RNA聯合信號通路調控脂肪干細胞分化的機制研究分析

李軍最 黃克 李林 李興艷 張波 胡敏 梁紅鎖 蔡敏 杜勇軍 馬鴛霞

作者單位：530031 廣西南寧，廣西醫科大學第三附屬醫院

近年來，隨著干細胞研究的不斷深入，來源于骨髓、脂肪、神經胚胎等組織的干細胞已經成為組織再生和工程領域有吸引力的干細胞來源，且再生醫學、轉化（分化去分化）醫學以及3D打印近年來得到了廣泛關注。然而脂肪間充質干細胞在種子細胞來源、遺傳穩定性、多向分化潛能等特性上具有明顯的優勢。脂肪間充質干細胞（ADSCs）可來源于骨髓、脂肪、皮膚、肌肉、角膜等各類組織，現在也有報道從牙齒中提取。同時，因其具有多方向潛能受到研究者關注。自發現ADSCs以來，人們對ADSCs做了大量研究，尤其在它的來源（去分化）和多向分化效率上，這些研究都旨在明確 ADSCs能否結合細胞組織工程從而解決人類疾病問題。而在ADSCs的多向分化潛能上，它的多向分化機制不詳決定了它的分化效率低下從而直接限制它的應用。根據文獻回顧性分析，此前大量的研究報道都側重于蛋白質信號通路入手，也有少部分文獻報道了RNA參與脂肪干細胞多向分化調節的生物學機制，但關于細胞內各種蛋白質信號通路合并編碼非編碼RNA調控脂肪干細胞分化生物學機制研究的文獻報道較少。因此有必要為RNA聯合細胞信號通路調控脂肪干細胞分化的生物學機制研究作一系統的總結及分析，為研究RNA聯合信號通路調控脂肪干細胞分化提供直接信息，提高研究者效率。

1 脂肪干細胞的多向分化潛能

脂肪干細胞（Adipose derived stem cells）是從脂肪組織中分離得到的一種具有多向分化潛能的干細胞，經過適當地誘導可以分化為脂肪[1]、骨[2]、軟骨、神經、肌肉、內皮細胞[3]、心肌起搏細胞[4]等多種細胞，同時具有修復器官組織損傷及調節機體免疫等功能，被廣泛運用于疾病治療（器官組織損傷和調節免疫功能）、美容整形（再生與轉化功能）、抗衰老（遺傳穩定性）等方面[5]。它實際上是一類間充質干細胞，與來自骨髓的間充質干細胞不同，它最大的優點在于其增殖能力與年齡無關，而只與提供者的體質有關。在來源方面，最近發表在Medicine期刊上的一項新研究在髖關節置換丟棄的滑膜組織中發現了一種新型的干細胞來源[6]，來自美國塔夫斯大學團隊研究發現了神經元祖細胞去分化的“重回”狀態[7]。然而在脂肪干細胞軟骨分化效率及應用上，它的多向分化機制不詳決定了它的分化效率低下從而直接限制了它的應用，大量的研究者都著重于脂肪干細胞軟骨分化過程中蛋白質分子信號通路參與的機制研究[8，9]，如BMP/TGF-β、Notch、Wnt/β-連 環 蛋 白、Hedgehog和 Hippo通路等；也有少部分學者研究RNA對脂肪干細胞分化的作用機制[10,11]，其中研究較多的為miRNA、lncRNA、circRNA等非編碼RNA。

截至2017年11月15日，在美國國立衛生研究院（NIH）臨床試驗數據庫中通過關鍵字搜索發現注冊的關于脂肪干細胞的研究超過159項（其中東亞最多，約45項；美國其次，約38項；歐洲約36項），這顯示脂肪干細胞具有廣闊的應用前景。總而言之，脂肪干細胞因其具有多向分化潛能、取材容易等各方面優勢受到研究者的關注。

