Sox基因?qū)ι窠?jīng)干細胞發(fā)育及神經(jīng)損傷后修復的研究進展

郝震，李洋綜述 李青松審校

綜 述

Sox基因?qū)ι窠?jīng)干細胞發(fā)育及神經(jīng)損傷后修復的研究進展

郝震，李洋綜述 李青松審校

Sox基因；神經(jīng)干細胞；發(fā)育；損傷后修復

Sox基因的研究開展于20世紀90年代，人們在研究哺乳動物性別決定基因的相關片段時;發(fā)現(xiàn)了決定性別的SRY基因[1]。研究者在研究SRY基因時發(fā)現(xiàn)了一些DNA片段，即HMG-box區(qū)(大約由80個核苷酸保守序列組成)，學術界將與其相關的一類相似基因統(tǒng)稱為Sox基因[2]。隨著科學技術水平的提高以及研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)Sox基因擁有很多亞族。至2015年已發(fā)現(xiàn)7個亞族，它們各司其職對生物體有著重要的影響，尤其在個體發(fā)育的過程中發(fā)揮極其重要的作用。它們影響著性別、胚胎發(fā)育、神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)育，以及一些器官的形成和發(fā)育、晶狀體、軟骨、骨骼肌等[3]。另外在干細胞領域，研究人員也取得了很大的突破。干細胞由于自身多分化的特性，近年一直引導研究人員的研究方向。目前學術界對神經(jīng)干細胞的研究仍處于初級階段，根據(jù)疾病的起因和轉(zhuǎn)歸，大多數(shù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病都與神經(jīng)干細胞功能的異常有關。相當數(shù)量的研究人員致力于神經(jīng)干細胞移植的研究，希望找出治療疾病的新途徑。本文通過研究Sox基因?qū)ι窠?jīng)干細胞發(fā)育的影響，以及其對中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后修復的研究進行綜述，報道如下。

1 Sox基因的生物學功能

Sox基因家族是對Sox基因及其表達產(chǎn)物的總稱。它包含編碼轉(zhuǎn)錄因子的DNA框架(HMG保守區(qū)域)，以及與其DNA框架高度相似的Sox蛋白，后者按照HMG基序與DNA相結(jié)合。

Sox基因的作用：首先用于鑒定Sry基因的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域[1，2]。Sox蛋白在哺乳動物中有20個不同的亞型，這些蛋白組成一個共同的Sox蛋白組。其次Sox基因在決定雄性哺乳動物性別和特異性分化時發(fā)揮了重要作用。Sox基因誘導中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育也已被證明，例如爪蟾的SoxD基因在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中的廣泛表達(集中表達于神經(jīng)外胚層和神經(jīng)管的發(fā)育期)[1，4]。

1.1 Sox基因影響神經(jīng)干細胞的表達 在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，神經(jīng)干細胞分化表達產(chǎn)生許多不同類型的神經(jīng)元細胞和膠質(zhì)細胞。Sox基因保障其終末分化的穩(wěn)定性和神經(jīng)元細胞內(nèi)在環(huán)境的穩(wěn)定。Sox家族的轉(zhuǎn)錄因子保證這一生物進程的順利進行[5，6]。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)干細胞的維護過程中，Sox1、Sox2和Sox3以高表達的方式維持這一生物過程的正常進行。另一方面，Sox基因提高神經(jīng)干細胞分化的潛力，如少突膠質(zhì)細胞分化的過程中，Sox10的表達均高于平時。周圍神經(jīng)系統(tǒng)(PNS)的Sox基因的表達方式與中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同。這揭示了在CNS和PNS的發(fā)育過程中，Sox基因的表達存在差異[7]。

1.2 Sox相關基因影響神經(jīng)干細胞向神經(jīng)外胚層分化 人們在研究非洲爪蟾時發(fā)現(xiàn)，其神經(jīng)外胚層的形成依賴于Sox2的異位表達。當細胞在自我更新分化成神經(jīng)外胚層的衍生物時，Sox1和Sox2發(fā)揮了相似的功能。這個理論依據(jù)可以延伸到Sox3，其與Sox1和Sox2組成SoxB1族[8]。SoxB1在神經(jīng)外胚層早期發(fā)育的過程中重疊式表達，因為他們的生物化學功能相似。SoxB1具有刪減和補償缺失的作用，當有2種Sox亞等位基因缺失的情況下，余下的Sox亞等位基因仍可保障神經(jīng)外胚層細胞的正常形成和分化[5]。神經(jīng)系統(tǒng)在發(fā)育過程中反復出現(xiàn)Sox蛋白質(zhì)的共表達。這一現(xiàn)象表明其他亞等位基因替代功能異常的Sox亞等位基因，從而保障生物過程的正常進行。這一實驗研究的證明，為未來基因靶向治療神經(jīng)系統(tǒng)先天性發(fā)育異常帶來曙光。

