造血干細胞發生關鍵信號通路

徐家楷

【摘 要】造血干細胞是目前臨床治療上應用最廣的干細胞類型，深入研究造血干細胞將有助于我們分析并治療諸多的血液疾病和免疫疾病。如何高效獲得造血干細胞是近二十年來一直沒有解決的問題，于此我們簡要總結了目前造血干細胞研究領域中發現的與造血干細胞體內發育或體外分化相關的重要信號通路，旨在加深對造血干細胞的認識。

【關鍵詞】造血干細胞；信號通路；NotchBMPWNT

Abstract：The hematopoietic stem cell is currently the most widely used stem cell type in clinical treatment. In-depth study of hematopoietic stem cells will help us analyze and treat many blood diseases and immune diseases. How to efficiently obtain hematopoietic stem cells is a problem has not been solved in the past twenty years. Here we briefly summarize the important signaling pathways related to the development of in vitro or in vitro differentiation of hematopoietic stem cells found in the field of hematopoietic stem cell research， aiming to deepen the understanding of hematopoietic stem cells.

Key words： Hematopoietic Stem cell， Signal pathway， Notch， BMP， WNT

【中圖分類號】R35.36 【文獻標識碼】B 【文章編號】1005-0019（2018）20-0-01

造血系統是人體功能最活躍的系統之一，每天都要產生上千億個血液細胞，而這樣旺盛的新生過程主要依賴造血干細胞（Hematopoietic Stem Cells， HSCs）的強大功能。

HSCs具有極大的臨床應用價值。1957年，Thomas等人通過給放療和化療后的病人輸送健康骨髓成功治療了造血功能障礙。目前HSCs已被廣泛應用于血液和免疫疾病的臨床治療。HSCs主要從骨髓、臍帶血或外周血中獲取，其來源的有限性嚴重限制了基于HSCs的移植試驗、疾病模型的建立和藥物篩選等應用。然而目前并不能有效地擴增具有長期重建能力的HSCs。因此，我們需要對調控HSCs生存和功能的信號通路進行深入的了解和分析，來指導我們進一步的研究。

一、造血干細胞

造血干細胞是一類具有自我更新和多向分化的潛能，能夠分化形成各種成熟血液細胞的成體干細胞。目前主要用流式細胞術來對HSCs依據表面抗原進行收集和純化。CD34抗原最早被報道可以富集HSCs，但CD34還遠不足以進行HSCs的特異性標記，現在科研中常用的小鼠和人的造血干祖細胞表面抗原見表1。

二、造血干細胞發生相關信號通路

胚胎發育過程中，HSCs的發生需要信號分子進行時空特異性的精確調控。首先由造血中胚層產生生血內皮，之后在特異信號通路的誘導下特化為HSCs。

2.1 調控造血中胚層特化的信號分子

HSCs在背主動脈產生，而背主動脈由胚胎腹側尾部側板中胚層發育而來。參與尾部中胚層形成的信號通路主要為Wnt、BMP信號通路。不同組織的形成需要各種不同信號分子的調控。研究表明，造血中胚層特化的過程中，Nodal、Wnt和BMP主要誘導Cdx基因的表達，而Cdx基因進一步調控Hox基因的表達，如Hoxa9和Hoxb4等[1]，這些基因表達對于HSCs發育均為必需。Wang等通過分別添加 WNT3α和BMP4，觀察各自影響效果的差異，得出了WNT信號通路和BMP信號通路共同指導胚胎干細胞向HSCs分化的結論[2]。

2.2 調控生血內皮形成的信號分子

HSCs的發生直接來源于背主動脈腹側底部的生血內皮細胞，該細胞群表達VEGF受體KDR（也稱為FLK1和VEGFR2）。在小鼠和雞胚中，兩側的動脈在胚胎中線處融合形成主動脈后才能產生HSCs。該過程受Shh和VegfA兩種信號的調控。干擾Shh信號表達，部分成血管細胞雖能夠遷移到中線處參與動脈融合，但不能啟動血細胞表面抗原的表達。這說明主動脈的形成與HSCs的發生需要共同的信號分子誘導。

HSCs只在動脈中產生說明動脈的特化是其產生的前提。動脈內皮的特化依賴于Notch信號。缺失Notch1或Notch4或者Notch信號通路的重要因子均導致動脈內皮的缺失。由于動脈內皮的特化往往在內皮細胞遷移至胚胎中線之前就已經開始，所以HSCs的特化也應該在內皮遷移和融合的過程中發生。