2 蛋白質信號通路調控脂肪干細胞分化

大量研究表明，ADSCs可以分化為多種類型的細胞，但其具體生物學機制不詳。蛋白質細胞的通路水平主要受 BMP/TGF-β、Notch、Wnt /β- 連環蛋白、Hedgehog和Hippo通路[12]等信號通路調控。參與通路的每一個蛋白質分子都受到遺傳（轉錄翻譯）、表觀遺傳（甲基化、組蛋白修飾）和外源信號傳導因子的復雜陣列調節，使其在細胞發育和分化期間引導細胞行為,如β-連環蛋白和Notch信號通路促進造血祖細胞的擴增[13]、齊墩果酸通過抑制Notch信號來增強間充質干細胞的成骨能力[14]、Notch信號可以使脂肪細胞祖細胞分化為成熟的脂肪細胞[15]等。同時也有研究發現，NICD與CSL蛋白的結合使CSL蛋白由轉錄抑制物轉變為轉錄激活物，激活靶基因的轉錄從而抉擇脂肪干細胞的分化方向[16]。而有研究[17]發現Wnt/β-Catenin信號通路可以促進成骨細胞在炎癥環境中的分化，Chen等[18]發現 0.5 Gy X 射線輻射通過 Wnt /β- 連環蛋白信號傳導促進成骨細胞分化；同年Tang等[19]研究肥胖早期Wnt5a通過MAPK非依賴途徑調節細胞增殖和脂肪的形成，Morsczeck等[20]利用Wnt3a和在脂肪組織衍生的間充質干細胞中誘導成骨分化。

有研究顯示Wnt信號對脂肪來源干細胞分化胰島β細胞有明確的關系[21]，這有助于治療糖尿病、胰腺炎等疾病。而Hedgehog通路活性水平的融合抑制劑對顱骨發育過程中的成骨增殖和分化是至關重要的[22]。同時通路之間也密切聯系，進一步控制干細胞的分化。如Wnt信號通路與PPARγ也有著密切的聯系[23,24]。上述研究均已明確體現出不同的信號通路可以促進脂肪干細胞向不同的方向分化。但其具體發生發展的生物學機制仍不明確。

3 RNA調控脂肪干細胞分化

RNA主要包括編碼RNA與非編碼RNA，編碼RNA（mRNA）作為模板將其從DNA序列中“轉錄”而來的信息“翻譯”到蛋白質氨基酸序列當中。非編碼RNA則是指一類不能作為翻譯模板的RNA，早期它主要是指核糖體RNA（rRNA）、轉運 RNA（tRNA）、snRNA。也有研究在 RNA 長度上將非編碼RNA按長度大于或小于200nt人為地分為長鏈非編碼RNA（lncRNA）和小非編碼RNA（small noncoding RNA）。同時按其發生來源、序列信息特性及生物學功能劃分，非編碼RNA主要分為環形 RNA（circRNA）、microRNA（在細胞質中），microRNA通過結合AGO2對mRNA進行轉錄后調控，一些長鏈非編碼RNA以及部分環形RNA在細胞質中作為競爭性內源RNA（ceRNA）來競爭性結合microRNA、piRNA、lincRNA、antisense lncRNA等。有研究表明[21]非編碼RNA因其各種各樣的生物學特性及細胞內亞定位的不同，在細胞再生分化水平上起著重要的生理調控功能。如miRNA和lncRNA在細胞成骨分化中發揮重要作用，來自Hu[25]課題組的非編碼RNAs成骨細胞分化的全基因組分析和預測明確了這一點，它們通過基因芯片以及各種涉及編碼非編碼RNA（包括各種編碼與非編碼之間的互聯網）及蛋白質分子信號通路的在線軟件技術把miRNA、IncRNA成骨分化聯系在一起從而發現XR_111050（一種IncRNA）是成骨細胞分化的必需品。

