_骨髓间充质干细胞向神经细胞分化的

_骨髓间充质干细胞向神经细胞分化的 中国组织工程研究 第16卷 第6期 2012–02–05出版 Chinese Journal of Tissue Engineering Research February 5, 2012 Vol.16, No.6 骨髓间充质干细胞向神经细胞分化的相关信号通路研究现状*★ 刘振东，王静成，杨建东 Current researches of signal pathways involved in bone marrow mesenchymal stem cells differentiation into nerve cells Liu Zhen-dong, Wang Jing-cheng, Yang Jian-dong Abstract BACKGROUND: Bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) can be induced to differentiate into nerve cells in appropriate culture conditions. OBJECTIVE: To review various signal pathways referred to the process of BMSCs differentiation into nerve cells. METHODS: The databases of KI and Web of Science were searched for the articles about BMSCs differentiation into nerve cells published from January 2001 to December 2010. The key words were “bone marrow mesenchymal stem cells, neural cells, signal” in Chinese and English. Finally, 19 articles were included in result analysis. RESULTS AND CONCLUSION: The relationship between cell signaling pathways is complex, and thus it is more accurate for the regulation of cell-specific responses. A series of signal transduction pathways involved in the regulation of bone marrow mesenchymal stem cells differentiate into nerve cells, including Ca2+ signaling pathway, protein kinase A signaling pathway, MEK-ERK pathway, PI3K/AKt signaling pathway, MAPK signaling pathway, which are interrelated with each other. Department of Orthopedics, Northern Jiangsu People’s Hospital, Yangzhou 225001, Jiangsu Province, China Liu Zhen-dong★, Studying for master's degree, Department of Orthopedics, Northern Jiangsu People’s Hospital, Yangzhou 225001, Jiangsu Province, China liu-zhd@163.com Correspondence to: Wang Jing-cheng, Professor, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, Northern Jiangsu People’s Hospital, Yangzhou 225001, Jiangsu Province, China 001wjc@sina.com Supported by: the National Natural Science Foundation of China, No. 81071466* Received: 2011-06-03 Accepted: 2011-08-04 Liu ZD, Wang JC, Yang JD. Current researches of signal pathways involved in bone marrow mesenchymal stem cells differentiation into nerve cells.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2012;16(6):1111-1114. [http://www.crter.cn http://en.zglckf.com] 摘要 背景：研究表明骨髓间充质干细胞被诱导分化成为神经细胞涉及的信号通路复杂多样。 