窖蛋白-1在干细胞的增殖分化及组织修复中的作用

1、窖蛋白-1在干细胞的增殖、分化及组织修复中的作用王亚君1),2), 3) ,韩朝3),刘晶3) (1) 辽宁师范大学生命科学学院,辽宁 大连 ;2) 辽宁省生物技术与分子药物研发重点实验室,辽宁 大连 ;3)大连医科大学附属第一医院中英再生医学应用研究中心,辽宁 大连 )摘 要 干细胞(stem cell)是一类具有自我复制能力(self-renewing)的多潜能细胞.在一定条件下,它可以分化成多种功能细胞,是组织修复和再生的重要资源.胞膜窖(caveolae)是细胞膜内陷形成的一种特殊的脂筏结构,含有丰富的胆固醇和鞘磷脂,在调节细胞內吞作用、蛋白质转运及细胞的信号转导中发挥重要作用.窖蛋白

2、-1(Caveolin-1,Cav-1)是组成caveolae的主要功能蛋白质,它不但参与caveolae的形成,在胆固醇平衡、膜泡运输等方面也起着重要的作用.最新研究发现,Cav-1在干细胞的增殖、分化及组织修复中发挥一定的作用.这里将Cav-1在干细胞中的主要作用进行综述.关键词 干细胞;窖蛋白-1;增殖;分化;组织修复中图分类号Function Of Caveolin-1 In Proliferation,Differentiation And Tissue Repair Of Stem CellWANG Ya-Jun1),2),3), HAN Chao3), LIU Jing3) 收稿

3、日期：2014-07-07 ；接受日期： 国家自然科学基金项目(No.,）*联系人 刘晶 E-mail：Received：july 07,2014 ;Accepted： Supported by National Natural Science Foundation of China(No.,)* Corresponding author Jing Liu E-mail：(1) College of Life Sciences, Liaoning Normal University, Dalian

4、, Liaoning, China; 2)Liaoning Key Laboratories of Biotechnology and Molecular Drug Research Development, Dalian , Liaoning, China;3)Center for Regeneration Medicine,First Affiliated Hospital of Dalian Medical University,Dalian ,Liaoning,China)Abstract Stem cells are multipotential cells,that have ex

5、tensive capacities for multilineage differentiation and proliferation.Stem cells can differentiate into multiple cell lineages,such as chondrocytes,hepatocytes and myocytes.Hopefully,they are interesting cellular sources for tissue repair and regeneration. Caveolae,characterized by high concentratio

6、n of cholesterol and glycosphingolipids,are described as 50- to 100-nm flask-shaped invagination within the plasma membrane and are thought to play a role in important physiological functions such as endocytosis,intracellular cholesterol transport and cell surface transport.Caveolin-1,a principal co

7、mponent of caveolae,was the first discovered structural component of caveolae lipid raft.In addition to regulating cholesterol transport,Caveolin-1 has the ability to bind diverse array of cell signaling molecules and egulate cell signal transduction in caveolae.Recent studies have found that Caveol

8、in-1 plays a certain role in proliferation,differentiation and tissue repair of stem cells.Here we will review that the vital role of Caveolin-1 in stem cells.Keywords: stem cell;caveolin-1;proliferation;differentiation; tissue repair 干细胞(stem cell,SC)即起源细胞,是一类具有多向分化潜能和自我复制能力的原始的未分化细胞.它存在于所有多细胞组织中,在

9、一定条件下,能经由有丝分裂与分化形成多种功能细胞,并通过自我更新提供更多干细胞.哺乳动物中,干细胞分为两大类,即胚胎干细胞(embryonic stem cell,ESC)和成体干细胞(adult stem cell).其中胚胎干细胞是从囊胚期的内细胞团(inner cell mass,ICM)和早期胚胎的原始生殖细胞(primordial germ cells,PGCs)中分离获得,它在体外具有高度增殖能力和多向分化潜能;成体干细胞来源于各种组织,是发育等级较低的多能干细胞或单能干细胞1.干细胞的发育受多种内在机制和微环境因素的影响.胚胎发育阶段,干细胞能分化为任何特化细胞,因此在组织工程和

