核受體在干細胞的分化及功能調控中的作用

張紅霞，王 野，朱海英，胡以平

核受體作為信號轉導通路的下游成員，直接作用于基因表達調控的相關元件，參與基因表達的調控，進而干預干細胞的干性維持、自我更新、分化的方向和進程。同時，其表達的異常也會引發各種疾病的發生，因此，核受體成為人為控制細胞增殖和分化行為的新靶標。特別是隨著人們對核受體在臨床疾病研究和治療中的應用前景的認識加深，核受體在干細胞的增殖、分化和干性維持方面的作用的研究也日益受到重視，并取得了很多重要的進展。

1 參與胚胎干細胞自我更新和分化調控的核受體

眾所周知，Oct4、Sox2、Nanog等轉錄因子是胚胎干細胞自我更新相關調控體系的核心元件，在胚胎發育的早期，三者以特定的模式表達[1-2]。目前鑒定的核受體很多都是參與這些基因的表達調控或與這些蛋白相互作用從而在胚胎發育、胚胎干細胞自我更新和分化調控中起作用的[3]。

1.1 LRH-1(liver receptor homolog-1) LRH-1屬于核受體亞家族V，表達于早期胚胎內細胞團和外胚層。目前研究發現在胚胎干細胞中，LRH-1與Nanog，Sox2可以形成共聚物；在小鼠胚胎外胚層LRH-1可與Oct4的啟動子序列結合，調節Oct4的表達。LRH-1基因敲除小鼠的胚胎發育過程會于胚胎第7天中止[3]。LRH-1可增強Oct4、Sox2、Klf4和c-Myc重編程的效果，并且可以代替Oct4，但是不可以替代Sox2、Klf4。經LRH-1的突變體研究發現，LRH-1與DNA的結合位點對重編程十分關鍵，其配體對其結合部位無影響[4]。

1.2 Errs(estrogen-related receptor) Errβ參與小鼠胚胎干細胞的多能性的維持與調節。Errβ可以與Nanog結合來活化Oct4表達，參與干性和自我更新能力的維持，在ES細胞中過表達Errβ甚至可以代替LIF的作用[5]。Esrrb在體細胞重編程中可以代替Klf4[6]。最新的研究進一步提出Esrrb是一個Nanog的直接作用的靶基因，在多潛能細胞中可以代替Nanog作用[7]。

1.3 DAX-1(dosage-sensitive sex reversal, adrenal hypoplasia critical region, on chromosome X, gene 1) DAX-1是在小鼠早期胚胎發育中獨立存在的重要的核受體，在小鼠胚胎細胞的多向分化潛能的維持中起著重要作用[8]。 進一步研究發現其與Nanog一同對細胞行為進行調節。DAX-1在STST3，Oct4介導的信號轉導通路調控下，來維持胚胎干細胞的自我更新能力，同時可反饋抑制Oct4的轉錄活性[9]。

1.4 COUP-TF(chick ovalbumin upstream promoter-transcription factors) COUP-TF是進化上十分保守的核受體，在血管發生、神經系統發育、細胞分化、代謝穩態等方面起到核心作用[10]。近期又發現，COUP-TF能維持細胞對維甲酸的敏感性，在胚胎干細胞中，COUP-TF的過表達可誘導Nanog的表達上調[11]。

另外，核受體GCNF(germ cell nuclear factor 1)與COUP-TF在細胞分化晚期表達不同，核受體GCNF在分化早期已經表達上調。最近研究表明，GCNF與MBD2，MBD3和Dnmt1相互作用啟動了Oct4基因的抑制和DNA甲基化[12]。

2 參與神經干細胞分化及自我更新調控的核因子

神經干細胞具有自我更新和分化為所有類型神經細胞的能力。這里重點介紹的相關核受體(tailless homolog, TLX)、肝臟X受體(liver X receptor, LXR)和維甲酸受體(retinoic acid receptorβ, RARβ)等在神經細胞分化調控中起著關鍵作用。

