陷窝蛋白-1与干细胞衰老、自我更新的研究进展

孙月彤，张炳强，邹伟，3

1.辽宁师范大学 生命科学学院，辽宁 大连 116081；2.卫生部细胞移植重点实验室临床中心，山东 青岛 266000；3.辽宁省生物技术与分子药物研发重点实验室，辽宁 大连 116081

1 陷窝蛋白-1与细胞的增殖及衰老

1.1 陷窝蛋白-1与细胞增殖

1953 年，通过电子显微镜人们首次发现了一种特殊的脂筏结构——胞膜窖（caveolae），该结构位于细胞质膜上，总体呈倒“Ω”状，内部富含丰富的胆固醇和鞘磷脂[1]。陷窝蛋白-1 是细胞膜上的一种整合膜蛋白，是形成胞膜窖的主要膜内在蛋白，在保持胞膜窖的完整性、小胞的运输、信号的传导中起着一定的作用[2]。陷窝蛋白家族成员的N 端具有发夹结构，C 端氨基酸残基则形成位于细胞质内的脚手架区域（caveolin scaffolding do⁃main，CSD），CSD 使陷窝蛋白以二聚体方式镶嵌在胞膜窖结构上，并有利于陷窝蛋白通过CSD 结构与胞内其他信号分子蛋白结合，进一步影响信号通路的激活，参与细胞的生理和病理过程[3]。其中，陷窝蛋白-1 在内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞和脂肪细胞等终末分化细胞中含量丰富，通过对相关信号通路的激活或抑制参与调控细胞的增殖、凋亡和分化等生长发育过程[4]。

本室前期研究发现，在人乳腺细胞MCF10A中，陷窝蛋白-1 基因沉默促进乳腺上皮细胞PI3K/AKT 信号通路的激活，同时加强了其与增殖信号通路MEK/ERK 的相互作用，增强了乳腺细胞的增殖能力[5]。与之一致的是，陷窝蛋白-1 通过影响脂滴的功能而影响肝再生的必需物质甘油三酯的形成，进一步达到抑制肝细胞过度增殖及介导维持肝再生的作用[6]。

在肿瘤细胞中陷窝蛋白-1 对细胞增殖发挥着不同的调控作用。Wang 等通过siRNA 技术敲低陷窝蛋白-1 表达以研究陷窝蛋白-1 与人乳腺癌BT474 细胞增殖、转移之间的关联。结果显示，陷窝蛋白-1 敲低能够减少BT474 细胞内ERK1/2通路的活化并抑制细胞周期蛋白D1 和c-Fos 的表达。证明了陷窝蛋白-1 敲低对BT474 细胞具有肿瘤抑制作用[7]。Yang 等发现，在人大肠癌细胞中，陷窝蛋白-1 的过表达显著降低了体外人大肠癌细胞的增殖、迁移和侵袭，且陷窝蛋白-1 的表达水平与增殖标志蛋白Ki-67 的表达水平呈负相关[8]。

Liu 等的研究还发现陷窝蛋白-1 可以通过长链非编码RNA——HOTAIR 促进肺癌细胞的增殖和侵袭。研究指出陷窝蛋白-1 和HOTAIR 在肺癌组织和细胞系中的表达高于正常肺组织和正常肺细胞系，陷窝蛋白-1 可以调控HOTAIR 的表达，且细胞增殖能力和侵袭能力均受陷窝蛋白-1的调控，敲低HOTAIR 的表达则逆转了由陷窝蛋白-1 诱导的肺癌细胞增殖。这表明，陷窝蛋白-1通过HOTAIR 促进肺癌细胞增殖和侵袭[9]。

以上研究结果提示，陷窝蛋白-1 在不同的组织细胞中均有表达，但陷窝蛋白-1 功能的发挥具有组织特异性。

1.2 陷窝蛋白-1与细胞衰老

近年来的研究表明，陷窝蛋白-1 在细胞衰老中起重要的调控作用，主要通过调节p53-p21 及p16-Rb 衰老相关信号通路、胰岛素信号及雌激素信号等途径调控细胞衰老进程[10]。陷窝蛋白-1在不同细胞衰老过程中发挥的作用也不尽相同。

