外源性及內(nèi)源性因素對骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化的影響,細(xì)胞生物學(xué)論文

外源性及內(nèi)源性因素對骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與分化的影響,細(xì)胞生物學(xué)論文骨骼肌是由高度分化的多核肌纖維構(gòu)成的特殊組織類型，能夠收縮產(chǎn)生氣力和運(yùn)動。成體骨骼肌細(xì)胞永久失去有絲分裂能力，因而臨床常見的多種骨骼肌原發(fā)及繼發(fā)性損傷多為不可逆性病變。十分是失神經(jīng)支配后，肌肉會逐步發(fā)生變性、萎縮、纖維化、失去收縮功能。即便后來神經(jīng)能再生，其功能恢復(fù)亦不理想，最終可導(dǎo)致軀體運(yùn)動功能喪失，使傷者往往喪失勞動能力，不僅影響本身的生存質(zhì)量，還會給家庭和社會帶來沉重的負(fù)擔(dān)[1].成體骨骼肌的再生和修復(fù)主要依靠于附著在肌纖維上的一類特殊的單核細(xì)胞亞群，即衛(wèi)星細(xì)胞。深切進(jìn)入探尋求索衛(wèi)星細(xì)胞在增殖和分化方面的生物學(xué)特性，對于解釋多種肌肉病變十分是失神經(jīng)后肌萎縮的可能發(fā)病機(jī)制和尋找有效的治療方式具有重大意義。本文擬從衛(wèi)星細(xì)胞的外表分子標(biāo)志物、失神經(jīng)支配后增殖和分化的變化及體內(nèi)外各種因素對其增殖分化的影響等方面做一綜述。1衛(wèi)星細(xì)胞概述衛(wèi)星細(xì)胞嚴(yán)密附著于成熟肌纖維，特異性地位于肌纖維基底膜與肌膜之間[2],正常情況下處于靜息狀態(tài)，在肌肉發(fā)生損傷時可被激活，進(jìn)而增殖和分化，構(gòu)成具有融合性的肌母細(xì)胞。肌母細(xì)胞可與已有肌纖維融合，可以相互融合，使肌肉完全再生[3-4].個體終生會經(jīng)太多次骨骼肌纖維再生，但衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量仍能保持穩(wěn)定，這一事實(shí)表示清楚，衛(wèi)星細(xì)胞同時具有自我復(fù)制和分化能力，即組織干細(xì)胞特性[5-6].衛(wèi)星細(xì)胞是肌源性干細(xì)胞的一種。肌源性干細(xì)胞異質(zhì)性較高，具有多向分化潛能，可分為多個亞群，如衛(wèi)星細(xì)胞、側(cè)群細(xì)胞等，不同亞群的細(xì)胞外表標(biāo)志物表示出、成肌轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)和體內(nèi)外增殖特點(diǎn)均存在差異。華而不實(shí)，衛(wèi)星細(xì)胞所占比例最大，是已經(jīng)得到公認(rèn)的肌源性干細(xì)胞，在成年動物體內(nèi)負(fù)責(zé)肌肉的損傷后修復(fù)和再生[7-8].多項研究顯示，從正常小鼠骨骼肌中分離得到的衛(wèi)星細(xì)胞能夠在患有肌營養(yǎng)不良的mdx小鼠中存活，一方面增殖保持干細(xì)胞數(shù)量，一方面分化構(gòu)成新生肌纖維，修復(fù)骨骼肌損傷，增加mdx小鼠的骨骼肌重量和收縮力[5,9-10].2不同狀態(tài)衛(wèi)星細(xì)胞的特異性外表分子標(biāo)志物衛(wèi)星細(xì)胞的干細(xì)胞特性對于成年個體的肌組織損傷修復(fù)和再生有著非常重要的意義。為了更好地研究其生物學(xué)特性，找到鑒別和分離純化衛(wèi)星細(xì)胞的特異性標(biāo)志物至關(guān)重要。自1961年衛(wèi)星細(xì)胞初次被發(fā)現(xiàn)和描繪敘述以來，很多細(xì)胞外表蛋白都曾被以為是衛(wèi)星細(xì)胞的標(biāo)志分子，包括CD34、Sca-1、M-cadherin和c-met等[11-13],但由于這些分子也表示出于其他間充質(zhì)干細(xì)胞來源的細(xì)胞類型，因而特異性并不高。當(dāng)前已經(jīng)構(gòu)成的共鳴是，在成年嚙齒類動物中Pax7〔paired-boxtranscriptionfactor7〕的表示出是具有肌源性細(xì)胞分化潛能的衛(wèi)星細(xì)胞的特異性標(biāo)志。Pax7是配對盒轉(zhuǎn)錄因子家族中的成員之一，在靜息和活化的衛(wèi)星細(xì)胞核內(nèi)均有表示出，但在靜息衛(wèi)星細(xì)胞中表示出含量最高，隨著衛(wèi)星細(xì)胞的活化、分化和成熟而逐步下調(diào)[14].研究顯示，Pax7是衛(wèi)星細(xì)胞存活和發(fā)揮肌源性干細(xì)胞功能不可或缺的條件。