1.3 CNS干細胞的維護需要Sox相關蛋白的協(xié)調(diào) 整個中樞神經(jīng)系統(tǒng)均有SoxB1蛋白的表達；其主要作用是維護神經(jīng)上皮祖細胞的自我更新。根據(jù)目前的評估，SoxB1蛋白質(zhì)在CNS維護方面的研究取得了長足的進展。SoxB1蛋白質(zhì)也維護干細胞的穩(wěn)定和積極地抑制神經(jīng)干細胞某些方向的分化[8]。此生物過程的關鍵是SoxB1蛋白質(zhì)在神經(jīng)元分化過程中發(fā)揮反向效果，以此來抵消前體神經(jīng)細胞蛋白質(zhì)的共同表達。這可能是因為Sox蛋白隔絕了蛋白復合物，進而引發(fā)前體神經(jīng)蛋白不能與DNA結(jié)合或失去反式激活的能力[9]。SoxB1的功能表達也體現(xiàn)在成熟神經(jīng)干細胞上。例如Sox2，尤其在側(cè)腦室的腦室下區(qū)有強表達，并在海馬區(qū)的下層齒狀回作用明顯。小鼠的亞等位基因突變時，其Sox2的表達會有所降低。海馬區(qū)發(fā)育異常導致的癲癇發(fā)作，是否與其相關值得探討。

1.4 Sox相關因子對PNS發(fā)育的作用 周圍神經(jīng)系統(tǒng)即與中樞神經(jīng)系統(tǒng)相連的腦神經(jīng)和脊神經(jīng)的總稱。PNS由神經(jīng)嵴干細胞發(fā)育形成。神經(jīng)嵴干細胞是一類具有自我復制、自我更新，并有極強增殖能力和多向分化潛力的細胞。Sox基因?qū)ζ溆绊懪c中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同，SoxE族發(fā)揮重要作用[10]。小鼠實驗表明，Sox9與Sox10的缺失嚴重影響神經(jīng)嵴干細胞的發(fā)育[11，12]，Sox10在影響腸迷走神經(jīng)嵴細胞發(fā)育時效果明顯。小鼠的Sox10等位基因的缺失,將導致結(jié)腸末端神經(jīng)節(jié)細胞缺陷癥，并伴有黑色素細胞的發(fā)育障礙。Sox10基因突變表達在人類身體時，將會使人患上Waardenburg綜合征并且合并先天性巨結(jié)腸。由此可見，SoxE蛋白對周圍神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育起著不可或缺的作用。Sox9在大多數(shù)神經(jīng)嵴細胞的發(fā)育過程中短暫表達。Sox10在神經(jīng)嵴干細胞分化遷移的過程中持續(xù)表達，其主要功能是保障干細胞的存活、維持干細胞分化多能性和抑制某些神經(jīng)元分化。Sox10在PNS神經(jīng)膠質(zhì)細胞的分化過程中扮演重要角色[13]，它調(diào)節(jié)施旺氏細胞形成髓鞘，因此有一些患有Sox10突變的患者往往伴有周圍神經(jīng)系統(tǒng)疾病。究其原因，可能是由于髓鞘基因表達紊亂導致了施旺氏細胞發(fā)育異常。由此可見，Sox基因?qū)χ車窠?jīng)干細胞的發(fā)育也發(fā)揮了重要作用。

2 Sox基因參與神經(jīng)干細胞損傷后的表達

神經(jīng)干細胞是一種具有多分化能力的細胞，但此種干細胞與人體其他類型的干細胞不同。中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)干細胞有多種類型，各種類型的神經(jīng)干細胞經(jīng)過分化后形成不同的成體細胞。根據(jù)神經(jīng)干細胞的這種特性，為中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷后的治療指明了方向。研究人員在中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷治療的過程中，也在尋找相關因子對干細胞的影響。在損傷修復的過程中多種因子參與其中。如Sox相關因子(Sox11等)[14]，以及腦衍生神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)等，這些因子均影響神經(jīng)干細胞的表達。