10、再生医学领域具有巨大的作用潜能2.成体组织内,干细胞担任机体的修复系统,产生新的干细胞,或者按一定的程序分化,形成新的功能细胞,从而使组织、器官保持生长和衰退的动态平衡.胞膜窖(caveolae)是细胞膜内陷形成的一种特殊的脂筏结构,含有丰富的胆固醇和鞘磷脂.窖蛋白-1(Caveolin-1,Cav-1)是胞膜窖的主要结构成分,在细胞内吞、胆固醇运输、信号传导、肿瘤转化中发挥着重要的作用.研究表明,几乎所有正常细胞均有Cav-1的表达,因此推测Cav-1在多种细胞中均发挥着重要的作用.近期研究发现,Cav-1在干细胞的增殖、分化及组织修复中发挥重要作用3.本综述将结合最新研究进展阐述Cav-1

11、在干细胞中的作用. 1 Caveolin-1的结构和功能早在50年代,Palade4等在电子显微镜下发现,血管内皮细胞表面有一些颈瓶状的内陷结构.Yamada5等在膀胱上皮细胞表面发现同类结构,并将其命名为胞膜窖(caveolae).其后的研究揭示,胞膜窖其实是细胞质膜内陷所形成的囊状结构,直径约为50100 nm,主要由脂类和蛋白质组成.脂类主要包括胆固醇(cholesterol)、鞘磷脂(sphingomyelin)和鞘糖脂(glycosphingolipids);蛋白质成分主要包括窖蛋白(Caveolin,Cav)和脂质锚定蛋白(lipid-anchored proteins)等.Cav

12、由窖蛋白基因家族编码而成.哺乳动物窖蛋白家族包括窖蛋白-1(Cav-1)、窖蛋白-2(Cav-2)和窖蛋白-3(Cav-3)6.Cav-1通常与Cav-2共表达,并大量表达于内皮细胞、上皮细胞、脂肪细胞、成纤维细胞和平滑肌细胞.Cav-3主要表达于骨骼肌、平滑肌和心肌.Cav-1是第一个被发现的Cav亚型,分子量为2124 kD的整合膜蛋白,是胞膜窖的标志蛋白质.Cav-1的结构图和在质膜中的位置如图1(Fig.1)7.Cav-1不但参与胞膜窖的形成,在胆固醇平衡、膜泡运输等方面也发挥重要作用8,而且还可以与多种信号分子结合,激活或抑制细胞内不同信号通路,调节相关基因的表达9,进而参与细胞的生

13、长与增殖、肿瘤发生10和神经再生11等过程.Fig.1 Structure of Caveolin-17. A, Important functional domains and phosphorylation site of Caveolin-1. Amino acid positions are depicted above the scheme. Y14, phosphorylation site at tyrosine 14. B, Localization of Caveolin-1 in the plasma membrane 本室前期研究发现,Cav-1在多种细胞中发挥重要作用.

14、在肝细胞中,Cav-1发挥抑制过度增殖和维持肝再生的双重作用12;在乳腺上皮细胞中,Cav-1负调控TLR4活化MAPK信号通路,促进免疫相关基因的表达13.在乳腺癌细胞中,Cav-1与雌激素受体ER-36相互作用,调节膜起始的雌激素信号通路,控制乳腺细胞转化14;在神经细胞中,Cav-1与动物发育和学习记忆密切相关,可参与中枢可塑性的调节15,16.Cav-1也参与调控细胞对外界毒素的敏感性以及细胞的损伤修复17. 2 Caveolin-1调节干细胞增殖细胞增殖是生物体的重要生命特征,是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础.生物体要维持细胞数平衡和机体的正常功能,必须依赖细胞增殖,细胞增殖要受