在Pax7基因缺失的小鼠體內(nèi)，衛(wèi)星細(xì)胞幾乎完全缺失，應(yīng)該由衛(wèi)星細(xì)胞介導(dǎo)的出生后骨骼肌生長表現(xiàn)出嚴(yán)重缺陷，側(cè)群細(xì)胞數(shù)量雖不受影響，但只表現(xiàn)出造血細(xì)胞分化潛能而不能向肌源性細(xì)胞方向分化，導(dǎo)致小鼠多在2周內(nèi)死亡[15].因而，越來越多的研究將Pax7作為辨別衛(wèi)星細(xì)胞的特異性標(biāo)志物[6,16].在衛(wèi)星細(xì)胞活化、分化的經(jīng)過中，Pax7表示出逐步下調(diào)，而肌分化抗原〔myogenicdifferentiationantigen,MyoD〕表示出則逐步上調(diào)。文獻(xiàn)報道，Pax7在靜息和活化的衛(wèi)星細(xì)胞中均有表示出，而MyoD主要表示出于活化的衛(wèi)星細(xì)胞[9-10].MyoD為肌源性細(xì)胞特異性表示出的一種轉(zhuǎn)錄因子，屬于成肌調(diào)節(jié)因子家族〔muscleregulatoryfacors,MRFSs〕。MyoD缺陷的小鼠肌衛(wèi)星細(xì)胞自我復(fù)制不受影響，但無法進(jìn)入分化階段，因而將導(dǎo)致肌纖維修復(fù)能力障礙[17-18].有人以為，靜息狀態(tài)下的衛(wèi)星細(xì)胞為Pax7+/MyoD-;當(dāng)衛(wèi)星細(xì)胞進(jìn)行自我復(fù)制時變?yōu)镻ax7+/MyoD+;進(jìn)入活化階段后，Pax7表示出下調(diào)，外表標(biāo)志物表示出譜變?yōu)镻ax7/MyoD+;最終，分化進(jìn)入晚期階段，Pax7-/MyoD-,而功能性蛋白--胚胎肌球蛋白重鏈〔embry-onicmyosinheavychain,eMyHC〕開場表示出。MyoD的表示出是衛(wèi)星細(xì)胞進(jìn)入不可逆分化階段的標(biāo)志[16].3失神經(jīng)支配后衛(wèi)星細(xì)胞增殖和分化的變化盡管很多研究已經(jīng)證實(shí)，在適當(dāng)刺激的條件下〔如局部損傷等〕，衛(wèi)星細(xì)胞可被激活而發(fā)揮組織修復(fù)作用，但對于臨床上常見的神經(jīng)損傷后引起的肌肉萎縮，衛(wèi)星細(xì)胞并不能有效代償肌肉質(zhì)量的減輕和收縮功能的衰退[19].這一現(xiàn)象值得重視。失神經(jīng)對衛(wèi)星細(xì)胞的增殖和分化均有影響。已有的研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)損傷后早期階段，衛(wèi)星細(xì)胞的修復(fù)性成肌活動非常有限，只要少量短小的異常肌管構(gòu)成。衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量和增殖活潑踴躍程度均明顯低于正常對照組[20].而在長時間〔25個月〕失神經(jīng)的成年大鼠骨骼肌中，衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量和密度均逐步降低。這可能與失神經(jīng)早期衛(wèi)星細(xì)胞的異常分化導(dǎo)致的耗竭有關(guān)[21].失神經(jīng)后衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量和增殖活性的降低導(dǎo)致肌肉修復(fù)能力減弱，殘存余留衛(wèi)星細(xì)胞的增殖能力仍有待進(jìn)一步研究[22].已有研究表示清楚，從失神經(jīng)肌肉中分離得到的衛(wèi)星細(xì)胞，TUNEL和caspase活性顯著高于對照組衛(wèi)星細(xì)胞，DNA碎片含量亦顯著增加，講明衛(wèi)星細(xì)胞對凋亡的易感性增加是失神經(jīng)后衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量減少的可能機(jī)制之一[23].關(guān)于失神經(jīng)后衛(wèi)星細(xì)胞的分化情況，當(dāng)前的諸多研究結(jié)果尚存在較大爭議。部分研究發(fā)現(xiàn)，失神經(jīng)后骨骼肌內(nèi)MyoD的表示出量會出現(xiàn)明顯的反響性增高，并能保持在較高水平至少長達(dá)28d[21,24].這也許代表衛(wèi)星細(xì)胞正在進(jìn)行代償性分化以彌補(bǔ)失神經(jīng)引起的肌纖維萎縮。但也有研究顯示，失神經(jīng)后MyoD的表示出量并無明顯變化[25].綜合多項類似研究可發(fā)現(xiàn)，失神經(jīng)后衛(wèi)星細(xì)胞的分化遭到多重因素影響。