目的：总结分析骨髓间充质干细胞向神经细胞分化过程中涉及的信号通路研究进展。 方法：应用计算机检索 KI 和Web of Science数据库中 2001-01/2010-12关于骨髓间充质干细胞分化为神经细胞的文章，以“骨髓间充质干细胞，神经细胞，信号”或“bone marrow mesenchymal stem cells，neural cells，signal”为检索词进行检索，重点对19篇文献进行分析。 结果与结论：细胞信号通路之间的关系错综复杂，相互之间或协调促进，或拮抗抑制，从而使得调节细胞的特异性应答更加精确。多条信号转导通路参与调控骨髓间充质干细胞向神经细胞分化，BMSCs向神经细胞的诱导分化过程中，所涉及的信 2+ 号通路也并非独立存在，包括Ca信号通路、蛋白激酶 A信号通路、MEK-ERK通路、PI3K/AKt信号通路、MAPK信号通路等，信号通路之间关系复杂，彼此相互关联存在。 关键词：信号通路；骨髓间充质干细胞；神经细胞；分化；综述文献 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.06.035 刘振东，王静成，杨建东．骨髓间充质干细胞向神经细胞分化的相关信号通路研究现状[J].中国组织工程研究，2012，16(6):1111-1114. [http://www.crter.org http://cn.zglckf.com] 0 引言 间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs) 是来源于中胚层的干细胞，主要存在于全身结缔组织和器官间质中，以骨髓组织中含量最为丰富，具有自我更新和增殖能力，在适宜的微环境里具有多向分化潜能。 1999年，Kopen等[1]首次将MSCs注射进新生鼠的中枢神经系统，并观察到了神经元和星形胶质细胞的形态和表型特征。 随后国内外许多学者开始探索研究MSCs向神经细胞的诱导分化。已有大量文献报道骨髓间充质干细胞(bone marrow derived mesenchymal stem cells，BMSCs)被诱导分化 成为神经细胞，其诱导分化机制至今仍不明确， 主要涉及转分化机制，细胞融合学说和潜能干细胞学说等。 近年来实验研究以转分化机制中生物化学及分子生物学等研究为多，研究所涉及的信号通路复杂多样。 文章主要就BMSCs向神经细胞分化过程中所涉及的信号转导通路进行了综述。 1 资料和方法 1.1 资料来源 由第一作者应用计算机检索KI数据库(http://search.cnki.net)和Web of Science 数据库(http://www.isiknowledge.com)相关文献。检索时间范围：2001-01/2010-12。 ISSN 1673-8225 21-1581/R CODEN: ZLKHAH 1111 www.CRTER.org 刘振东，等．骨髓间充质干细胞向神经细胞分化的相关信号通路研究现状 江苏省苏北人民医院骨科，江苏省扬州市 225001 刘振东★，男，1985年生，山东省德州市人，扬州大学医学院在读硕士，主要从事脊髓损伤修复的研究。 liu-zhd@ 163.com 通讯作者：王静成，教授，硕士生导师，江苏省苏北人民医院骨科，江苏省扬州市 225001 001wjc@sina. com 中图分类号:R318 文献标识码:B 文章编号: 1673-8225 (2012)06-01111-04 收稿日期：2011-06-03 修回日期：2011-08-04 (20110603003/W・W) 中文检索词为“骨髓间充质干细胞，神经细胞，信号”；英文检索词为“bone marrow mesenchymal stem cells，neural cells，signal”。共检索到文献94篇。 1.2 入选标准 纳入标准：①与论文研究相关性强。②以近 达谱变化，从而影响细胞命运。 Delcroix等[5]实验通过给予EGF-bFGF诱导MSCs分化，结果显示神经标记物Nestin，Pax6和Ngn2等水平上调，β-Ⅲ微管蛋白和神经微丝表达增加，分化过程中，ERK持续磷酸化，表明MSCs的神经分化过程中ERK通路介导参与。 Lim等[6]通过BDNF诱导MSCs向神经分化，实验测得神经谱系标记的表达量增加。磷酸化的ERK水平提高，同时还发现依赖于MAPK/ERK信号通路的P35、Bcl-2上调促成了BDNF刺激MSCs向神经分化。 Mruthyunjaya等[7]实验通过加入MEK，ERK抑制剂(U0126，PD98059)对照研究分析，证实加入抑制剂后阻止了神经细胞轴突的生长，认为MEK/ERK通路参与诱导神经细胞分化过程。 2.3 蛋白激酶 A信号通路 蛋白激酶 A 又称为依赖于cAMP的蛋白激酶A，蛋白激酶 A既可直接修饰细胞质中的底物蛋白，使之磷酸化后立即起作用，也可以进入细胞核磷酸化某些重要的核蛋白，其中多数是CREB(cAMP response element binding，cAMP效应元件结合因子)，调节基因的转录或，介导细胞对外界刺激的反应。 