滋养层干细胞分化调节相关因子的研究进展

庞凡，周君桂

在人类胎盘中，可以产生3种干细胞类型：来源于内细胞团的胚胎干细胞（ESC）、来源于滋养外胚层的滋养层干细胞（TSC）和来源于原始内胚层的胚胎外内胚层干细胞（EXE）。胚胎植入后，随着囊胚的不断扩大，滋养外胚层细胞根据其与内细胞团的邻近程度进行分化，形成与内细胞团相邻的极性滋养外胚层区域，在受精后第7天开始显示出功能分化。滋养外胚层首先分化为第一滋养细胞系——原始细胞滋养层细胞和多核原始合胞体；在受精后第9天左右，原始合胞体被原始细胞滋养层侵入，形成初级绒毛状结构；在妊娠5周（受精后约21 d）胎盘已形成成熟的绒毛结构。TSC位于绒毛膜中，可以作为干细胞保留下来，也可以分化为迷路滋养层细胞、海绵状滋养层细胞（SPT）、滋养层巨细胞（TG）或合胞体滋养层细胞[1]。

TSC是非常有价值的研究对象，它可以为自我更新机制及其分化成多种滋养层细胞类型的研究提供线索。尽管该细胞谱系对胚胎着床、胚胎发育进程和疾病易感性具有重要作用，但目前对TSC的理解却远远落后于ESC。自然界中，小鼠与人类在基因水平上高度同源，是良好的体外研究模型[2]，其TSC来源于胚泡和植入后胚胎的外胚层。通过对小鼠胚胎的体外实验，转录因子以及蛋白调节因子对TSC的作用已逐渐被了解。研究发现，在人成纤维细胞生长因子 4（FGF4）和转化生长因子 β（TGF-β）/活化素（activin）的作用下，小鼠TSC能持续增殖而不分化为其他滋养层细胞族系。CDX2、EOMES、ELF5和GATA3等转录因子也被证明对小鼠TSC保持自我更新状态起到关键作用[3]。现就近年发现的可调节TSC状态的相关转录因子、激酶与基因修饰酶类及蛋白调节因子等研究进展进行综述。

1 转录调节相关因子对TSC的作用

转录调节相关因子在TSC中的表达对于TSC的自我更新与介导细胞分化具有重要作用。除了众所周知的维持TSC干性的CDX2、EOMES、FGF4等转录因子外，还有其他转录调节因子可通过直接或间接作用调节TSC的状态。

1.1 促进TSC分化的转录调节因子

1.1.1 FOS相关抗原 1（FOS-related antigen 1，FOSL1）其是激活蛋白1（AP-1）复合物的组成部分之一，可作为多功能转录因子介导肿瘤发生及细胞侵袭。FOSL1在小鼠胚胎中过表达可诱导TSC分化相关基因高表达。但与其他重编程因子如ARID3A、CDX2和GATA3不同，FOSL1主要作为转录激活因子发挥作用[4]。

1.1.2 配子生成素结合蛋白2（GGNBP2）其是一种锌指蛋白，在精母细胞和精子细胞中大量表达。一些研究发现，敲除GGNBP2基因会导致小鼠精子细胞分化过程中存在变形缺陷，使成熟精子缺失，从而导致男性不育[5]。而在胎盘迷路区域中，GGNBP2缺乏可使TSC上c-Met表达失调，导致STAT3过度激活，TSC自我更新能力增强，非血管细胞巢扩张失控，造成血管间间隙减少，胎盘运输功能不全，阻碍细胞分化并促进凋亡。由此可见，GGNBP2在调节迷路滋养层干细胞分化中发挥重要作用[6]。

1.1.3 胎盘表达转录因子1（PLET-1）其可以诱导TSC中特异性基因的表达，如ELF-5的上调。研究发现，高PLET-1有利于小鼠TSC向TG分化，而PLET-1缺乏则优先诱导TSC向合胞体滋养层分化，证明PLET-1的水平可以使TSC分化的轨迹偏移。PLET-1在分化过程中的异常双相表达谱也说明其可能是平衡滋养层自我更新与分化的关键[7]。

1.1.4 Ets2抑制因子（Ets2 repressor factor，ERF）有研究敲除小鼠胚胎干细胞ERF基因后发现，这些胚胎干细胞系高度表达多能性标记基因，如OCT4、SOX2、NANOG等，说明敲除ERF基因的细胞系保持了自我更新能力和分化潜能[8]。另有学者对敲除小鼠胚胎ERF基因后造成的严重贫血、胚胎死亡现象进一步研究发现，ERF是红系前体细胞有效成熟为成熟红细胞所必需的细胞因子，对维持卵黄囊的造血功能具有重要作用[9]。ERF可以结合FGF2基因并抑制其在TSC中的转录与表达，而FGF2基因的缺乏将促进TSC分化，同时ERF可促进TSC向合胞体滋养层细胞谱系发展[10]。

