RNA联合信号通路调控脂肪干细胞分化的机制研究分析

李军最 黄克 李林 李兴艳 张波 胡敏 梁红锁 蔡敏 杜勇军 马鸳霞

作者单位：530031 广西南宁，广西医科大学第三附属医院

近年来，随着干细胞研究的不断深入，来源于骨髓、脂肪、神经胚胎等组织的干细胞已经成为组织再生和工程领域有吸引力的干细胞来源，且再生医学、转化（分化去分化）医学以及3D打印近年来得到了广泛关注。然而脂肪间充质干细胞在种子细胞来源、遗传稳定性、多向分化潜能等特性上具有明显的优势。脂肪间充质干细胞（ADSCs）可来源于骨髓、脂肪、皮肤、肌肉、角膜等各类组织，现在也有报道从牙齿中提取。同时，因其具有多方向潜能受到研究者关注。自发现ADSCs以来，人们对ADSCs做了大量研究，尤其在它的来源（去分化）和多向分化效率上，这些研究都旨在明确 ADSCs能否结合细胞组织工程从而解决人类疾病问题。而在ADSCs的多向分化潜能上，它的多向分化机制不详决定了它的分化效率低下从而直接限制它的应用。根据文献回顾性分析，此前大量的研究报道都侧重于蛋白质信号通路入手，也有少部分文献报道了RNA参与脂肪干细胞多向分化调节的生物学机制，但关于细胞内各种蛋白质信号通路合并编码非编码RNA调控脂肪干细胞分化生物学机制研究的文献报道较少。因此有必要为RNA联合细胞信号通路调控脂肪干细胞分化的生物学机制研究作一系统的总结及分析，为研究RNA联合信号通路调控脂肪干细胞分化提供直接信息，提高研究者效率。

1 脂肪干细胞的多向分化潜能

脂肪干细胞（Adipose derived stem cells）是从脂肪组织中分离得到的一种具有多向分化潜能的干细胞，经过适当地诱导可以分化为脂肪[1]、骨[2]、软骨、神经、肌肉、内皮细胞[3]、心肌起搏细胞[4]等多种细胞，同时具有修复器官组织损伤及调节机体免疫等功能，被广泛运用于疾病治疗（器官组织损伤和调节免疫功能）、美容整形（再生与转化功能）、抗衰老（遗传稳定性）等方面[5]。它实际上是一类间充质干细胞，与来自骨髓的间充质干细胞不同，它最大的优点在于其增殖能力与年龄无关，而只与提供者的体质有关。在来源方面，最近发表在Medicine期刊上的一项新研究在髋关节置换丢弃的滑膜组织中发现了一种新型的干细胞来源[6]，来自美国塔夫斯大学团队研究发现了神经元祖细胞去分化的“重回”状态[7]。然而在脂肪干细胞软骨分化效率及应用上，它的多向分化机制不详决定了它的分化效率低下从而直接限制了它的应用，大量的研究者都着重于脂肪干细胞软骨分化过程中蛋白质分子信号通路参与的机制研究[8，9]，如BMP/TGF-β、Notch、Wnt/β-连 环 蛋 白、Hedgehog和 Hippo通路等；也有少部分学者研究RNA对脂肪干细胞分化的作用机制[10,11]，其中研究较多的为miRNA、lncRNA、circRNA等非编码RNA。

截至2017年11月15日，在美国国立卫生研究院（NIH）临床试验数据库中通过关键字搜索发现注册的关于脂肪干细胞的研究超过159项（其中东亚最多，约45项；美国其次，约38项；欧洲约36项），这显示脂肪干细胞具有广阔的应用前景。总而言之，脂肪干细胞因其具有多向分化潜能、取材容易等各方面优势受到研究者的关注。