Lepski等[8]通过提高细胞内cAMP水平诱导MSCs向神经细胞分化，发现蛋白激酶 A信号通路在诱导过程中激活，在培养基内加入蛋白激酶 A通路抑制剂后，诱导分化消失，实验中磷酸化的CREB水平增加，而CREB是神经发生过程中一种重要的活性转录因子，在MSCs的体外成熟过程中磷酸化, 实验分析认为分化是建立在蛋白激酶 A相关联的信号通路上。 Jori等[9]通过提高胞内cAMP水平来诱导MSCs向神经细胞分化，通过分析生物化学信号发现诱导过程激活了经典的蛋白激酶 A信号通路。同时发现MEK-ERK通路促进了诱导神经细胞分化。 2.4 Notch信号通路 Notch 信号转导途径是在果蝇发育研究中发现的一条传导细胞间信号相互作用的途径。Notch 主要介导分化抑制信号，通过旁侧抑制机制起局部调控功能，当 Notch 信号系统被抑制时，干细胞进入分化程序，发育为功能细胞。 邢莹等[10]通过体外诱导人BMSCs向神经细胞分化，免疫化学方法检测到神经标记NSE 期发表文章为主，尤其是近5年左右。 排除标准：①重复性研究以及陈旧文献。② 与课相关性较弱的文献。③综述或Meta分析类文献。 1.3 质量评估 文献筛选和质量评价由第一作者独立进行，计算机初检得到 94篇文献，中文25篇，英文69篇。阅读标题和摘要进行初筛，排除因研究目的与此文无关的48篇，内容重复的研究27篇，最终保留19篇归纳总结。 2 结果 2.1 WNT信号通路 Wnt蛋白是一个富含半胱氨酸残基的分泌信号糖蛋白大家族，Wnt信号通路在神经发育中发挥重要的作用，参与神经干细胞增殖、分化的过程。当Wnt信号途径激活时，Wnt蛋白通过自分泌或旁分泌作用与细胞膜受体结合，激活细胞内信号通路，调节靶基因的表达，对细胞的增殖、分化、迁移和凋亡均起到重要作用。 Wislet-Gendebien 等[2]研究发现MSCs分化为神经细胞过程中，FZD1、FZD2、FZD5的表达量增加，而此3种蛋白均属于wnt信号受体。 王小梅等[3]研究采用bFGF诱导MSCs向神经细胞分化，证实碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor，bFGF )促进了MSCs向神经干细胞分化，发现wnt信号通路参与MSCs分化为神经细胞过程。 另有研究发现bFGF可以提高体外神经前体细胞内β-catenin的表达，而β-catenin是一类细胞黏附分子，在Wnt信号途径中处于中心位置，其在细胞内的数量和状态对该途径有决定性影响[4]。 2.2 ERK信号通路 细胞外信号调节蛋白激酶(extracellular signal-regulated kinases，ERK)通路是有丝分裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)中的一个重要通路，也是MEK (mitogen-activated protein kinase kinase)通路的惟一下游底物，级联信号通路激活后，可引起细胞内特异蛋白表 P.O. Box 1200, Shenyang 110004 cn.zglckf.com 1112 刘振东，等．骨髓间充质干细胞向神经细胞分化的相关信号通路研究现状 www.CRTER.org 表达、尼斯尔染色阳性，之后进行流式细胞仪测定细胞分裂周期，发现G(0)/G(1)期细胞的百分比在诱导后增加。RT-PCR检测发现诱导后Notch1、JAG1、PS1 和HES1 mRNA表达量较诱导前明显降低(均P < 0.05)，结果显示Notch信号分子在诱导分化中受抑制。研究认为Notch信号通路的抑制促进MSCs向神经细胞分化，这一结论也被后来的实验证实[11]。 2.5 Ca2+信号通路 Ca2+作为胞内信号的第二信使，是细胞传导生物学信号的重要方式之一，通过细胞内、外 Ca2+水平变化，而实现细胞信号传导。细胞的生长、增殖及分化与Ca2+信号均有密切的关系。 王新生等[12]和裴晶晶等[13]分别通过中药制剂黄芪和红景天苷诱导MSCs分化为神经细胞，研究结果发现实验诱导前后，Ca2+的浓度变化存在明显差异，而后者神经元特异性标记物表达使用Ca2+阻滞剂后对比发现， 显著下降。因此，研究推断Ca2+信号通路在MSCs分化为神经细胞中起重要作用。Lepski等[8]实验同样证实Ca2+信号促进了MSCs向神经细胞分化。 2.6 其他 Kemp等 [14] 疾病带来了希望，而且不存在伦理学和免疫排斥等问题，但目前研究还处于探索中，还存在很多的疑问，例如：①是否能够分化为真正的神经细胞，虽然证实了诱导分化能够表达神经细胞标志物，但有关神经电生理活动及改善损伤的神经功能方面尚没有得到充分证实。②分化需要诱导条件控制，如何使其按预定的途径进行分化增殖，而避免生成其他潜在危险因素。科学工作者们还需要进一步研究来阐明其分化机制、探索合理有效的诱导方法，以期将来能够更科学的进行临床治疗。 4 参考文献 [1] Kopen GC, Prockop DJ, Phinney DG. Marrow stromal cells migrate throughout forebrain and cerebellum, and they differentiate into astrocytes after injection into neonatal mouse brains.Proc Natl Acad Sci USA.1999;96:10711-10716. Wislet-Gendebien S, Hans G,Leprince P,et al.Plasticity of cultured mesenchymal stem cells: switch from nestin-positive to excitable neuron-like phenotype.Stem Cells.2005;23(3): 392-402. 