1.2 诱导TSC自我更新的转录调节因子

1.2.1 同源框蛋白1/2（SATB1/2）SATB1和SATB2在维持干细胞状态的小鼠TSC中高表达，诱导分化后表达下降。SATB1或SATB2基因沉默可降低TSC的自我更新能力，促进其分化，而SATB蛋白高表达则促进TSC的增殖、抑制分化。其机制是通过调节TSC相关转录因子EOMES的表达进而影响TSC的自我更新[11]。另有研究发现，子痫前期患者的胎盘组织中，SATB1低表达的细胞氧化应激反应中活性氧簇（ROS）和丙二醛（MDA）的含量与炎症反应中P38、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）等含量均高于SATB1高表达的细胞，提示SATB1可调节胎盘组织中的炎症反应与氧化应激反应，在子痫前期的发生中发挥一定作用[12]。

1.2.2 TGF相关蛋白Nodal未成熟的Nodal是维持FGF4表达的必要因子，可诱导FGF4抑制小鼠外胚层早期差异标记基因MASH2的表达；其本身也可直接作用于外胚层以维持雌激素相关受体β（Esrrb）、CDX2和EOMES的表达，抑制小鼠TSC早熟分化[13]。然而成熟的Nodal蛋白对小鼠TSC没有调节作用[7]。同时，有研究发现Lefty蛋白在小鼠滋养层细胞中通过下调Nodal的表达从而促进滋养层细胞的增殖与侵袭，提示Nodal的表达对其他细胞调节因子有介导作用[14]。

1.2.3 雌激素相关受体β（Esrrb）既往研究证明，在小鼠TSC中Esrrb是FGF信号通路的下游靶点，通过直接结合和调节ELF5、EOMES等TSC特异性转录因子维持TSC的生长，对TSC的自我更新至关重要[15]。而在没有FGF4的情况下，Esrrb的表达亦可阻断TSC的快速分化，这一功能是通过直接结合和激活一组TSC特异性靶基因来发挥的，包括CDX2、EOMES、SOX2、FGFR4和 BMP4。此外，Esrrb还能取代诱导TSC形成的重要因子EOMES，实现小鼠成纤维细胞的重编程[16]。

1.2.4 ELF5（E74-like factor 5）其是一种在小鼠滋养层细胞中起关键作用的转录因子，ELF5的水平决定了TSC自我更新和分化的平衡。适当水平的ELF5对小鼠TSC干性的维持有重要作用；ELF5过表达可能会导致细胞脱离原本的增殖生态位，促使TSC走向分化进程[17]。

此外，研究发现有5个转录因子（TCFAP2C、EOMES、Ets2、GATA3 以及染色质重塑因子SMARCA4）在靶基因和转录调控通路上的共占位对TSC的自我更新有协同作用，其中以TCFAP2C、EOMES以及SMARCA4共占位最为常见[18]。

2 参与TSC分化调节的酶类及蛋白调节因子

在细胞进行自我更新与分化的过程中，作为细胞固有成分的结构蛋白、细胞间连接蛋白等对细胞的命运有一定影响。细胞内激酶及基因修饰酶可直接作用于与分化有关的基因从而调节细胞的状态。

2.1 蛋白调节因子对TSC的影响

2.1.1 缝隙连接蛋白（connexin，Cx）既往研究发现Cx在小鼠ESC中广泛表达，如Cx43、Cx45等。小鼠TSC只表达Cx31蛋白和Cx31.1转录本，而TSC分化后编码Cx26和Cx43的基因将被诱导表达[19]。研究发现，小鼠TSC中Gjb3基因（编码Cx31）缺陷可导致干细胞潜能丧失和TG方向分化增强。Cx31.1抑制干细胞标记基因Id2和ASCL2的持续表达，使TSC分化延迟，可提高TSC的增殖能力[20]。

2.1.2 肾上腺髓质素（adrenomedullin，ADM）以往数据表明ADM可调节滋养层细胞的生长、迁移和侵袭。研究发现ADM可促进小鼠TSC向TG分化，但不可单独诱导，且该诱导过程呈剂量依赖性；进一步研究发现ADM对TSC分化的促进作用是通过由CALCRL和RAMP2组成的ADM受体和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）磷酸化介导的[21]。

