P53對(duì)胚胎干細(xì)胞分化的影響及作用機(jī)制

史晉叔，涂懷軍，張 娟，李 劍

(南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院1.血液重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.神經(jīng)內(nèi)科;3.南昌大學(xué)研究生院醫(yī)學(xué)部，江西南昌330006)

腫瘤抑制基因P53 是目前研究最為廣泛和系統(tǒng)的抑癌基因之一，它在癌組織中表達(dá)率低于正常組織，野生型P53 參與了DNA 損傷修復(fù)、細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞凋亡及抑制血管生成等過(guò)程［1－2］。它與人類腫瘤的發(fā)生發(fā)展關(guān)系極為密切，幾乎在所有的人類腫瘤中均存在P53 信號(hào)通路的異常。P53 通過(guò)介導(dǎo)一種可逆的抑制細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程或是誘導(dǎo)細(xì)胞衰老、凋亡來(lái)防止細(xì)胞惡變，因此P53 常被作為腫瘤治療的靶點(diǎn)［3］。

近年來(lái)，隨著胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells，ESCs)研究的不斷深入，其具有無(wú)限自我增殖能力和多向分化潛能的特性使其可被應(yīng)用于生命科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，具有廣闊的臨床應(yīng)用空間，而ESCs 臨床應(yīng)用的前提則是其增殖與分化機(jī)制的明確。鑒于ESCs 與腫瘤在無(wú)限增殖等方面存在的相似性，那么P53 對(duì)ESCs 是否存在與腫瘤相似的調(diào)控機(jī)制呢?已有科研工作者開(kāi)展了有關(guān)P53 對(duì)ESCs 干性影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，證明P53 確實(shí)可調(diào)控ESCs 的分化。

P53 具體是通過(guò)哪些物質(zhì)或是信號(hào)通路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ESCs 的調(diào)控的呢?本綜述將從P53 上調(diào)促進(jìn)ESCs 分化和P53 下調(diào)抑制ESCs 分化兩個(gè)方面來(lái)逐一進(jìn)行分析:

1 P53 上調(diào)促進(jìn)ESCs 分化

細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)P53 活性功能主要通過(guò)泛素化、乙酰化或磷酸化等途徑。因P53 的激活是細(xì)胞應(yīng)對(duì)不同類型應(yīng)激的中心環(huán)節(jié)，所以P53 活性的激發(fā)必須被嚴(yán)格控制［4］。正常情況下，P53 通常通過(guò)不斷的被泛素連接酶HDM2(也叫MDM2，ubiquitin ligase)泛素化和降解保持在較低水平。當(dāng)ESCs 受刺激時(shí)，P53 磷酸化，導(dǎo)致HDM2 介導(dǎo)的P53 降解被關(guān)閉，具有轉(zhuǎn)錄活性的P53 堆積，致使細(xì)胞增殖被抑制或?qū)е录?xì)胞凋亡［5］。P53 分子中存在多個(gè)賴氨酸殘基，它們均是潛在的乙酰化位點(diǎn)。CBP/p300 具有組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶活性，可使P53 在Lys373(lysine 373)位點(diǎn)上被乙酰化，增強(qiáng)P53 與其DNA 反應(yīng)元件的親和力，同時(shí)使P53 結(jié)合在啟動(dòng)子上，增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄激活功能，從而發(fā)揮其生物學(xué)功能。