下運(yùn)動神經(jīng)元損傷后MyoD表示出增高程度較上運(yùn)動神經(jīng)元損傷時更為明顯；同為下運(yùn)動神經(jīng)元損傷時，則神經(jīng)完全離斷傷比不完全損傷更容易引起MyoD表示出激增[24].由此可知，局部殘留的神經(jīng)支配對衛(wèi)星細(xì)胞的過度分化可能具有一定抑制作用。失神經(jīng)后衛(wèi)星細(xì)胞增殖能力降低，異常分化無法構(gòu)成有功能的成熟肌纖維，因而適當(dāng)抑制衛(wèi)星細(xì)胞的過度分化可能具有保存殘存余留衛(wèi)星細(xì)胞，避免其耗竭的保衛(wèi)意義。對于同一損傷類型，脛骨前肌組織中MyoD的表示出量明顯高于腓腸肌。這種部位不同引起的肌組織失神經(jīng)后MyoD表示出量的差異，其機(jī)制尚不明確，可能與不同類型肌纖維的構(gòu)成比例有關(guān)[19].以上研究表示清楚，失神經(jīng)后增殖能力下降和反復(fù)發(fā)生的過度分化是導(dǎo)致衛(wèi)星細(xì)胞池耗竭的主要原因。4外源性及內(nèi)源性因素對衛(wèi)星細(xì)胞增殖和分化的影響當(dāng)前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，多種外源性及內(nèi)源性刺激均可對衛(wèi)星細(xì)胞的增殖和分化有促進(jìn)作用，包括電刺激、運(yùn)動和機(jī)械牽拉、激素和細(xì)胞因子等。電刺激對衛(wèi)星細(xì)胞的增殖具有促進(jìn)作用。對于甲狀腺功能減低的大鼠模型，電刺激能夠使衛(wèi)星細(xì)胞核占全部肌細(xì)胞核的百分比明顯增加，且該效應(yīng)隨著刺激時間延長而逐步加強(qiáng)。接受電刺激5、10、20d時衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量可分別到達(dá)正常對照組的2.6、3.0、3.7倍。固然甲減本身可引起衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量的稍微增高，但仍與電刺激后的衛(wèi)星細(xì)胞百分比存在顯著性差異[26].同一研究者通過給甲減大鼠腹腔注射BrdU的方式標(biāo)記增殖的衛(wèi)星細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)電刺激5d時，BrdU陽性的增殖期衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量增至正常對照組的4倍；在刺激10d和20d時，該數(shù)值固然有所下降，但仍然高于正常對照組，差異具有顯著性意義。電刺激促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞增殖的效應(yīng)還具有肌纖維類型特異性，刺激5d時，增殖期衛(wèi)星細(xì)胞增加已經(jīng)出如今IIB和IID型纖維中，此時I型和IIA型纖維中增殖期衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)與正常對照組尚無差異。到刺激第10天時，IIB型纖維中的增殖期衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)則開場降低[27].上述兩項研究結(jié)果表示清楚，電刺激可在短期內(nèi)明顯促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞的增殖，隨著刺激時間延長，這種促進(jìn)作用有減弱的趨勢，最終使衛(wèi)星細(xì)胞的增殖速度維持在高于正常對照的平臺期。電刺激增加衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量還有可能通過抑制細(xì)胞凋亡的途徑實(shí)現(xiàn)。固然當(dāng)前尚無針對電刺激與衛(wèi)星細(xì)胞凋亡的相關(guān)研究，但已有證據(jù)顯示電刺激能夠降低失神經(jīng)骨骼肌組織整體凋亡水平[28-29],因而能夠揣測，電刺激可能對衛(wèi)星細(xì)胞的凋亡有抑制作用。除此之外，電刺激對衛(wèi)星細(xì)胞增殖的促進(jìn)作用還與個體年齡有關(guān)。Put-man等發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一樣時間和強(qiáng)度的電刺激后，年輕大鼠〔15周齡〕的衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量較年老大鼠〔101周齡〕增加程度更為明顯，年老大鼠的衛(wèi)星細(xì)胞分化程度則高于年輕大鼠[30].