2.1 TLX受體 TLX受體是在成年哺乳動物中樞神經系統中仍然表達的核受體，其在海馬齒狀回亞粒區、側腦室室下區高表達。現已證明，在發育期和成熟期的大腦中，TLX受體在維持神經干細胞自我更新中起著關鍵作用[13]。

TLX基因敲除小鼠的神經祖細胞的數量和增殖能力會明顯下降，細胞周期延長并過早地退出細胞周期，因而導致新皮層會顯著變薄。經電穿孔導入外源siRNA對TLX基因進行敲除，發現神經干細胞提前分化退出細胞周期[14]。成年TLX基因剔除小鼠的間腦會明顯縮小，并且出現嚴重的視網膜病變，表現出皮質發育不全、邊緣系統受損、認知障礙、不正常的社會行為，如攻擊性暴力。在進行TLX基因轉染后，癥狀有所緩解[15]。 臨床中也發現，一些皮質損傷和精神病患者的TLX基因發生了突變，這為此類疾病的早期篩查和治療提供了一種可行性方法。

研究還發現TLX基因與組蛋白脫氨酶HDAC5通過調節抑制分子基因p21和腫瘤抑制因子基因pten的表達來實現對自我更新的調節。破壞TLX-HDAC/LSD1的結合，也可促進神經干細胞的分化，這為治療神經退行性疾病提供了新的研究思路[16]。另外，研究發現TLX可激活Wnt-β-catenin信號通路來促進神經干細胞增殖。TLX缺陷導致的細胞增殖缺陷可被β-catenin的表達所挽救[17]。最新的研究發現核受體TLX 在出生后神經干細胞的激活中是必須的因子[18]。

2.2 維甲酸受體 RAR-RXR異二聚體是維甲酸受體，維甲酸與RAR結合后，會引起神經干細胞的分化、運動神經元軸突延長等。RAR和RXR各有3個亞型，分別有3個基因編碼(RARα, RARβand RARγ；RXRα, RXRβand RXRγ)。維甲酸通過活化相應基因上調轉錄因子、細胞信號分子、結構蛋白的表達來誘導神經干細胞和胚胎干細胞的神經向分化[19]。成年哺乳動物大腦、小腦皮質表達RARβ，其活化對維甲酸的神經營養作用必不可少。在體外，維甲酸通過活化RARβ來促進突起延長，從而修復坐骨神經損傷、脊髓的損傷[20]。維甲酸受體特異表達于星型膠質細胞和運動神經元，提示該受體與神經退行性疾病的發生發展可能存在密切關系，因此對維甲酸受體的深入研究在相關疾病的治療方面將有重要意義[21]。

2.3 LXR受體 LXR受體是受體依賴型核受體，可被羥固醇所激活。LXR與羥固醇結合后與RXR形成異二聚體，進而調整基因表達維持膽固醇的平衡和脂肪生成[22]。

近期發現，LXR在多巴胺能神經元的發生、發育中有著重要作用。LXR剔除可明顯影響中腦發育，LXR的過表達增強多巴胺能神經元的發育，是其正常發育的必要的因子[23]。

另外，視黃醇類X受體(retinoid X receptor, RXRs)、生殖細胞核受體(germ cell nuclear factor 1, GCNF)、甲狀腺激素受體(thyroid hormone receptor, TRs)、過氧化物酶體增生物激活受體γ(peroxisome proliferator activated receptorγ, PPARγ)、糖皮質激素受體(glucocorticoid receptor, GR)、雌激素受體(estrogen receptor, ER)和NUR相關受體1(NUR-related protein 1, NURR1)也被報道參與神經系統發育。

3 展望和結語

隨著人們對疾病的深入理解和治療手段的逐漸豐富，細胞的增殖和分化異常與疾病的發生、發展有著密切關系。核受體作為調控基因表達的直接因素，與細胞增殖、分化的關系不容忽視，但要達到全面而深入地認識這些特性并在臨床治療方面加以應用，還需要做更多的研究。

[參考文獻]

[1] Boyer LA, Lee TI, Cole MF, et al. Core transcriptional regulatory circuitry in human embryonic stem cells[J]. Cell, 2005, 122(15): 947-956.

[2] Silva J, Nichols J, Theunissen TW, et al. Nanog is the gateway to the pluripotent ground state[J]. Cell, 2009, 138(13): 722-737.

[3] Xie CQ, Jeong Y, Fu M, et al. Expression profiling of nuclear receptors in human and mouse embryonic stem cells[J]. Mol Endocrinol, 2009,23(10):724-733.