王小梅,穆长征,马云胜.Wnt3a促进大鼠骨髓间充质干细胞向神经元样细胞的分化[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,14(23): 4363-4366. Shang YC,Wang SH,Xiong F,et al.Wnt3a signaling promotes proliferation,myogenic differentiation,and migration of rat bone marrow mesenchymal stem cells.Acta PharmacoI Sin.2007; 28(11):1761-1774. Delcroix GJR, Curtis KM, Schiller PC, et al. EGF and bFGF pre-treatment enhances neural specification and the response to neuronal commitment of MIAMI cells.Differentiation.2010;80(4-5): 213-227. Lim JY, Park SI, Oh JH, et al. Brain-derived neurotrophic factor stimulates the neural differentiation of human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells and survival of differentiated cells through MAPK/ERK and PI3K/Akt-dependent signaling pathways.Journal Of Neuroscience Research.2008; 86(10): 2168-2178. Mruthyunjaya S,Manchanda R,Godbole R,et al.Laminin-1 induces neurite outgrowth in human mesenchymal stem cells in serum/differentiation factors-free conditions through activation of FAK-MEK/ERK signaling pathways.Biochemical And Biophysical Research Communications.2010;391(1):43-48. Lepski G, Jannes CE, Maciaczyk J, et al. Limited Ca2+ and PKA-pathway dependent neurogenic differentiation of human adult mesenchymal stem cells as compared to fetal neuronal stem cells. Experimental Cell Research.2010;316(2):216- 231. Jori FP, Napolitano MA, Melone MAB, et al. Molecular pathways involved in neural in vitro differentiation of marrow stromal stem cells.Journal OF Cellular Biochemistry.2005;94(4):645-655. 邢莹,白瑞樱,鄢文海,等.人骨髓间充质干细胞向神经细胞分化过程中Notch通路信号分子表达的变化[J].生理学报,2007,59(3): 267-272. Zhao EY,Wang LD,Wen QQ,et al.Fasudil hydrochloride differentiates bone marrow mesenchymal stem cells into neurons via notch signaling.Neural Reg Res.2010; 5(11):814-819. 王新生,崔慧先,刘华,等.黄芪诱导骨髓间充质干细胞分化进程中细胞内钙离子浓度的动态变化[J].中国组织工程研究与临床康复, 2007, 11(42):8469-8472. 裴晶晶,吴润,赵红斌,等.Ca2+信号介导红景天苷促进小鼠骨髓间充质干细胞向神经细胞的定向分化[J].