造血干细胞静息的分子调节研究进展

张立杰，李晓玉，蒲仕明,2,3

(1 广西师范大学生命科学学院，广西桂林541004；2 广西高校干细胞与医药生物技术重点实验室；3 广西师范大学生物医学研究中心)

造血干细胞(HSCs)是包括免疫细胞在内的所有血液细胞的共同前体，负责血液组织自稳态的终身维持与损伤修复。HSCs产生成熟细胞是一个多步骤、分化潜能递减的过程，这在小鼠和人HSCs的单细胞移植实验中均已得到证明[1,2]。HSCs首先分化为处于不同发育阶段或具不同潜能的祖细胞，如多能祖细胞、共同髓系祖细胞和共同淋系祖细胞等，然后形成终末成熟细胞如T细胞、B细胞、粒细胞、巨噬细胞、树突状细胞以及红细胞和血小板等[3]。由于终末分化血细胞通常为短寿命细胞，HSCs需要不停地“工作”，即持续分化形成新细胞以补充日常损失。然而，众多研究表明，在生理状态下，绝大部分HSCs尤其是长期造血干细胞(LT-HSCs)以静息或休眠态形式存在[4]。过去认为，HSCs静息是一种被动、“默认”的行为。目前获得广泛认可的观点则是，HSCs静息是一种主动、可逆并随时做出响应的“备战”状态；这样，不仅有利于HSCs长期存活并避免或减少DNA损伤和细胞耗竭，而且确保HSCs可以立即应对失血、骨髓移植等应激条件下机体的特殊需求[5]。因此，HSCs静息是其功能(自我更新与分化)正常发挥并能够终身维持血液组织稳态和损伤修复能力的基础；此过程受到由内外不同因子构成的复杂网络的严格调控。现从遗传、表观遗传和微环境调节3个方面就HSCs静息分子调控机制的研究进展综述如下。

1 造血干细胞静息的遗传调节

HSCs静息的遗传调节指参与此过程的细胞表面受体、信号转导子和转录因子等，其中以周期相关蛋白和转录因子研究最多，对这些分子的功能和作用的了解也相对清楚。静息态HSCs处于细胞周期G0期，HSCs激活后转入周期运行并在执行完“任务”后再回到G0期[6]。许多经典细胞周期相关蛋白被发现参与HSCs静息的调节，包括周期蛋白(Cyclins)、周期蛋白依赖性激酶(CDK)和周期蛋白依赖性激酶抑制剂(CKI)家族成员。细胞从G0进入G1期(退出静息态)和从G1进入S期分别依赖CDK4/6(通过与Cyclin D结合形成复合物)和CDK2(与Cyclin E结合)的激活。Laurenti等[7]报道，CDK6在短期造血干细胞(ST-HSCs)但不在LT-HSCs中表达；而强迫表达CDK6后，LT-HSCs退出静息的时间缩短并获得更强的竞争性重建能力。CKI存在INK蛋白(p16、p15、p18和p19等)和CIP/KIP蛋白(p21、p27和p57)两个亚族，分别抑制CDK4/6和CDK2。然而，除p18外，INK亚族成员在HSCs静息调节中的作用仍有待厘定；相反，CIP/KIP亚族的作用已较清楚。p21去除可导致系列骨髓移植中的HSCs耗竭[8]，p57起类似作用，而p27无明显效应；但是，同时敲除p27与p57则刺激HSCs中Rb磷酸化和核转位，可导致HSCs静息态丢失[9,10]。

转录因子参与HSCs静息、激活以及激活后的增殖、自我更新和分化或凋亡等的调节。迄今，已发现了众多与HSCs静息密切相关的转录因子，如p53、Scl/Tal1、ELF4、Foxm1和FoxO家族成员等。p53是细胞不同过程的主调控子之一,p53缺失促使HSCs进入周期，该作用依赖Gfi-1和Necdin但独立于p21介导的通路[11]。Scl/Tal1在LT-HSCs中呈高水平表达，抑制HSCs从G0进入G1期[12]。ELF4是少数已知的HSC静息的负调控子之一,ELF4敲除导致静息HSCs数量在体内增加，可能在HSCs静息维持与周期进入的选择中起重要作用[13]。Foxm1被证明为小鼠HSCs和人CD34+HSCs的静息维持所必须；下调Foxm1表达不仅降低静息HSCs，而且引发骨髓异常增殖综合征(MDS)[14]。