[4] Heng JC, Feng B, Han J, et al. The nuclear receptor Nr5a2 can replace Oct4 in the reprogramming of murine somatic cells to pluripotent cells[J]. Cell Stem Cell, 2010,6(2):167-174.

[5] Zhang X, Zhang J, Wang T, et al. Esrrb activates Oct4 transcription and sustains self-renewal and pluripotency in embryonic stem cells[J]. J Biol Chem, 2008, 283(51):35825-35833.

[6] Feng B, Jiang J, Kraus P, et al. Reprogramming of fibroblasts into induced pluripotent stem cells with orphan nuclear receptor Esrrb[J]. Nat Cell Biol, 2009, 11(2): 197-203.

[7] Festuccia N, Osorno R, Halbritter F, et al. Esrrb is a direct Nanog target gene that can substitute for Nanog function in pluripotent cells[J]. Cell Stem Cell, 2012, 11(4):477- 490.

[8] Khalfallah O, Rouleau M, Barbry P, et al. Dax-1 knockdown in mouse embryonic stem cells induces loss of pluripotency and multilineage differentiation[J]. Stem Cells, 2009, 27(7): 1529-1537.

[9] Sun C, Nakatake Y, Akagi T, et al. Dax1 binds to Oct3/4 and inhibits its transcriptional activity in embryonic stem cells[J]. Mol Cell Biol, 2009, 29(16):4574- 4583.

[10] Mullen EM, Gu P, Cooney AJ. Nuclear receptors in regulation of mouse ES cell pluripotency and differentiation[J]. PPAR Res, 2007,36(19): 61563.

[11] Zhuang Y, Gudas LJ. Overexpression of COUP-TF1 in murine embryonic stem cells reduces retinoic acid-associated growth arrest and increases extraembryonic endoderm gene expression[J]. Differentiation, 2008, 76(7):760-771.

[12] Gu P, Xu X, Menuet D, et al. Differential recruitment of methyl CpG-binding domain factors and DNA methyltransferases by the orphan receptor germ cell nuclear factor initiates the repression and silencing of Oct4[J].Stem Cells, 2011, 29(7):1041-1051.

[13] Shi Y. Expression and function of orphan nuclear receptor TLX in adult neural stem cells[J]. Nature, 2004,427:78-83.

[14] Li W, Sun G, Yang S, et al. Nuclear receptor TLX regulates cell cycle progression in neural stem cells of the developing brain[J]. Mol Endocrinol, 2008, 22(1):56-64.

[15] Roy K, Thiels E. Loss of the tailless gene affects forebrain development and emotional behavior[J]. Physiol Behav, 77(9):595-600.

[16] Sun G, Alzayady K, Stewart R, et al. Histone demethylase LSD1 regulates neural stem cell proliferation[J]. Mol Cell Biol, 2010, 30(8):1997-2005.

[17] Qu Q, Sun G, Li W, et al. Orphan nuclear receptor TLX activates Wnt/beta-catenin signalling to stimulate neural stem cell proliferation and self-renewal[J]. Nat Cell Biol, 2010, 12(1):31-40.

[18] Niu W, Zou Y, Shen C, et al. Activation of postnatal neural stem cells requires nuclear receptor TLX[J]. J Neurosci, 2011, 31(39): 13816-13828.

[19] Nomoto M, Takeda Y, Uchida S, et al. Dysfunction of the RAR/RXR signaling pathway in the forebrain impairs hippocampal memory and synaptic plasticity[J]. Mol Brain, 2012, 8(5):8.

[20] McCaffery P, Zhang J, Crandall JE. Retinoic acid signaling and function in the adult hippocampus[J]. J Neurobiol, 2006, 66(7):780-791.

[21] Maire Al, Alvarez S, Shankaranarayanan P, et al. Retinoid receptors and therapeutic applications of RAR/RXR modulators[J]. Curr Top Med Chem, 2012,12(6):505-527.

[22] Musso G, Gambino R, Cassader M. Cholesterol metabolism and the pathogenesis of non-alcoholic steatohepatitis[J]. Prog Lipid Res, 2013, 52(1):175-191.

[23] Theofilopoulos S, Wang Y, Kitambi SS, et al. Brain endogenous liver X receptor ligands selectively promote midbrain neurogenesis[J]. Nat Chem Biol, 2013, 9(2):126-133.