmi1基因大鼠B细胞淋巴瘤的初始阶段，由于c-Myc的过量表达，致使肿瘤发展速度加快。由此推测，在Bmi1和c-Myc原癌基因之间可能存在协同作用。该过程抑制了Myc诱导的p19Arf的表达，以及由此引发的细胞凋亡［8］。另有研究表明，Bmi1基因在造血干细胞自我更新的过程中起关键作用，该基因可以做为治疗性改造造血干细胞的靶基因。在体外和体内，Bmi1表达的增加都可以刺激造血干细胞的自增殖［9］。还发现通过反转录病毒和人乳头瘤病毒将Bmi1及E6、E7和人端粒末端转移酶基因导入分离到的人间充质干细胞中，可以使间充质干细胞在体外增殖达150代，且继代后的间充质干细胞能正常被诱导分化为心肌细胞［2］。

对Bmi1的研究结果表明，该基因在对成体造血干细胞、成体末梢和中枢神经系统干细胞自增殖效率方面影响很大［7，11］，但对于分化细胞的影响甚微。例如，将缺失Bmi1基因的胎肝细胞移植到受到破坏性照射的宿主中，可以使造血功能暂时恢复，这表明Bmi1基因缺失的胎肝造血干细胞不能产生更多的干细胞，但它们可以产生多潜能的祖细胞，以暂时地维持造血功能。缺失Bmi1基因的神经干细胞在体外自我更新的能力衰竭，但特定祖细胞的增殖和存活能力并没有受到影响［10］。

Bmi1基因在大鼠和人的小脑前体细胞中有大量表达。体内和体外试验均表明，该基因对粒细胞前体的扩增至关重要。在生物体中，Shh信号通路的激活，可以引发成神经管细胞瘤。试验结果表明，Bmi1的过量表达、Shh靶蛋白Gli1的过量表达、在小脑粒细胞前体培养基中添加Shh都可以导致小脑粒细胞前体的大量扩增，这表明Bmi1的过表达可能是成神经管细胞瘤的另一诱发因素［11］。

1.2 Bmi1信号通路

Bmi1可以通过抑制p16和急性背功能衰竭（acute renal failure，ARF）的表达阻止肝星状细胞（hepatic stellate cells，HSC）的凋亡。当Bmi1表达缺失时，p16蛋白的表达能抑制周期蛋白D-CD4／CD6复合物的活性，从而抑制细胞周期循环。该复合物活性同时也能被p18抑制，p18蛋白的缺失会诱导HSC的自增殖；Bmi1蛋白表达的缺失也会诱导ARF的表达，ARF能抑制MDM2活性，从而通过抑制周期蛋白E-CD2复合物的活性激活视神经与细胞瘤蛋白（retinoblastoma protein，Rb）蛋白。p27蛋白也能抑制周期蛋白E-CD2复合物的活性。p21和p27蛋白表达的减少同样会诱导HSC的自增殖。在大鼠基因敲除模型中，HSC通常表达Bmi1、p18、p21、p27，但是没有检测到p16和ARF的表达［12］。

E2a-Pbx1可能诱导Bmi1的表达，它很难转化到Bmi1基因缺失的造血祖细胞中。p16Ink4a的强制表达可以改善E2a-Pbx1对B细胞前体存活和分化的不利影响。这些发现将E2a-Pbx1和Bmi1的联系定位于同一癌症通路中，此通路通过下调Ink4a-Arf基因的表达，从而在人类淋巴白血病的发病中起关键作用［14］。Bmi1的表达可能也受Cited2基因的诱导，敲除了Cited2基因的成纤维细胞的Bmi1和Mel18的表达降低。将Cited2导入成纤维细胞中，可以诱导Bmi1和Mel18的表达，从而抑制Ink4a／Arf。将Bmi1和Mel18导入敲除了Cited2的成纤维细胞中，同样也能促进细胞增殖［13］。