電刺激對衛(wèi)星細(xì)胞分化的影響主要具體表現(xiàn)出在改變MyoD及衛(wèi)星細(xì)胞分化晚期蛋白Myogenin的表示出水平。電刺激能夠?qū)πl(wèi)星細(xì)胞分化起到促進(jìn)作用。對于懸吊大鼠后肢引起的骨骼肌廢用性萎縮，適度低頻電刺激能夠使肌組織中MyoD表示出量明顯上調(diào)[31].正常大鼠接受21d的連續(xù)低頻電刺激亦可出現(xiàn)Myogenin表示出量的顯著增高，且這種增高趨勢可被射線局部照射完全抑制[32].但也有研究顯示，對于失神經(jīng)大鼠骨骼肌，電刺激反而抑制MyoD的表示出。大鼠脛骨前肌失神經(jīng)并接受電刺激后MyoD表示出量比單純失神經(jīng)的對照組MyoD表示出量降低近一半，若在電刺激的同時結(jié)合機(jī)械牽拉，則MyoD的表示出水平受抑制程度有所減輕[33-34].引起各項研究結(jié)果間不一致的可能原因與刺激強(qiáng)度和動物模型種類有關(guān)。低頻電刺激以促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞分化，上調(diào)MyoD表示出的效應(yīng)為主，當(dāng)刺激強(qiáng)度過高時，可能對肌組織產(chǎn)生直接損傷和收縮疲憊引起的間接損傷，使衛(wèi)星細(xì)胞的分化能力不升反降。另外，如前所述，部分或完好的神經(jīng)支配與防止衛(wèi)星細(xì)胞的過度分化有明顯相關(guān)性，在神經(jīng)支配部分或完好存在的研究中[31-32],低頻電刺激可明顯促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞分化，而對于神經(jīng)完全離斷的動物模型肌組織，十分是在MyoD容易出現(xiàn)過高表示出的脛骨前肌組織中[33-34],電刺激則表現(xiàn)出抑制MyoD過度表示出，保存衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量的效應(yīng)。除電刺激以外，還有其他多種因素可對衛(wèi)星細(xì)胞的增殖和分化產(chǎn)生影響。運(yùn)動和機(jī)械牽拉對衛(wèi)星細(xì)胞的增殖分化具有明顯的促進(jìn)作用。運(yùn)動或牽拉的方式不同，衛(wèi)星細(xì)胞的變化也有差異。Smith等[35]發(fā)現(xiàn)，連續(xù)每日30min的跑坡運(yùn)動可使正常大鼠骨骼肌中被BrdU標(biāo)記的增殖期衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量明顯增高，這可能與運(yùn)動造成的肌纖維損傷誘導(dǎo)的肌纖維修復(fù)再生加強(qiáng)有關(guān)?；加写x綜合征的肥胖大鼠多伴有衛(wèi)星細(xì)胞增殖水平的下降，而負(fù)重訓(xùn)練則可使此類大鼠的增殖期衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量明顯增加[36].根據(jù)Urbani[37]的觀察，低氧環(huán)境可加強(qiáng)衛(wèi)星細(xì)胞在體內(nèi)和體外的增殖能力，這一結(jié)果講明，運(yùn)動對衛(wèi)星細(xì)胞增殖的促進(jìn)作用可能是通過營造局部缺氧環(huán)境實(shí)現(xiàn)的。對于完全失神經(jīng)支配的骨骼肌，在接受被動牽拉的情況下，無論能否同時接受電刺激，其MyoD的表示出量均顯著高于單純接受電刺激的對照組MyoD表示出量。盡管造成這一現(xiàn)象的機(jī)制尚不明確，但該研究表示清楚，同時應(yīng)用電刺激和機(jī)械牽拉可能有助于避免單純電刺激治療對失神經(jīng)骨骼肌內(nèi)衛(wèi)星細(xì)胞分化的過度抑制[34].性激素和各類細(xì)胞因子均可對衛(wèi)星細(xì)胞的增殖分化產(chǎn)生影響。雌二醇可使接受跑坡訓(xùn)練的大鼠骨骼肌內(nèi)Pax7和MyoD表示出量上調(diào)，并增加BrdU陽性的增殖期衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量，進(jìn)而可能通過激活衛(wèi)星細(xì)胞來促進(jìn)骨骼肌的損傷后修復(fù)[38].去勢雄性大鼠的提肛肌內(nèi)衛(wèi)星細(xì)胞在失神經(jīng)支配后無明顯增殖，但接受睪酮替代治療后衛(wèi)星細(xì)胞數(shù)量明顯增加，提示雄性激素的存在對于失神經(jīng)后衛(wèi)星細(xì)胞增殖不可或缺[39].胰島素樣生長因子〔IGF〕-1[40]、力生長