间充质干细胞衰老影响因素与相关信号通路

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间充质干细胞衰老影响因素与相关信号通路

来源：口腔生物医学作者：沈昕;吴国锋;秦海燕

发布于：2020-08-04 共12509 字

　　摘　　　　要：间充质干细胞(MSCs)因具有低免疫原性，强抗炎及免疫调节作用，成为细胞

治疗及再生医学中重要的细胞来源之一。然而，体外培养的 MSCs 易衰老特性制约着其临床发

展与应用。如何延缓 MSCs 的衰老成为国内外学者研究的热点。本文综述了 MSCs 衰老相关信

号通路及生物活性物质等延缓 MSCs 衰老的研究进展，以期为 MSCs 的临床应用提供新的思

路。

关键词：间充质干细胞; 衰老; 延缓; 氧化应激;

间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)具有自我更新、多向分化能力和低免疫原性，可分

化为脂肪细胞、骨细胞、软骨细胞、肌肉细胞和骨髓基质细胞等[1]，不仅存在于骨髓，还分布

在脂肪，脐带和牙体等组织[2]。MSCs 相对容易获取、分离和增殖，能够较为迅速地达到治疗

所需用量;同时，可以调节免疫功能，修复损伤组织，发挥抗纤维化等作用，使其成为细胞治

疗领域令人瞩目的供体细胞来源[3]。目前自体或异体 MSCs 临床试验项目已经获得美国国家食

品药物监督管理局批准。然而 MSCs 作为理想供体细胞的同时，也有越来越多的研究发现其对

医学治疗的局限性。其中，细胞衰老是制约 MSCs 在再生和组织工程中大规模体外扩增应用的

主要因素之一。

　 1 　、间充质干细胞衰老的特征

细胞衰老是细胞对各种各样的应激源作出应答后的一种细胞状态，应激源包括基因毒性因子，

营养元素缺乏，缺氧，线粒体功能障碍和致癌基因激活等[4]。研究表明，衰老会影响 MSCs 的

功能，包括增殖能力、克隆形成能力、分化潜能、免疫特性、端粒酶活性、细胞迁移能力和粘

附性等[5]，突出体现在细胞增殖能力和分化潜能的衰减[6]。文献表明，衰老后 MSCs 表面特异

性标志物 CD44、CD90、CD105 和Stro-1 等表达有所降低[7];细胞形态逐渐扁平肥大，胞膜成

分改变，如膜内在蛋白 caveolin-1 含量上调;胞质 pH 改变，颗粒固缩;溶酶体间隔增大且活性增

加，β-半乳糖苷酶(β-galactosidase，β-gal)产量升高;溶酶体内脂褐质累积，细胞自体荧光水平上

升[8];线粒体较大但功能异常，导致过量的活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS)产生;同时

因核纤层蛋白 B1 的缺失，胞核完整性遭到破坏，胞质内出现染色质碎片，端粒酶明显缩短[10]