2 造血干细胞静息的表观遗传调节

表观遗传调节不仅影响染色质结构从而在更广的范围内(相比于转录因子)改变基因表达的模式，而且与转录因子介导的调节网络以及上游信号通路关联，扮演基因表达调控的协调者角色。因此，在过去约20年里，细胞表观遗传调节机制受到了极大的关注。表观遗传调控的主要方式是组蛋白修饰和DNA甲基化，其中组蛋白修饰可影响染色质结构及其可入性。迄今为止，组蛋白转译后的修饰包括乙酰化、甲基化和泛素化等，已经发现超过100个不同的组蛋白修饰位点[15,16]。Attema等[17]报道，多数情况下，发育相关基因通常呈现二价表观遗传特征，即带有H3K27me3抑制和H3K4me3激活标记，以使这些基因保持沉默或激活[18]，这是组蛋白修饰调节HSC的早期证据之一。研究表明，条件性敲除染色质结合蛋白sin3损害HSCs静息、分化和重建能力[19]。敲除基因Ezh2虽不影响HSCs的自我更新和H3K27甲基化，但Ezh2异位表达可导致HSCs和髓系细胞的显著增加[20]。DNA甲基化通过影响DNA构象，或其与蛋白质的相互作用而抑制基因表达。研究显示，DNA甲基转移酶3(DNMT3)在HSCs命运中扮演重要角色。敲除DNMT3a导致HSCs扩增但抑制HSCs分化[21]，双敲除DNMT3a和DNMT3b更加剧这一变化[22]。这表明DNMT3a和DNMT3b可能主要调控HSCs自我更新，且两者存在协同效应。催化DNA去甲基化的TET2同样参与HSCs自我更新的调节，而且在骨髓增殖性疾病中起关键作用[23]。有意思的是，Venkatraman等[24]研究发现，母系来源的甲基化是LT-HSCs得以维持静息态的关键因素；因为他们发现，条件性敲除母源(而非父源)H19上游的差异性甲基化区域，可下调HSCs的静息并损害其功能。

MicroRNAs为真核生物的非编码RNA，其功能近年来受到了特别的重视。研究表明，MicroRNAs在HSCs静息、自我更新、分化和衰老以及功能异变(如转化为肿瘤干细胞)中均发挥重要作用[25]。关于MicroRNAs调控HSCs静息的研究现状，可参阅新近文献，在此不再赘述。

3 造血干细胞静息的微环境调节

HSCs位处骨髓内被称为龛的特定区域，主要分布于骨内膜和血管/血窦周围[26,27]。HSCs龛为厌氧环境， HSCs在这种环境下处于低代谢水平，并主要通过无氧糖酵解获得能量[28]，为其静息维持提供了“物质”保障。更为重要的是，HSCs龛包含多种细胞(如血管内皮细胞、基质细胞、间充质干细胞、成骨细胞以及其他成熟免疫细胞等)、细胞外基质(ECM)和可溶性因子等，是HSCs与外界联系的主要媒介[29]，在HSCs稳态、应激和衰老等过程及其功能行为的调节中扮演关键的角色。HSC龛细胞主要通过分泌细胞因子和其他因子调控HSC的静息、存活和功能，如SDF-1/CXCL12、SCF/c-Kit、Ang-1/Tie1/2和TPO/c-MPL介导的途径等。其中，关于趋化因子SDF-1/CXCL12的研究最多，因而对其作用也相对了解。条件性敲除CXCL12可导致整个造血干/祖细胞群(HSPCs)的扩增和静息态LT-HSCs的减少；而用骨髓抑制剂5-氟尿嘧啶处理CXCL12敲除鼠后，HSCs呈向血窦附近集中的趋势，因为在骨内膜处未能观察到这些细胞[30]。与该研究结果相一致，敲除CXCL12的受体基因CXCR4则引起HSC过度增殖[31]。最近，两篇报道又为CXCL12-CXCR4途径提供了新的证据。Uckelmann等[32]发现，ECM衔接蛋白Matn4是HSCs应答应激的一个负调节因子，而其作用也由CXCR4介导。Asada等[33]报道，选择性地去除近微动脉细胞(表达NG2)或近血窦细胞(表达LepR)中的CXCL12，只有前一种情况才可观察到骨髓HSCs水平下降和定位变化；对干细胞因子(SCF)进行同样的试验，则得到相反的结果，亦即只有LepR+细胞中的SCF失活后导致HSCs下调。这项研究表明，不同龛细胞可能通过分泌特异因子选择性地调控HSCs静息[33]。

生理状态下，绝大部分(超过80%)HSCs以静息态存在。HSCs静息是其确保自身长期存活、功能正常发挥和终身维持造血与再生能力的关键所在。虽然已进行了大量研究，迄今对HSCs静息调节的确切分子机制仍未完全了解。此外，在感染、DNA损伤和肿瘤等应激条件下，HSCs通常脱离静息态而进入激活态。目前，关于应急诱导HSCs激活后的功能行为变化及其对机体免疫系统的影响，以及HSCs如何恢复到静息态等重要问题，尚有待深入研究。这些问题的解决不仅有助于弄清HSCs异常活化与疾病发生发展间的联系，而且有可能带来基于HSCs的临床处置策略的建立。