15、到严密的调控机制所监控.最近研究发现,Cav-1作为肿瘤抑制基因可参与调控干细胞的增殖.已知细胞表面受体与信号分子的结合是决定细胞信号转导的重要因素.Cav-1含有caveolin脚手架结构,可以与多种信号分子结合,从而参与调控不同的信号通路,进而影响细胞的生命活动过程.Peffer 等18在神经干细胞中研究发现,Cav-1可以调控糖皮质激素活化丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)19,而MAPK 将影响糖皮质激素受体的转录.已有相关研究证明糖皮质激素会促进神经干细胞的增殖20,因此证明Cav-1将影响干细胞的增殖. Park等21研究发现Cav-1在表皮生长因子(epidermal growth

16、factor,EGF)诱导的小鼠胚胎干细胞的细胞增殖中发挥了重要作用.EGF可以使Cav-1磷酸化,活化的磷酸化Cav-1将激活PI3K/Akt信号通路,促进细胞周期从G1期进入到S期,促进了胚胎干细胞的增殖.此外,另有研究证明敲出小鼠脑内的ERK2基因会显著降低神经干细胞的增殖能力,表明ERK1/2信号参与调控神经干细胞的增殖22.Jasmin等23在成熟小鼠脑室下区研究发现,Cav-1负调控增殖相关信号通路ERK1/2,因此负调控干细胞的增殖.Baker 等也研究发现,通过siRNA敲低Cav-1会显著促进间充质干细胞的增殖24.提示,Cav-1可以负调控间充质干细胞的增殖可能是由于增殖相

17、关的信号分子与Cav-1的结合被抑制.3 Caveolin-1调节干细胞分化细胞分化是生物界普遍存在的生命现象,是一种持久性的变化过程.多细胞生物经细胞分化会形成不同的细胞和组织.间充质干细胞(mesenchymal stem cell, MSC)是存在于骨髓、脂肪、骨实质、胎盘及骨骼肌等多种组织中的干细胞,具有向骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞分化的功能25.MSC经过适当的调控机制可分化为肌肉细胞、神经元样细胞、上皮细胞、内皮细胞和肝细胞26-28.已有研究发现大量的诱导剂通过活化不同的信号通路可诱导MSC分化为神经元,其中多数的信号通路起源于细胞膜29-31.并且越来越多的研究已经发现Cav-

18、1在干细胞的细胞信号转导中发挥了重要作用32.Wang等33利用siRNA技术,下调小鼠骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells ,BMSC)中Cav-1的表达,结果发现,细胞内Notch信号通路被抑制.Notch信号通路已经被证明在MSC分化为神经细胞中发挥了负调控作用34,因此证明Cav-1可以负调控BMSC的神经向分化.Li和Luo 等35利用Cav-1基因敲除小鼠模型研究发现,Cav-1通过抑制VEGF信号通路的活化,而抑制神经祖细胞的神经向分化.这主要是由于已有研究证明VEGF信号可以活化调控细胞分化的胞外信号调节激酶(ERK)或p44/

19、42MAPK信号通路.同时也有研究发现Cav-1在神经干细胞向星形胶质细胞分化中发挥着重要作用.神经干细胞中高表达Cav-1增加了NICD、Hes1蛋白的水平以及星形胶质细胞的数量,提示Cav-1可以调节Notch1/NICD信号通路促进神经干细胞向星形胶质细胞分化36.此外,Cav-1可以与骨形态发生蛋白(Bone Morphogenetic Protein,BMP)型受体结合,调控BMP信号通路,进而影响MSC的成骨分化能力.敲低人类间充质干细胞中Cav-1的表达,碱性磷酸酶(ALP)活性会增加,提示Cav-1负调控MSC的成骨分化过程.然而在MSC成骨分化过程中Cav-1表达增加,表明C

20、av-1在成骨分化过程中可能发挥了负反馈调节作用以稳定细胞表型3.与此结果一致,Cav-1敲除小鼠与野生型小鼠相比,骨骼的体积较大且BMSC的成骨分化能力较强37.4 Caveolin-1调节组织修复组织修复是机体对各种有害刺激、致伤因素作用所造成损伤的一种重要的防御适应反应.众所周知,大多数动物的组织和细胞再生及修复能力有限.而干细胞是具有多向分化潜能的原始细胞.适度调节干细胞的归巢、分化和增殖等活性,可促进组织修复.肿瘤被认为是一种特殊的不愈合创伤.已有研究表明,BMSC具有对组织的损伤趋化性,在组织的损伤修复中发挥了重要作用.许等38在 A549肺癌荷瘤小鼠模型上研究证实,由于BMSC对