1.1 P53 通過(guò)與P21 基因作用延長(zhǎng)ESCs G1 期并促進(jìn)細(xì)胞分化

在ESCs 的分化過(guò)程中存在一種活躍的乙酰化/脫乙酰作用，該作用能開(kāi)關(guān)調(diào)控P53［6］。當(dāng)hESCs 受分化信號(hào)刺激時(shí)，脫乙酰化酶SIRT1 下調(diào)，允許P53 在CBP/p300 的靶點(diǎn)Lys373 位點(diǎn)上被乙酰化［7］，激活P53 的轉(zhuǎn)錄功能，并將其與HDM2 和TRIM24 的連接斷開(kāi)，使P53 的水平上調(diào)。實(shí)驗(yàn)證明P53 可直接調(diào)控P21(CDKN1A)的表達(dá)，P21 是一種細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑，可調(diào)控細(xì)胞周期，也是P53 的主要轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)之一，是依賴P53 的延長(zhǎng)細(xì)胞周期G1期的必要條件。當(dāng)敲除P21 時(shí)，即使細(xì)胞受到DNA 損傷等不利因素刺激，也不能將細(xì)胞周期阻滯在G1期［8］。因此當(dāng)P53 表達(dá)水平上調(diào)時(shí)，P53 與其下游基因靶點(diǎn)CDKN1A 的P53 REs(distal p53 response element)位點(diǎn)結(jié)合，促進(jìn)G1期阻滯［9］，顯著延長(zhǎng)ESCs 的G1期。

細(xì)胞周期的G1期的持續(xù)時(shí)間可以整合細(xì)胞內(nèi)部和外部誘因，決定細(xì)胞是否增殖、分化或死亡［10－11］。G1期的長(zhǎng)短是區(qū)分干細(xì)胞與已分化細(xì)胞的關(guān)鍵因素之一，干細(xì)胞的G1期比已分化細(xì)胞的G1期要短得多，同時(shí)若上調(diào)維持細(xì)胞干性的ESCs關(guān)鍵蛋白(nanog)能夠使G1期縮短，顯著促進(jìn)ESCs的G1/S 轉(zhuǎn)換［12］，增強(qiáng)細(xì)胞干性。由此可見(jiàn)，縮短G1期有助于細(xì)胞干性維持，而延長(zhǎng)G1期可促進(jìn)細(xì)胞分化。

1.2 核仁蛋白缺失激活P53 通路導(dǎo)致ESCs 分化

核仁蛋白在未分化ESCs 中高表達(dá)，可維持ESCs 自我更新能力，在調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)程、增殖以及阻止細(xì)胞凋亡、分化等方面都具有重要作用。核仁蛋白缺失可激活P53 通路，使P53 蛋白水平及活性提高。敲除核仁蛋白可抑制細(xì)胞周期進(jìn)展，使處于G1期的細(xì)胞百分比明顯增高，而在核仁蛋白缺失的ESCs 中使P53 表達(dá)沉默可部分取消G1期細(xì)胞的積聚，由此可見(jiàn)，核仁蛋白缺失P53上調(diào)可導(dǎo)致ESCs 積聚在G1期，向S 期的轉(zhuǎn)變減少［13］，進(jìn)而DNA 的合成減少了，有絲分裂也會(huì)隨之減少，細(xì)胞增殖被抑制，則ESCs 會(huì)更傾向于凋亡與分化。

2 P53 下調(diào)維持ESCs 干性、抑制分化

在正常增殖的ESCs 中，P53 通常維持在較低水平，P53 升高會(huì)誘導(dǎo)干細(xì)胞走向分化。因此，ESCs若能通過(guò)某些信號(hào)通路或機(jī)制使P53 表達(dá)下調(diào)或許可以抑制ESCs 分化。