中国组织工程研究与临床康复, 2010,14(10):1808-1812. Kemp K,Hares K,Mallam E,et al. Mesenchymal stem cell-secreted superoxide dismutase promotes cerebellar neuronal survival. Journal Of Neurochemistry.2010;114(6): 569-1580. Liu L, Hu J, Sun B,et al. Mesenchymal stem cells inhibition of chronic ethanol-induced oxidative damage via upregulation of phosphatidylinositol-3-kinase/Akt and modulation of extracellular signal-regulated kinase 1/2 activation in PC12 cells and neurons.Neuroscience.2010;167 (4):1115-1124. Kaplamadzhiev DB,Hisha H,Adachi Y,et al. Bone marrow-derived stromal cells can express neuronal markers by DHA/GPR40 signaling.Bioscience Trends.2010;4(3):119-129. 郝怀勇,王永广,程峰,等.JAK2/STAT3信号通路调节骨髓间充质干细胞神经定向分化[J].中华实验外科杂志,2010,27(3),400. Wislet-Gendebien S, Wautier F, Leprince P, et al. Astrocytic and neuronal fate of mesenchymal stem cells expressing nestin.Brain Research Bulletin.2005;68(1-2):95-102. [2] [3] [4] 和Liu等 [15] 均报道了PI3K/AKt 通路参与了MSCs向神经细胞分化过程，且分别与MAPK信号通路和ERK1/2协同作用。除此之外，还有研究发现DHA/GPR40信号通路、JAK2/STAT3信号通路等也参与MSCs诱导神经分化的过程[16-17]。 细胞信号通路之间的关系错综复杂，相互之间或协调促进或拮抗抑制，从而使得调节细胞的特异性应答更加精确。如蛋白激酶 A信号通路可抑制PI3K，而后者是细胞内的信号蛋白，可控制多种细胞功能，包括增殖、凋亡以及迁移等。长期的抑制PI3K信号通路可导致β-catenin 磷酸化降低，而因此影响了wnt信号通路。PI3K/AKT信号通路中PI3K的调节亚基p85和催化亚基p110趋向到细胞膜处被激活时，可进一步激活CREB并与ERK通路共同调节CREB的活性[18-19]。 BMSCs向神经细胞的诱导分化过程中，所涉及的信号通路也并非独立存在，例如：Lepski等[8]实验发现Ca2+信号通路和蛋白激酶 A信号通路都参与转分化过程，Jori等[9]实验研究证实MSCs向神经细胞诱导过程中激活了经典的蛋白激酶 A信号通路，同时还发现MEK-ERK通路促进了分化。而Kemp和Liu等的实验不仅证实了PI3K/AKt信号通路的参与，还分别发现MAPK信号通路和ERK1/2也参与调控。Wislet-Gendebien 等[2]研究发现MSCs分化为神经细胞过程中，不但发现了wnt信号的受体，而且还发现ErbB2的表达量增多，而ErbB2可激活蛋白激酶 A信号通路。 3 讨论 BMSCs神经分化潜能的发现为临床治疗神经系统 ISSN 1673-8225 21-1581/R CODEN: ZLKHAH [14] [15] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] 1113 www.CRTER .org [19] Chang F, Lee JT, Navolanic PM, et al. Involvement of PI3K/Akt pathway in cell cycle progression, apoptosis, and neoplastic transformation:a target for cancer chemotherapy. Leukemia. 2003;17(3):590-603. 基金声明：国家自然科学基金资助项目(81071466)。 作者贡献：文章资料收集、成文由第一作者完成，审 校由王静成教授和杨建东博士完成，由第一作者对文章负 责。 利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经 济组织直接或间接的经济或利益的赞助。 伦理批准：没有与相关伦理道德冲突的内容。 刘振东，等．骨髓间充质干细胞向神经细胞分化的相关信号通路研究现状 此问题的已知信息：骨髓间充质干细胞具有多向分化 能力，不仅能够向着多个中胚层细胞分化，而且可以分化生成内胚层、外胚层衍生物，其中包括神经细胞。 本综述增加的新信息：针对骨髓间充质干细胞的向神 经细胞转分化机制所涉及的多条信号转导通路进行综述，信号转导通路复杂多样，相互关联。 临床应用的意义：骨髓间充质干细胞神经分化潜能的 发现为临床治疗神经系统疾病带来了希望，对脊髓损伤细胞治疗或基因治疗的种子细胞筛选起到指导意义。 P.O. Box 1200, Shenyang 110004 cn.zglckf.com 1114