2.1.3 半乳糖凝集素1（Gal-1）已知在TSC的分化中，分化标志物Esrrb和EOMES水平下降，Plf、Ctsq和Tpbpa水平上升。有研究发现在分化培养基中，小鼠TSC与IK细胞共培养组的Esrrb和EOMES在诱导分化的1～3 d表达显著降低，Plf、Ctsq和Tpbpa在诱导分化的4～6 d表达显著升高，且发现小鼠TSC与IK细胞联合培养可以增加Gal-1的表达[22]。亦有研究在TSC诱导分化后的第4天和第5天检测到Gal-1 mRNA和蛋白的峰值，且发现Gal-1在小鼠卵母细胞和着床前胚胎中广泛表达，促进细胞分化[23]。以上均提示Gal-1具有促进TSC分化与侵袭的作用。

2.2 参与TSC分化调节的激酶与修饰类酶

2.2.1 应激激活蛋白激酶（SAPK，也称为JNK）细胞在应激状态下产生的SAPK可增加早期谱系TG相关基因表达，抑制晚期谱系海绵状滋养层和合胞体滋养层的基因表达，诱导转录因子介导TSC向TG分化[24]。小鼠TSC的应激状态有以下2种：①高渗压状态下SAPK对植入胚胎及其主要成分胎盘TSC有2种作用。高渗透压会影响体内平衡，抑制细胞增殖，导致细胞周期停滞并促使细胞凋亡；高渗透压也可能导致TSC在着床时分化。②缺氧状态（0.5% O2）下细胞产生SAPK，增加早期谱系的表达，晚期谱系的表达根据偏离最佳氧浓度（2% O2）的程度降低；尽管使细胞暴露于FGF4，24 h后仍会启动TSC分化，但该分化不能持续，4～7 d后，去除FGF4后缺氧对分化的诱导能力较弱[25]。

2.2.2 乙酰半乳糖胺转移酶3（GALNT3）对小鼠胚胎的研究发现，GALNT3在高尔基体中启动OGalNAc糖基化，且控制E-钙黏蛋白在TSC表面的定位，GALNT3的缺失将导致高尔基体内E-钙黏蛋白的存留。多项研究发现，GALNT3在人TSC、囊胚滋养层和人乳腺上皮细胞中均具有维持自身干性的保守功能。在人类胎盘中，GALNT3通过减少O-GalNAc糖基化诱导上皮间质转化，促进TSC分化[26]。

2.2.3 脯氨酰寡肽酶（POP）有研究证明POP对小鼠TSC向SPT和TG的分化有积极作用，且POP可以通过控制Ascl2基因调节TSC向SPT的分化[27]。POP抑制剂SUAM-14746可以有效抑制TSC向SPT和TG分化，该抑制剂的作用呈剂量依赖性[28]。

2.2.4 丝裂原活化蛋白激酶激酶4（MKK4）组蛋白氨基末端进行的乙酰化、甲基化等修饰主要由乙酰转移酶、脱乙酰酶等介导[29]。MKK4可以激活Src羧基端激酶结合蛋白（CBP）对组蛋白H2A/H2BAc的乙酰化，从而促进维持TSC上皮表型所必需的基因表达[30]。另有研究表明MKK4也可通过抑制组蛋白去乙酰化酶6（HDAC6）的活性，对上皮样分化重要基因的组蛋白H2A/H2BAc去乙酰化，介导TSC上皮间质转化。HDAC6的下调可恢复细胞上皮样特征，包括细胞-细胞粘连和屏障形成，如E-钙黏蛋白重新定位于细胞膜[31]。

2.2.5 染色体10/11易位蛋白1/2（Tet1/2）Tet可催化5-甲基胞嘧啶氧化为5-羟甲基胞嘧啶，这是DNA去甲基化的第一步。敲除Tet的小鼠TSC细胞株Ts-Rs26的研究显示，Tet1/2可以维持细胞周期蛋白B1的稳定，是细胞分裂周期从G2期到M期的必需物质。由此说明Tet1/2在促进TSC细胞分裂周期进程中发挥关键作用[32]。

3 结语

目前对胚胎的研究仍然处在初级阶段，TSC分化调节机制的研究也只是其中一个分支，仍有许多与TSC自我更新和分化有关的基因、因子及信号通路等有待探索。此外，由于伦理限制，目前对于TSC的研究大多停留在体外研究和动物实验，得出的成果对于人体胚胎仅可以作为参考。对于人类胎盘TSC仍需要进一步研究，以期为人类胎盘滋养层细胞分化相关妊娠疾病的防治提供理论基础。