21、组织的损伤趋化性,在发生创伤时,BMSC被趋化至创伤部位,在肿瘤微环境中向成纤维细胞方向分化,参与肿瘤间质的形成和构建,分泌血管内皮生长因子、肝细胞生长因子、白细胞介素6、肌糖蛋白C等促进肿瘤的生长修复. Cav-1可以调控干细胞分化过程,因此提示Cav-1在组织的损伤修复过程发挥了重要的调控作用.Rathor等研究肠上皮细胞损伤修复的机制时发现,Src激酶通过诱导Cav-1磷酸化而活化Cav-1介导的Ca2+信号通路,促进肠上皮损伤修复39.Volonte等人研究发现,在小鼠骨骼肌细胞中,下调Cav-1表达将活化p42/44MAPK信号通路,刺激肌源性前体细胞增殖和迁移,进而促进肌肉的损伤修

22、复40.然而,另有研究表明,Cav-1过表达会抑制小鼠肌肉再生.过表达Cav-1的肌源性前体细胞不能分化、迁移和增殖,证明Cav-1也可以负调控小鼠肌肉损伤修复 41.上述结果提示,Cav-1可以双重调控组织的再生和修复过程.因此,需要进一步研究以确定Cav-1在组织修复中的作用.5 Caveolin-1调节干细胞归巢与转移细胞迁移在组织再生和修复过程中发挥重要作用42,是干细胞的重要特性之一,也是损伤修复、胚胎发育、组织再生、血管生成和新陈代谢等某些细胞生理、病理过程中细胞适应外界环境变化的关键步骤43,44.细胞迁移需要不同信号分子、胞膜窖和窖蛋白等的参与44.胞膜窖和窖蛋白在细胞迁移中的

23、作用仍不明确,尚存在争议.Park等45研究整合素蛋白对小鼠胚胎干细胞迁移的影响,结果表明:Cav-1在整合素蛋白活化Na+/H+交换物1(Na+/H+ exchanger,NHE-1)促进胚胎干细胞(embryonic stem cell,ESC)的迁移和增殖过程中发挥了积极的调控作用.前期的研究已经发现,整合素位于胞膜窖中,可以活化RhoA信号,而RhoA 信号在胞膜窖中的分布可以受Cav的调控,并且RhoA 信号通路的下游信号分子可以影响NHE的表达.因此表明,Cav-1可以调控ESC的迁移.Feng Gao等46研究发现,在MSC中,热休克蛋白90(Heat Shock Protein

24、 90,Hsp90)可以激活PI3K/Akt 和ERK1/2信号通路,促进MSC的细胞迁移.已有研究证明Cav-1可以调控PI3K/Akt 21和ERK1/223信号通路,因此推测Cv-1可能在MSC迁移中发挥着重要的作用.6 问题与展望干细胞作为起源细胞,具有多向分化潜能和自我复制能力.临床的干细胞治疗是把健康的干细胞移植到病人体内,以达到修复病变细胞或重建功能正常的细胞和组织的目的.因此需要对干细胞的生命活动进行精确的调控.Cav-1不但参与调控干细胞的一些生命活动过程,包括干细胞的增殖、分化、归巢与转移等,而且也参与组织损伤修复及自我更新.然而Cav-1功能的复杂性,决定在不同细胞中的作

25、用不同,因此我们需要进一步研究Cav-1在干细胞增殖、分化及组织修复中的信号转导机制,为临床研究干细胞的应用提供新的思路.参考文献(References) 1Rubio D,Garcia-Castro J,Martn M C,et al. Spontaneous human adult stem cell transformationJ. Cancer Res,2005,65(8):3035-30392Rippon H J,Bishop A E.Embryonic stem cellsJ.Cell proliferation,2004,37(1):23-343Baker N,Tuan R S.

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