窖蛋白-1在干细胞的增殖分化及组织修复中的作用

窖蛋白-1在干细胞的增殖、分化及组织修复中的作用王亚君1),2),3),韩朝3),刘晶3)(1)辽宁师范大学生命科学学院,辽宁大连116081;2)辽宁省生物技术与分子药物研发重点实验室,辽宁大连116081;3)大连医科大学附属第一医院中英再生医学应用研究中心,辽宁大连116011)摘要干细胞(stemcell)是一类具有自我复制能力(self-renewing)的多潜能细胞.在一定条件下,它可以分化成多种功能细胞,是组织修复和再生的重要资源.胞膜窖(caveolae)是细胞膜内陷形成的一种特殊的脂筏结构,含有丰富的胆固醇和鞘磷脂,在调节细胞內吞作用、蛋白质转运及细胞的信号转导中发挥重要作用.窖蛋白-1(Caveolin-1,Cav-1)是组成caveolae的主要功能蛋白质,它不但参与caveolae的形成,在胆固醇平衡、膜泡运输等方面也起着重要的作用.最新研究发现,Cav-1在干细胞的增殖、分化及组织修复中发挥一定的作用.这里将Cav-1在干细胞中的主要作用进行综述.关键词干细胞;窖蛋白-1;增殖;分化;组织修复中图分类号FunctionOfCaveolin-1InProliferation,DifferentiationAndTissueRepairOfStemCellWANGYa-Jun1),2),3),HANChao3),LIUJing3)(1)CollegeofLifeSciences,LiaoningNormalUniversity,Dalian116081,Liaoning,China;2)LiaoningKeyLaboratoriesofBiotechnologyandMolecularDrugResearch＆Development,Dalian116081,Liaoning,China;3)CenterforRegenerationMedicine,FirstAffiliatedHospitalofDalianMedicalUniversity,Dalian116011,Liaoning,China)AbstractStemcellsaremultipotentialcells,thathaveextensivecapacitiesformultilineagedifferentiationandproliferation.Stemcellscandifferentiateintomultiplecelllineages,suchaschondrocytes,hepatocytesandmyocytes.Hopefully,theyareinterestingcellularsourcesfortissuerepairandregeneration.Caveolae,characterizedbyhighconcentrationofcholesterolandglycosphingolipids,aredescribedas50-to100-nmflask-shapedinvaginationwithintheplasmamembraneandarethoughttoplayaroleinimportantphysiologicalfunctionssuchasendocytosis,intracellularcholesteroltransportandcellsurfacetransport.Caveolin-1,aprincipalcomponentofcaveolae,wasthefirstdiscoveredstructuralcomponentof收稿日期：2014-07-07；接受日期：国家自然科学基金项目(No.81271412,81471308）*联系人刘晶E-mail：[e-mail]：july07,2014;Accepted：SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.81271412,81471308)*CorrespondingauthorJingLiuE-mail：[e-mail]olesteroltransport,Caveolin-1hastheabilitytobinddiversearrayofcellsignalingmoleculesandegulatecellsignaltransductionincaveolae.RecentstudieshavefoundthatCaveolin-1playsacertainroleinproliferation,differentiationandtissuerepairofstemcells.HerewewillreviewthatthevitalroleofCaveolin-1instemcells.Keywords:stemcell;caveolin-1;proliferation;differentiation;tissuerepair干细胞(stemcell,SC)即起源细胞,是一类具有多向分化潜能和自我复制能力的原始的未分化细胞.它存在于所有多细胞组织中,在一定条件下,能经由有丝分裂与分化形成多种功能细胞,并通过自我更新提供更多干细胞.哺乳动物中,干细胞分为两大类,即胚胎干细胞(embryonicstemcell,ESC)和成体干细胞(adultstemcell).其中胚胎干细胞是从囊胚期的内细胞团(innercellmass,ICM)和早期胚胎的原始生殖细胞(primordialgermcells,PGCs)中分离获得,它在体外具有高度增殖能力和多向分化潜能;成体干细胞来源于各种组织,是发育等级较低的多能干细胞或单能干细胞[1].干细胞的发育受多种内在机制和微环境因素的影响.胚胎发育阶段,干细胞能分化为任何特化细胞,因此在组织工程和再生医学领域具有巨大的作用潜能[2].