同時Sera等[26]研究的miRNA調控骨骼發育課題發現隨著成骨分化共檢測到1 269個差異的miRNA，其中648個基因顯著上調，621個基因下調；Wei等[27]課題組發現MicroRNA-21通過靶向Smad5來調節牙周韌帶干細胞的成骨分化；Cao等[28]染miR-214后發現Wnt/β-catenin信號增強并促進牙周膜干細胞成骨分化；Zhang等[29]發現另外一種miRNA（MiR-335-5p）的過度表達也能促進小鼠骨形成和再生[28]。也有研究著重研究環狀RNA分子，Qian等[30]在BMP2誘導的MC3T3-E1細胞的成骨分化過程中通過差異性circRNA表達譜發現cirRNA與成骨分化有著不可分割的關系。而長非編碼RNA已經是現在所有國基課題研究中最熱門的分子之一，各項研究都表明它結合miRNA后對mRNA起抑制作用，從而使基因表達增強，如2017年Zhou等[31]發現IncRNA H19介導乳腺癌細胞在EMT和MET可塑性期間通過差異化地擴增miR-200b/c和let-7b而使它的可塑性增強；Chen等[32]在IncRNA（TINCR）作為競爭性內源性RNA起作用的課題中，將miR-375擴展到胃癌來調節PDK1的表達。總之，隨著基因組織工程及3D再生醫學的興起，脂肪干細胞多向分化的潛能毋庸置疑，大多數的研究者把重點放在信號通路以及RNA上，而把細胞信號通路、各種RNA與脂肪干細胞分化方向聯系起來的研究較少，如Zhang等[33]發現長的非編碼RNA CASC2通過在食管癌中靶向miR-18a-5p調節PTEN的表達來抑制腫瘤發生；Ouyang等[34]轉染lncRNA BCAR4后發現BCAR4可以通過保護β-catenin免于降解，從而激活經典Wnt信號通路傳導促進結腸癌的發生。這些少數的研究雖把三者聯系起來，但都只涉及到上游和下游的具體生物學機制問題，并沒有深入到具體亞定位及miRNA與各種RNA之間的剪切問題，具體機制有待進一步深入研究。

4 總結

現今，脂肪干細胞已經成為細胞治療的有力武器,應用于各種疾病研究,但仍存在許多挑戰,尤其是由于分化的分子生物學機制不詳導致脂肪干細胞分化效率低下限制了其相關的臨床應用。隨著網絡技術的發展，各種數據庫以及在線網絡軟件的完善，如KEGG、GO分析、miRNA數據庫、IncRNA數據庫、TargetScan等在線軟件給現在的研究帶來了便利。如上所述，現已有大量的研究著重于脂肪干細胞分化與信號通路之間的關系或者是分化與RNA之間的聯系，很少把三者聯系起來。因此，脂肪干細胞分化過程中方向的抉擇與信號通路、各種編碼非編碼RNA之間的聯系有待以后逐步完成。同時，上述研究結果都是在體外條件下獲得的,而且多數分化的鑒定都只局限于細胞表型而很少涉及具體的生物學機制。因此,接下來的工作應重點研究在體內脂肪干細胞是否可以通過信號通路與RNA的連接點選擇預設的分化方向，具體的分化方向如何。對于脂肪干細胞的多向分化過程，相關編碼非編碼RNA及蛋白質分子參與的具體生物學機制，目前知之甚少，可以通過基因測序芯片、基因芯片、基因相互網絡、在線軟件技術對基因表達和蛋白質組的研究比較脂肪干細胞、成熟細胞間基因及蛋白表達的差異找出關鍵基因和蛋白質分子，從而確定調控脂肪干細胞分化方向的各種編碼、非編碼 RNA（如miRNA-IncRNA、EIciRNA-antisense-lncRNA-lincRNA等）與信號通路的交通點，從而進一步通過體外細胞實驗證實。同時,著眼于臨床應用,還要有大量的動物模型實驗甚至是人體實驗需要完善。

總之，脂肪干細胞分化方向的生物學機制研究才剛剛起步,很多基本問題還需要深入研究和探討。而有關RNA、細胞信號通路、脂肪干細胞分化方向的抉擇這三者聯系的研究需不斷增加和進一步深入。