2.1 低氧/氧化應(yīng)激條件下低P53 高HIF-2α 狀態(tài)使ESCs 干性增強(qiáng)、抑制分化

據(jù)報(bào)道，ESCs 在組織損傷的地方有細(xì)胞保護(hù)的作用，但是損傷組織的低氧狀態(tài)會(huì)活化P53，導(dǎo)致ESCs 的死亡和分化，為什么會(huì)存在這一矛盾現(xiàn)象呢?這是因?yàn)镋SCs 存在一種利他行為［14］。低氧/氧化應(yīng)激使在新陳代謝、血管生成等重要功能中起重要作用的轉(zhuǎn)錄因子——低氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)和低氧誘導(dǎo)因子2α(HIF-2α)表達(dá)上調(diào)，HIF-1α增強(qiáng)P53 活性，而HIF-2α 通過(guò)擾亂細(xì)胞氧化還原內(nèi)穩(wěn)態(tài)、允許活性氧(ROS)堆積和DNA 損傷來(lái)抑制P53 介導(dǎo)的應(yīng)答反應(yīng)［15］。所以在低氧/氧化應(yīng)激情況下，P53 處于不斷波動(dòng)的狀態(tài)，ESCs 中SSEA3 + /ABCG2 +這一小部分，經(jīng)過(guò)瞬態(tài)細(xì)胞重編碼轉(zhuǎn)變?yōu)榈蚉53 高HIF-2α 的轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)，并通過(guò)關(guān)閉通常參與細(xì)胞分化過(guò)程的信號(hào)通路來(lái)阻止細(xì)胞分化。HIF-2α 同時(shí)上調(diào)幾種抗氧化機(jī)制，如使谷胱甘肽分泌增加以及提高一系列有細(xì)胞保護(hù)和再生能力的生長(zhǎng)因子的分泌，使細(xì)胞在保持自身干性的同時(shí)幫助臨近細(xì)胞也保持干性。有趣的是SSEA3 + /ABCG2 +細(xì)胞甚至具有更高的干性，有更高的Nanog 表達(dá)、抗氧化因子分泌和細(xì)胞保護(hù)作用。

2.2 Aurka 抑制P53 維持ESCs 干性、抑制分化

在ESCs 中，P53 是極光激酶A (aurora kinase A，Aurka)磷酸化的作用底物，P53 上存在兩種進(jìn)化上保守的假定Aurka 磷酸化作用位點(diǎn)——Ser215 和Ser315，Aurka 的缺失會(huì)導(dǎo)致P53 活性上調(diào)，引起ESCs 的分化，具體來(lái)說(shuō)就是Aurka 通過(guò)磷酸化作用介導(dǎo)P53 定向抑制中胚層和外胚層基因表達(dá)來(lái)維持細(xì)胞的多能性［16］。其中Ser215 的磷酸化是通過(guò)取消其DNA 結(jié)合和反式激活活性來(lái)抑制P53 的活性［17］，而Ser315 的磷酸化是促進(jìn)Mdm2 通過(guò)直接結(jié)合和泛素化來(lái)誘導(dǎo)P53 的降解［18］。

一般來(lái)說(shuō)P53 的磷酸化是其功能活化的信號(hào)，如Ser15、Thr18 和Ser20 這3 個(gè)氨基末端位點(diǎn)位于氨基酸1～50 位N-末端的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，它們的磷酸化破壞了P53 和MDM2 之間的相互作用，導(dǎo)致了P53 的堆積［4］。但是Ser215 和Ser315 這兩個(gè)氨基末端位點(diǎn)并沒(méi)有位于氨基酸1～50 位N-末端的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域內(nèi)，推測(cè)在此位點(diǎn)上磷酸化可能不但沒(méi)有激活P53，反而抑制了其轉(zhuǎn)錄活性，從而達(dá)到維持ESCs 干性、抑制分化的目的。

3 展望

自從靈長(zhǎng)類動(dòng)物囊胚中分離得到ESCs 以來(lái)，ESCs 的研究一直是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)，它不僅使人類胚胎發(fā)生、發(fā)育異常的體外直觀研究及有針對(duì)性的進(jìn)行藥物、畸胎原測(cè)試等成為現(xiàn)實(shí)，而且其無(wú)限自我更新和增殖的能力使ESCs 在組織移植、細(xì)胞替代、基因治療等方面有著廣闊的前景，給醫(yī)學(xué)領(lǐng)域在許多疑難疾病的治療上帶來(lái)希望［19］。明確ESCs 自我更新和多向分化的調(diào)控機(jī)制是ESCs廣泛應(yīng)用的前提，而P53 正是其調(diào)控機(jī)制相關(guān)因素之一。

雖然目前已有較多的科研人員在研究ESCs 維持干性及分化的機(jī)制，但是仍未確立其確切的分子調(diào)節(jié)機(jī)制，在這一方面仍需廣大研究者的不斷探索、不斷努力，盡早為ESCs 的臨床應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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