2.3 調控生血內皮產生造血干細胞的信號分子

HSCs最終由背主動脈的生血內皮產生，該過程受多種信號通路調控。

2.3.1 Notch信號

Notch信號不僅調節動脈內皮和靜脈內皮的產生，還調控HSCs的特化。Notch信號通路和Wnt信號通路可以選擇性地調控造血過程。Zhou等發現，Wnt信號通路調控的基因在特定分化時間的AGM區和胎肝中的表達出現明顯增長，可以保持造血前體細胞的增殖潛能，而此時出現的Notch信號通路上調則與該造血前體細胞維持不分化的狀態有很大關系。敲除Notch下游基因Mib的小鼠和斑馬魚胚胎不能產生HSCs；小鼠Notch信號通路中Csl的敲除導致HSCs數量銳減；阻斷Notch信號通路后，HSCs的分化率和造血系統的重建能力提高。Notch配體Jagged 1敲除后，小鼠能形成動脈但HSCs卻顯著減少[3]。Notch1可上調Gata2和Runx184進而誘導生血內皮產生HSCs。Notch信號是保持HSCs未分化的關鍵，能維持HSCs的自我更新能力，并抑制其成熟。但是HSCs發育過程中并不是一直需要Notch信號， 特別是在內皮細胞向造血細胞轉化的過程中Notch信號需要一定程度的下調。

2.3.2 Shh-VegfA信號

Notch介導的HSCs的特化直接受Shh-VegfA信號通路調控。Shh信號誘導體節分泌VegfA；VegfA通過受體VEGFR2調節內皮細胞表達動脈標記Efnb2a并激活Notch受體Notch3表達；Notch則誘導生血內皮特化為HSCs。因此，Shh、Vegfr2和Notch信號共同誘導HSCs產生。

2.3.3 BMP信號

BMP和Wnt共同調節造血中胚層的發生。但最近研究表明，BMP也參與人胚胎干細胞向HSCs分化的過程[4]。BMP-4在體外環境下被證明可以使猴子造血前體細胞數量大幅增加。在人體內也可以誘導人胚胎干細胞分化為滋養層細胞而且造血前體細胞在培養過程中大量增加。阻斷BMP信號通路將導致HSCs的特化失敗；而外植體培養中AGM區分泌的BMP4能夠增強AGM區產生HSCs的潛能。

2.3.4 WNT信號

Wnt信號通路和BMP信號通路為HSCs分化所必需。實驗證明，WNT信號通路通過多條途徑起始和維持HSCs的特化。Wnt3a信號蛋白可以激活經典信號通路，引起β-catenin積累進而和轉錄因子T、淋巴結增強因子發生反應激活下游的靶基因來調控HSCs的自我更新。Wnt3a敲除的小鼠胎肝的HSCs數量減少，且不能夠連續移植受體小鼠；β-catenin敲除的生血內皮大都喪失產生HSCs的能力[5]。這些結果證明經典的WNT-β-catenin信號對于生血內皮啟動造血發育是必需的。而斑馬魚Wnt16及其配體缺失導致HSCs無法形成證明了非經典WNT信號通路在HSCs的特化中也起著不可或缺的作用。Huang等在不存在細胞因子作用的環境下調控 Wnt信號通路，體外成功擴增小鼠的HSCs，這也進一步驗證了Wnt信號通路的誘導調控作用。

三、總結與展望

本文總結了目前HSCs研究中一些重要的信號通路及其相互之間的關聯，這些信號通路可以直接調控HSCs的發生過程，了解這些重要的信號通路將有助于深入了解造血干細胞發生過程，是我們深入研究HSCs的必經之路。

當下，細胞治療和基因治療已經成為再生醫學領域中的熱點，HSCs作為再生領域的領跑者，目前從胚胎干細胞分化為造血干/祖細胞的操作已經變得可行且有一定的重復性保證。隨著基因測序和RNA測序技術的發展，富集HSCs的分選策略的成熟，人們對HSCs的基因調控網絡已經有了更全面、更準確的認知，使得HSCs的大量獲得不再空談。

但目前的研究中，存在一些難點與障礙：首先，對真正HSCs的定義是不明確的，對于真正能夠重建整個血液系統的功能性造血干細胞的標準仍待探究；其次，HSCs目前還不能真正實現在體外的長期培養，在體外培養時，HSCs干性不斷減弱，更傾向于進行細胞分化。目前還沒能發現可以穩定在體外維持HSCs狀態的傳代培養基；最后，鼠作為主要的實驗模型和人的HSCs存在著非常大的差異，很多實驗無法通過鼠來進行驗證。

以上三個亟待解決的問題將是HSCs研究領域下一個突破點，相信隨著科研的不斷深入，我們將能夠把HSCs更好地應用到臨床治療當中來更好地造福人類。

參考文獻

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