等。总之，衰老 MSCs 最终的结局是停止增殖。

　 2 　、MSCs 衰老影响因素

　　 2.1　、氧化应激

　　 2.1.1　、DNA 损伤

自由基衰老理论最早提出于 1956 年，该理论认为衰老是自由基(主要为 ROS)对细胞造成不利影

响而产生的结果[10]，当机体产生的自由基与抗氧化物的含量失调时的状态被称为氧化应激。

随着供体年龄增长或MSCs 传代次数增加，机体ROS 的不断累积将导致氧化应激的产

生。DNA 易受到氧或氮氧活性物的氧化损伤，致使 DNA 甲基化与去甲基化的平衡失调从而导

致相关基因的表达抑制或沉默[11]。

　 2.1.2　、热休克蛋白

蛋白质是 ROS 信号传导过程中的主要靶标，前者结构被进行可逆或不可逆的修饰，导致细胞

生长、分化停滞和死亡。氧化应激反应中有两个比较关键的蛋白参与调控MSCs 衰老过程，分

别是抗应激性热休克蛋白(heat shock proteins,HSPs)和核因子红细胞 2-相关因子 2(nuclear factor

erythroid 2-related factor 2,NRF2)。HSPs 是一种广泛存在于生物体内的保守蛋白，当生物体遭受

外界不良刺激时，可发挥分子伴侣的作用。在细胞衰老的过程中，其可保护细胞免受蛋白毒

性、细胞凋亡和蛋白质聚集等损害。当ROS 诱导相关蛋白质发生错误折叠时，细胞内如 Hsp70

和Hsp90 将作为伴侣蛋白分子，帮助受损蛋白质正确折叠形成特定的功能性结构[12];或是在

HSPs 的帮助下与泛素连接酶E3 结合，发生多聚泛素化后陆续降解;抑或是 HSPs 通过与受损蛋

白结合，将其转运至胞内溶酶体而产生伴侣蛋白介导的自噬作用[13]。热休克蛋白转录因子

1(heat shock transcription factor-1,HSF1)在衰老细胞中表达降低，从而逐渐丧失合成HSPs 的能

力[14]，当机体HSPs 表达降低时，许多发生错误折叠的蛋白质无法被识别，导致蛋白质异常

聚集而影响其功能发挥。同时，HSPs 在维持MSCs 干性方面发挥着重要作用，其低表达将使

细胞的增殖和分化能力减弱[7]。

　　 2.1.3 　、核因子红细胞 2-相关因子 2

NRF2 是氧化应激反应中主要调节因子和转录因子，激活多种抗氧化反应元件(antioxidant

response element,ARE)依赖基因。NRF2 已被证明能在氧化损伤条件下严格控制MSCs 的存活

[15]。一方面，NRF2 可以通过上调参与谷胱甘肽和硫氧还蛋白合成的酶的表达，发挥抗氧化

作用而抑制ROS 过量产生;另一方面，NRF2 相关抗氧化通路也可以减少过量ROS 对细胞的损

害作用。NRF2/ARE 途径是细胞抵御氧化应激损害最为关键的途径之一。基础状态下，NRF2

被Kelch 样环氧氯丙烷相关蛋白 1(Kelch-like epichlorohydrin-associated protein 1,Keap1)复合体泛

素化，随后被蛋白酶降解。当细胞出现氧化应激反应时，NRF2 从Keap1 中分离并易位至细胞

核，与 ARE 相互作用，介导相关目的基因转录[16]，强化细胞抵抗ROS 毒性的能力。NRF2 活

性在细胞衰老过程中逐渐下降，MSCs 寿命可因其再激活而诱导延长[17]。

　　 2.1.4、线粒体 DNA 突变

粒体基质含多组线粒体 DNA(mitochondrial DNA,mt DNA)，虽然mt DNA 的复制与细胞周期进

程无关，但氧化产物的积累会导致mt NDA 突变，引发线粒体氧化磷酸化功能障碍，最终导致

胞核中参与维持线粒体正常功能的基因突变以及人类线粒体相关疾病的发生[18]。

　 2.2　、端粒酶的作用

研究证明，染色体端粒的缩短和构型改变伴随着体内细胞可复制性衰老的进程[19]。Baxter 等

[20]认为，成年人细胞端粒每年以17 bp 缩短，当h MSCs 的端粒长度达到 10 kb 时，细胞将停

止分裂。而端粒酶缩短触发细胞衰老的过程可能与端粒重复结合因子 2(telomeric repeat-binding

factor 2,TRF2)的缺失有关，导致DNA 损伤应答(DNA damage response,DDR)相关蛋白被激活和

募集。TRF2 作为一种功能蛋白，通过识别特定的多肽序列维持端粒酶的稳定性。Wu 等[21]选

择性地敲除小鼠 3'端外结合蛋白 Pot1a，最终导致端粒酶区域的相应 DDR 并且诱发衰老。简单

来说，当某些端粒的长度迅速缩减，细胞将进入生长停滞状态，此时通常触发DNA 损伤和影

响细胞衰老状态[22]。

　 3　、MSCs 衰老相关信号通路

　　 3.1　、核因子 κB

核因子 κB(nuclear factor-κB,NF-κB)是转录因子家族的一员，不仅在细胞生长、增殖和生存方面

发挥重要作用，其相关信号通路也参与调节 ROS 水平。不断增加的ROS 在激活 NF-κB 信号通

路的同时，NF-κB 下游靶基因通过增加抗氧化蛋白的合成，如锰超氧化物歧化酶(manganese

superoxide dismutase,Mn SOD)、铁蛋白重链、谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GPX)-