2.1 Sox11與BDNF進行損傷后調(diào)控 BDNF是一種多效性的生長因子，它影響神經(jīng)元的存活；以及突觸分化的可塑性和再生性[15]。Sox11參與背根神經(jīng)節(jié)(DRG)損傷后的BDNF的轉(zhuǎn)錄監(jiān)管[14，16]。在發(fā)育過程中，Sox11促進感覺性神經(jīng)母細胞的增殖，以及影響神經(jīng)元的存活和軸突生長。Sox11在發(fā)育成熟的DRG感覺神經(jīng)元的表達通常較低。當周圍神經(jīng)發(fā)生損傷時，Sox11的表達會在24 h內(nèi)迅速增強。Sox11損傷后的研究闡明它是一個參與神經(jīng)元存活和生長的重要基因調(diào)節(jié)因子[17]。Sox11協(xié)同microRNA增加細胞凋亡同時增強神經(jīng)細胞突觸再生的能力。Sox11作為損傷后的誘導型轉(zhuǎn)錄因子，它的關鍵作用可能是誘導相關基因編碼BDNF[18]。BDNF是神經(jīng)生長因子家族中的一種營養(yǎng)蛋白。BDNF在感覺神經(jīng)元的存活、分化以及最終形成特定類型的成熟細胞的過程中起到了至關重要的作用。BDNF在成熟細胞中具有自分泌和旁分泌的作用。它為外周和中樞神經(jīng)元提供穩(wěn)定的營養(yǎng)支持；并且調(diào)節(jié)突觸的可塑性。這可能與一些生理進程相關，例如記憶、學習和疼痛信號的釋放[19]。神經(jīng)損傷后的再生，BDNF也發(fā)揮了重要作用。神經(jīng)損傷后啟動BDNF基因的轉(zhuǎn)錄，它的表達迅速升高(24 h內(nèi))，這與神經(jīng)髓鞘、神經(jīng)軸突生長和神經(jīng)再生性基因的表達相關聯(lián)[20]。

2.2 Sox11在神經(jīng)系統(tǒng)修復過程中的高表達 Aid等[21]對36只小鼠成功實施脊髓半離斷實驗，在脊髓損傷模型建立后的第3周，發(fā)現(xiàn)受損脊髓的Sox11免疫組化染色明顯增強，而健側(cè)Sox11的表達非常微弱[14]。脊髓損傷后，Sox11的表達主要位于中央管的室管膜內(nèi)層細胞和新生成的神經(jīng)細胞中。Sox11表達陽性的細胞中，尤其是脊髓中央管的室管膜內(nèi)層細胞[22];Sox11的免疫熒光信號出現(xiàn)共定位。此時表明Sox11表達在內(nèi)源性NSCs(神經(jīng)干細胞)中。Sox11在灰質(zhì)細胞中的表達也為陽性，同時新分化的神經(jīng)元前體和未成熟的神經(jīng)元也有陽性表達。

3 展 望

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的研究領域里，神經(jīng)干細胞與其相關誘導基因的發(fā)現(xiàn)為該領域指明方向。本文對近年來此領域的實驗研究進行了綜述，發(fā)現(xiàn)Sox相關基因不僅影響神經(jīng)干細胞的發(fā)育而且也影響神經(jīng)損傷后的修復。在損傷修復的過程中，神經(jīng)干細胞可以有效修復部分受損神經(jīng)細胞以及重建部分傳導路并且恢復其功能。由此可見，Sox相關基因協(xié)同神經(jīng)干細胞治療這類疾患不失為一種有效可行的手段。從長遠的角度看，這種聯(lián)合協(xié)同的療法不僅可以應用于損傷后的修復；也可以應用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤的遏制、神經(jīng)病學科的一些功能性疾病的治療與緩解(帕金森病、癲癇、運動神經(jīng)元病等)。Sox相關因子與神經(jīng)干細胞在實驗過程中協(xié)同發(fā)揮作用，這些研究成果一方面為科學研究的方向作出引導；另一方面也為疾病的治療提供了重要的理論基礎和有效的治療方案。

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