细胞衰老是细胞处于相对稳定但缓慢走向凋亡的状态。Xu 等在研究缺氧诱导星形胶质细胞凋亡中发现，缺氧性损伤的初级星形胶质细胞陷窝蛋白-1 表达显著降低，用siRNA 下调陷窝蛋白-1，减弱了缺氧性损伤诱导的细胞凋亡[11]。Zhu等研究发现，β-胡萝卜素通过陷窝蛋白-1/AKT/NF-κB 信号通路诱导人食管鳞癌细胞（esopha⁃geal squamous cell carcinoma，ESCC）凋亡，抑制ESCC 的 生长[12]。

Powter 等在H2O2诱导的内皮细胞（endothelial cells，EC）氧化应激衰老模型中发现胞膜窖的数量和相关蛋白质陷窝蛋白-1、Cavin-1 和Cavin-2的表达均显著增加，而TNF-α诱导的NF-κB 蛋白的激活则在衰老EC 中被显著抑制，通过siRNA 敲低陷窝蛋白-1 消除了这种对NF-κB 蛋白激活的抑制作用，并进一步逆转了EC 细胞的氧化应激衰老进程。结果表明，衰老EC 中的胞膜窖及其组分蛋白质的增加与抑制NF-κB 信号传导途径和促进氧化应激衰老有关[13]。

有趣的是，Yu 等研究了陷窝蛋白-1 在人类二倍体成纤维细胞、A549 细胞、HCT116 细胞和陷窝蛋白-1-/-小鼠胚胎成纤维细胞衰老中的作用，发现下调陷窝蛋白-1 表达通过p53-p21 通道诱导细胞衰老，降低了线粒体呼吸作用，结果表明陷窝蛋白-1 缺陷会通过线粒体功能障碍诱导细胞早衰[14]。

陷窝蛋白-1 在细胞衰老进程中起重要的调控作用，而其发挥作用的调控途径又复杂多样。以上研究表明，陷窝蛋白-1 的异常表达可能参与了某些衰老相关疾病的发生，陷窝蛋白-1 的异常表达可能成为这些疾病发生的诊断标志。此外，通过调节陷窝蛋白-1 的表达，对于预防或治疗衰老相关疾病有极其重要的意义。研究陷窝蛋白-1 在细胞衰老中的作用，为衰老相关疾病的诊断、治疗提供了重要的治疗靶点。

2 陷窝蛋白-1与干细胞增殖、分化及衰老

2.1 陷窝蛋白-1与干细胞增殖

干细胞的重要特点之一是自我更新，是指干细胞通过对称分裂，形成2 个相同的干细胞。干细胞的自我更新与干细胞的增殖密切相关。很多研究表明，陷窝蛋白-1 作为细胞信号转导的平台，参与多种细胞的增殖，位于胞膜窖中心的生长因子受体能与陷窝蛋白-1 的CSD 结合，激活或抑制增殖相关信号通路[15]。表皮干细胞（epider⁃mal stem cells，ESC）增殖是皮肤损伤愈合及疤痕修复的关键所在，Yang 等研究表明陷窝蛋白-1 的过表达能够促进ESC 的增殖，从而加速皮肤伤口的愈合，而他们前期的另一项研究结果表明ESC可以通过Notch 信号途径加速糖尿病患者的伤口愈合，因此Yang 等猜测陷窝蛋白-1 可能通过Notch 信号 通路 调 节 ESC 的 增殖[16-17]。Peffer 等 研究发现陷窝蛋白-1 通过介导MAPK 调控神经干细胞（neural stem cells，NSC）的增殖，当下调陷窝蛋白-1 时，NSC 的增殖被抑制[18]。有趣的是，Jas⁃min 等研究发现，在小鼠大脑内陷窝蛋白-1 则通过Erk1/2 负调控成体NSC 的增殖，在此研究中，陷窝蛋白-1 敲除小鼠的大脑上增殖标志物Ki-67 阳性细胞核数量增加，同时成体NSC 的增殖能力上升，这一作用是通过对Erk1/2 信号通路的调控实现的[19]。陷窝蛋白-1 除了在干细胞增殖中发挥调控作用之外，也被证实可以与增殖相关信号分子结合，并通过这种结合作用来抑制间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSC）的增殖[20]。