1和金属硫蛋白 3等，降低 ROS 水平，延缓衰老[23]。

　 3.2　、沉默信息调节因子 1

干细胞的代谢作用可以影响 ROS 水平，同时 ROS 也可以通过与多种蛋白质相互作用，例如激

酶、磷酸酶或转录因子等影响代谢途径，从而调控细胞周期、控制细胞的分化及凋亡等[24]。

沉默信息调节因子 1(silent information regulator 1,SIRT1)是Sirtuins 家族(Ⅲ 类组蛋白去乙酰化

酶)成员之一，作为一种转录调节因子参与并控制代谢信号的转录因子去乙酰化作用来调节其

活性。SIRT1 可以通过去乙酰化作用调控HSF1[25]，减轻ROS 造成的细胞伤害。在 H2O2 诱导

人脂肪间充质干细胞(adipose-derived stem cells,ADSCs)衰老中发现，SIRT1 可以与衰老细胞中

高表达的 p53 结合，通过去乙酰化和泛素化作用对其进行降解，抑制p53 水平，减轻氧化应激

对细胞衰老的影响[26]。

　　 3.3 　、脂酰肌醇-3-激酶/丝氨酸-苏氨酸激酶通路

研究发现，低氧时人牙髓干细胞氧化应激相关磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-

kinase,PI3K)/丝氨酸-苏氨酸激酶(protein kinase B,AKT)通路的关键蛋白表达升高;加入抑制剂

LY294002 后胞内 ROS 释放和凋亡细胞的比例明显增加，GPX 表达降低，细胞增殖能力减弱;

激活的 PI3K/AKT 逆向调节下游蛋白叉头转录因子 1(forkhead box O1,FOXO1)和caspase3 表达

来影响细胞内 ROS 产生，证明低氧条件下 PI3K/AKT 途径的激活可以有效抑制ROS 的产生，

从而调节细胞氧化应激状态[27]。Nan 等[28]发现，髓核来源的间充质干细胞在 H2O2 诱导的氧

化应激状态下，细胞增殖速率降低，凋亡增加，PI3K 和磷酸化AKT 蛋白表达明显降低。在相

似实验条件下，大鼠骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells,BMSCs)胞内 ROS 含量和

凋亡细胞数量明显增高，FoxO1、FoxO3 和FoxO4 基因表达下降;而抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸

(N-acetylcysteine,NAC)预处理后发现，NAC 可激活 PI3K/AKT 信号通路抑制胞内 ROS 的产生，

上调FoxO1、FoxO3 和FoxO4 基因表达，保护 BMSCs 免受氧化应激的损害[29]。

3.4　、p53 基因

p53 是人体抑癌基因，研究证明p53 也参与调节细胞衰老进程[30]。其中 p53-p21-p16 相关信号

通路激活可加速细胞周期阻滞。但也有研究认为，p53 激活在增加ROS 的同时也促进了许多抗

氧化基因的表达，发挥促进和抑制细胞衰老的双重作用[31]，猜测 p53 可能通过不同途径控制

细胞生长和代谢，包括调节 ROS 水平和雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,m TOR)

活性。m TOR 是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，参与调节细胞生长、蛋白质合成等，并且与特定类

型的衰老诱导密切相关[32]。p53 下调m TOR 水平，且p53 通路合成蛋白来预防并修复氧化应

激所致的 DNA 损伤[33]，减缓细胞衰老。

　 3.5 　、p38/丝裂原活化蛋白激酶通路

ROS 增高，p38/丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)信号通路被激

活。Jim 等[34]发现，番茄红素可提高H2O2 诱导的衰老 hMSCs 的生存能力，降低 ROS 水平;胞

内p38 MAPK 表达上调，同时 Mn SOD 浓度增加，提示番茄红素通过p38 MAPK 和PI3K/AKT

信号通路共同调节 ROS 水平。Jin 等[35]发现衰老的人脐带间充质干细胞(umbilical cord

mesenchymal stem cells,UCMSCs)，衰老相关分泌表型(senescence-associated secretory

phenotype,SASP)的主要成分单核细胞趋化蛋白 1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1)浓度

升高，通过其同源受体趋化因子受体2增加ROS 的浓度，在激活 p38 MAPK-p53/p21 通路后，

正反馈进一步提高MCP-1 的分泌，加速细胞衰老进程。

　 4　、延缓 MSCs 衰老的相关研究与进展

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间充质干细胞衰老影响因素与相关信号通路来源：口腔生物医学作者：沈昕;吴国锋;秦海燕发布于：2020-08-04共12509字　　摘　　　　要：间充质干细胞(MSCs)因具有低免疫原性，强抗炎及免疫调节作用，成为细胞治疗及再生医学中重要的细胞来源之一。然而，体外培养的MSCs易衰老特性制约着其临床发展与应用。如何延缓MSCs的衰老成为国内外学者研究的热点。本文综述了MSCs衰老相关信号通路及生物活性物质等延缓MSCs衰老的研究进展，以期为MSCs的临床应用提供新的思路。关键词：间充质干细胞;衰老;延缓;氧化应激;间充质干细胞(mesenchymalstemcells,MSCs)具有自我更新、多向...

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