2 Bmi1基因与干细胞

对Bmil基因进行“丧失功能”分析发现，Bmi1基因具有维持造血干细胞的功能。增强造血干细胞Bmil基因的表达能够增强其自我更新能力，促进造血干细胞对称分化，增强对称分化的子代细胞干细胞特性；增强Bmil基因能够显著增强造血干细胞在体内和体外的扩增和生长能力，而缺乏Bmi1基因导致造血干细胞失去自我更新能力［9］。Bmil基因与位于中枢和周围神经系统中的神经于细胞的自我更新密切相关。Bmi1基因缺陷的神经干细胞自我更新能力下降，神经干细胞细胞周期蛋白依赖激酶抑制基因p16Ink4a上调，神经干细胞增殖速度下降，其细胞数量随时间逐渐下降。干扰p16Ink4a基因的表达，使神经干细胞重新获得自我更新能力。这些发现说明Bmil基因能够通过抑制p16Ink4a基因提高神经干细胞的自我更新能力。缺少Bmil基因的乳腺干细胞活性也明显下降［14］。研究发现，Bmil基因对胚胎肝干细胞的自我更新和生长起关键的作用。经逆转录病毒转染Bmil基因到胚胎肝干细胞，胚胎肝干细胞在体外扩增能力提高，细胞角蛋白7阳性细胞比例增加［4］。因此Bmi1基因过表达可以提高肝干细胞的自我更新能力。根据以上试验，发现Bmil基因对干细胞的自我更新有广泛的调节作用。

3 Bmi1基因与肿瘤

Bmil基因在许多肿瘤中广泛表达，在霍奇金淋巴瘤［15］、乳腺癌［16］、非小细胞肺癌［17］、结直肠癌［18］和肝癌［19］中都发现其有过表达，现已经证明Bmi1基因和肿瘤发生有密切关系［20］。转基因小鼠Bmil基因过表达导致T、B淋巴瘤是Bmil基因在肿瘤发生中有重要作用的一个证据。Bmi1基因持续的表达，能够提高神经干细胞的自我更新能力，可能是神经系统发生肿瘤的一般机制。在髓母细胞瘤，Bmi1基因过表达的同时伴有Shh通路激活的标志Patched-1过表达，在髓母细胞瘤的产生中起关键的作用［21］。研究发现，在乳腺癌发生的早期阶段Bmil基因过表达，激活人端粒逆转录酶的转录从而提高端粒酶活性，导致乳腺上皮细胞突破“复制衰老”，细胞“永生”，进一步导致肿瘤的发生［16］。下调Bmi1基因后使肿瘤细胞生长减速并削弱肿瘤细胞在裸鼠体内的生长能力［22］。

在肝细胞癌中也发现Bmi1基因过表达［19］。有报道在137例肝细胞癌患者中100%的患者肝癌细胞都表达Bmil基因，29.9%的患者高表达Bmi1基因；Bmil基因在肝细胞癌组织中广泛表达，在低-中分化、高分化的肝癌细胞、癌旁和肝硬化细胞中都有发现［23］。这些说明，Bmi1基因可能是在肝细胞癌早期发展过程中起作用，而不是晚期。更重要的是在肝细胞癌发生的过程中存在p16Ink4a基因和p19Arf基因转录紊乱［24-25］。而且高表达Bmi1基因的肝细胞癌预后较差［23］。肝干细胞在动物模型中可以产生肝细胞癌［26］，因此肝干细胞可能是在Bmil基因过表达作用下，负性调控肿瘤抑制基因p16Ink4a和p19Arf基因，提高肝干细胞自我更新的能力，继而导致肿瘤的发生。

在肝癌细胞株中分离出的侧群（SP）细胞具有部分肿瘤干细胞的性质。通过逆转录病毒转染Bmil基因到SP细胞后，SP细胞自我更新能力提高，SP细胞扩增能力提高了8倍；CDl33阳性细胞在SP细胞中比例升高；SP细胞在裸鼠体内成瘤性提高，肿瘤早期侵袭性提高［27］。

4 展望

肿瘤干细胞和干细胞有很多相似性，二者都具有自我更新能力，肿瘤干细胞也表达许多干细胞的表面标志如CDl33、CD90等［28-29］。肿瘤干细胞对肿瘤的发生、发展、转移和预后都起关键的作用。Bmi1基因通过负性调控肿瘤抑制基因p16Ink4a基因和p19Arf基因，增强肝干细胞自我更新的能力，继而导致肿瘤的发生［4］。肝癌细胞中Bmi1基因表达上升，p16Ink4a基因和p19Arf基因转录紊乱。因此Bmil基因和肿瘤的发生密切相关。

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