成体组织内,干细胞担任机体的修复系统,产生新的干细胞,或者按一定的程序分化,形成新的功能细胞,从而使组织、器官保持生长和衰退的动态平衡.胞膜窖(caveolae)是细胞膜内陷形成的一种特殊的脂筏结构,含有丰富的胆固醇和鞘磷脂.窖蛋白-1(Caveolin-1,Cav-1)是胞膜窖的主要结构成分,在细胞内吞、胆固醇运输、信号传导、肿瘤转化中发挥着重要的作用.研究表明,几乎所有正常细胞均有Cav-1的表达,因此推测Cav-1在多种细胞中均发挥着重要的作用.近期研究发现,Cav-1在干细胞的增殖、分化及组织修复中发挥重要作用[3].本综述将结合最新研究进展阐述Cav-1在干细胞中的作用.1Caveolin-1的结构和功能早在50年代,Palade[4]等在电子显微镜下发现,血管内皮细胞表面有一些颈瓶状的内陷结构.Yamada[5]等在膀胱上皮细胞表面发现同类结构,并将其命名为胞膜窖(caveolae).其后的研究揭示,胞膜窖其实是细胞质膜内陷所形成的囊状结构,直径约为50～100nm,主要由脂类和蛋白质组成.脂类主要包括胆固醇(cholesterol)、鞘磷脂(sphingomyelin)和鞘糖脂(glycosphingolipids);蛋白质成分主要包括窖蛋白(Caveolin,Cav)和脂质锚定蛋白(lipid-anchoredproteins)等.Cav由窖蛋白基因家族编码而成.哺乳动物窖蛋白家族包括窖蛋白-1(Cav-1)、窖蛋白-2(Cav-2)和窖蛋白-3(Cav-3)[6].Cav-1通常与Cav-2共表达,并大量表达于内皮细胞、上皮细胞、脂肪细胞、成纤维细胞和平滑肌细胞.Cav-3主要表达于骨骼肌、平滑肌和心肌.Cav-1是第一个被发现的Cav亚型,分子量为21~24kD的整合膜蛋白,是胞膜窖的标志蛋白质.Cav-1的结构图和在质膜中的位置如图1(Fig.1)[7].Cav-1不但参与胞膜窖的形成,在胆固醇平衡、膜泡运输等方面也发挥重要作用[8],而且还可以与多种信号分子结合,激活或抑制细胞内不同信号通路,调节相关基因的表达[9],进而参与细胞的生长与增殖、肿瘤发生[10]和神经再生[11]等过程.Fig.1StructureofCaveolin-1[7].A,ImportantfunctionaldomainsandphosphorylationsiteofCaveolin-1.Aminoacidpositionsaredepictedabovethescheme.Y14,phosphorylationsiteattyrosine14.B,LocalizationofCaveolin-1intheplasmamembrane本室前期研究发现,Cav-1在多种细胞中发挥重要作用.在肝细胞中,Cav-1发挥抑制过度增殖和维持肝再生的双重作用[12];在乳腺上皮细胞中,Cav-1负调控TLR4活化MAPK信号通路,促进免疫相关基因的表达[13].在乳腺癌细胞中,Cav-1与雌激素受体ER-α36相互作用,调节膜起始的雌激素信号通路,控制乳腺细胞转化[14];在神经细胞中,Cav-1与动物发育和学习记忆密切相关,可参与中枢可塑性的调节[15,16].Cav-1也参与调控细胞对外界毒素的敏感性以及细胞的损伤修复[17].2Caveolin-1调节干细胞增殖细胞增殖是生物体的重要生命特征,是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础.生物体要维持细胞数平衡和机体的正常功能,必须依赖细胞增殖,细胞增殖要受到严密的调控机制所监控.最近研究发现,Cav-1作为肿瘤抑制基因可参与调控干细胞的增殖.已知细胞表面受体与信号分子的结合是决定细胞信号转导的重要因素.Cav-1含有caveolin脚手架结构,可以与多种信号分子结合,从而参与调控不同的信号通路,进而影响细胞的生命活动过程.Peffer等[18]在神经干细胞中研究发现,Cav-1可以调控糖皮质激素活化丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)[19],而MAPK将影响糖皮质激素受体的转录.已有相关研究证明糖皮质激素会促进神经干细胞的增殖[20],因此证明Cav-1将影响干细胞的增殖.Park等[21]研究发现Cav-1在表皮生长因子(epidermalgrowthfactor,EGF)诱导的小鼠胚胎干细胞的细胞增殖中发挥了重要作用.EGF可以使Cav-1磷酸化,活化的磷酸化Cav-1将激活PI3K/Akt信号通路,促进细胞周期从G1期进入到S期,促进了胚胎干细胞的增殖.此外,另有研究证明敲出小鼠脑内的ERK2基因会显著降低神经干细胞的增殖能力,表明ERK1/2信号参与调控神经干细胞的增殖[22].Jasmin等[23]在成熟小鼠脑室下区研究发现,Cav-1负调控增殖相关信号通路ERK1/2,因此负调控干细胞的增殖.Baker等也研究发现,通过siRNA敲低Cav-1会显著促进间充质干细胞的增殖[24].提示,Cav-1可以负调控间充质干细胞的增殖可能是由于增殖相关的信号分子与Cav-1的结合被抑制.3Caveolin-1调节干细胞分化细胞分化是生物界普遍存在的生命现象,是一种持久性的变化过程.多细胞生物经细胞分化会形成不同的细胞和组织.间充质干细胞(mesenchymalstemcell,MSC)是存在于骨髓、脂肪、骨实质、胎盘及骨骼肌等多种组织中的干细胞,具有向骨细胞、软骨细胞和脂肪细胞分化的功能[25].MSC经过适当的调控机制可分化为肌肉细胞、神经元样细胞、上皮细胞、内皮细胞和肝细胞[26-28].已有研究发现大量的诱导剂通过活化不同的信号通路可诱导MSC分化为神经元,其中多数的信号通路起源于细胞膜[29-31].并且越来越多的研究已经发现Cav-1在干细胞的细胞信号转导中发挥了重要作用[32].Wang等[33]利用siRNA技术,下调小鼠骨髓间充质干细胞(b