以上研究提示我们，陷窝蛋白-1 在不同种类的干细胞中发挥着不同的增殖调控作用，通过对不同的信号通路蛋白进行激活或抑制，对干细胞的增殖起到促进或抑制的作用。

2.2 陷窝蛋白-1与干细胞分化

近年来的研究表明，陷窝蛋白-1 不但影响干细胞的增殖，还可以影响干细胞定向分化[21-23]。Wang 等用siRNA 技术敲低陷窝蛋白-1 在小鼠骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSC）中的表达，发现细胞生存能力下降，但向神经元样细胞的分化效率增加[24]。Li等在NSC 向星形胶质细胞分化进程研究中发现，NSC 中陷窝蛋白-1 的高表达，可以促进NSC 向星形胶质细胞的分化[25]。陷窝蛋白-1 还可以与骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）Ⅱ型受体结合，调控BMP 信号通路，进而影响hBMSC 的成骨分化能力。该结果提示，陷窝蛋白-1 能够负向调控MSC 的成骨分化过程[26]。随后有研究进一步证明，陷窝蛋白-1 对MSC 成骨分化的负向调控是通过抑制胞膜窖内PI3K/Akt 信号传导实现的[27]。干细胞的肝样分化也与陷窝蛋白-1 浓度变化密切相关，研究表明，人脂肪间充质干细胞（human adipose-derived mesenchymal stem cells，hADSC）在未分化时陷窝蛋白-1 表达水平较低，但向肝分化时陷窝蛋白-1 及p-MAPK的表达水平均升高，这表明陷窝蛋白-1-MAPK 信号通路在hADSC 肝分化中起重要作用[22]。据此，有人推测胞膜窖可能提供合适的微环境，与细胞膜上控制细胞增殖的信号通路相互作用，通过陷窝蛋白-1 表达短暂的增高和降低调节相关的信号通路以稳定干细胞的表型。

这些研究结果表明，陷窝蛋白-1 不但是干细胞增殖和分化的重要信号分子，也可能是调控自我更新机制维持干细胞干性的关键蛋白。

2.3 陷窝蛋白-1与干细胞衰老

Park 等在研究中发现，衰老的hBMSC 中衰老相关蛋白p53、p21 表达增加，同时陷窝蛋白-1 表达也随之显著增加，过表达早期hBMSC 中的陷窝蛋白-1，细胞提前进入衰老状态，同时细胞成脂分化能力减弱，说明陷窝蛋白-1 参与了hBMSC 的衰老进程的调控[28]。不同的是，在肿瘤干细胞中，陷窝蛋白-1 的这种调控作用似乎是相反的。Lu⁃anpitpong 等在对肺癌干细胞的研究中发现，陷窝蛋白-1 的表达与衰老相关蛋白p53 的表达呈负相关，当陷窝蛋白-1 表达显著升高时，p53 蛋白显著下降[29]。以上研究结果表明，陷窝蛋白-1 在不同干细胞的衰老中发挥着不同的调控作用。近年来有关陷窝蛋白-1 参与干细胞衰老调控的研究十分稀少，或许与调节干细胞增殖及分化相一致，陷窝蛋白-1 可能通过与多种信号通路相结合参与干细胞衰老的调控，但仍待研究证明。

3 结语

近年来，干细胞的临床应用已成为热点话题，尤其是间充质干细胞已被广泛应用于神经系统疾病治疗、组织损伤修复、造血干细胞移植及自身免疫性疾病治疗中。而干细胞扩增所导致的衰老问题也成为制约干细胞产业发展及应用的重要因素，陷窝蛋白-1 已被证实与多种肿瘤细胞的增殖、侵袭和干细胞的自我更新及衰老相关，但针对陷窝蛋白-1 与干细胞衰老相关性的现有研究仍很少。陷窝蛋白-1 对干细胞的调节是双向的，在不同干细胞中其调节作用既可能是正向的也可能是负向的。陷窝蛋白-1 是一把双刃剑，如何正确运用陷窝蛋白-1 的浓度变化并调控其与相关信号通路之间的联系仍待进一步研究。相信未来人们可以通过对陷窝蛋白-1 的调控来实现间充质干细胞的长期年轻态。