2 蛋白质信号通路调控脂肪干细胞分化

大量研究表明，ADSCs可以分化为多种类型的细胞，但其具体生物学机制不详。蛋白质细胞的通路水平主要受 BMP/TGF-β、Notch、Wnt /β- 连环蛋白、Hedgehog和Hippo通路[12]等信号通路调控。参与通路的每一个蛋白质分子都受到遗传（转录翻译）、表观遗传（甲基化、组蛋白修饰）和外源信号传导因子的复杂阵列调节，使其在细胞发育和分化期间引导细胞行为,如β-连环蛋白和Notch信号通路促进造血祖细胞的扩增[13]、齐墩果酸通过抑制Notch信号来增强间充质干细胞的成骨能力[14]、Notch信号可以使脂肪细胞祖细胞分化为成熟的脂肪细胞[15]等。同时也有研究发现，NICD与CSL蛋白的结合使CSL蛋白由转录抑制物转变为转录激活物，激活靶基因的转录从而抉择脂肪干细胞的分化方向[16]。而有研究[17]发现Wnt/β-Catenin信号通路可以促进成骨细胞在炎症环境中的分化，Chen等[18]发现 0.5 Gy X 射线辐射通过 Wnt /β- 连环蛋白信号传导促进成骨细胞分化；同年Tang等[19]研究肥胖早期Wnt5a通过MAPK非依赖途径调节细胞增殖和脂肪的形成，Morsczeck等[20]利用Wnt3a和在脂肪组织衍生的间充质干细胞中诱导成骨分化。

有研究显示Wnt信号对脂肪来源干细胞分化胰岛β细胞有明确的关系[21]，这有助于治疗糖尿病、胰腺炎等疾病。而Hedgehog通路活性水平的融合抑制剂对颅骨发育过程中的成骨增殖和分化是至关重要的[22]。同时通路之间也密切联系，进一步控制干细胞的分化。如Wnt信号通路与PPARγ也有着密切的联系[23,24]。上述研究均已明确体现出不同的信号通路可以促进脂肪干细胞向不同的方向分化。但其具体发生发展的生物学机制仍不明确。

3 RNA调控脂肪干细胞分化

RNA主要包括编码RNA与非编码RNA，编码RNA（mRNA）作为模板将其从DNA序列中“转录”而来的信息“翻译”到蛋白质氨基酸序列当中。非编码RNA则是指一类不能作为翻译模板的RNA，早期它主要是指核糖体RNA（rRNA）、转运 RNA（tRNA）、snRNA。也有研究在 RNA 长度上将非编码RNA按长度大于或小于200nt人为地分为长链非编码RNA（lncRNA）和小非编码RNA（small noncoding RNA）。同时按其发生来源、序列信息特性及生物学功能划分，非编码RNA主要分为环形 RNA（circRNA）、microRNA（在细胞质中），microRNA通过结合AGO2对mRNA进行转录后调控，一些长链非编码RNA以及部分环形RNA在细胞质中作为竞争性内源RNA（ceRNA）来竞争性结合microRNA、piRNA、lincRNA、antisense lncRNA等。有研究表明[21]非编码RNA因其各种各样的生物学特性及细胞内亚定位的不同，在细胞再生分化水平上起着重要的生理调控功能。如miRNA和lncRNA在细胞成骨分化中发挥重要作用，来自Hu[25]课题组的非编码RNAs成骨细胞分化的全基因组分析和预测明确了这一点，它们通过基因芯片以及各种涉及编码非编码RNA（包括各种编码与非编码之间的互联网）及蛋白质分子信号通路的在线软件技术把miRNA、IncRNA成骨分化联系在一起从而发现XR_111050（一种IncRNA）是成骨细胞分化的必需品。

同时Sera等[26]研究的miRNA调控骨骼发育课题发现随着成骨分化共检测到1 269个差异的miRNA，其中648个基因显著上调，621个基因下调；Wei等[27]课题组发现MicroRNA-21通过靶向Smad5来调节牙周韧带干细胞的成骨分化；Cao等[28]染miR-214后发现Wnt/β-catenin信号增强并促进牙周膜干细胞成骨分化；Zhang等[29]发现另外一种miRNA（MiR-335-5p）的过度表达也能促进小鼠骨形成和再生[28]。也有研究着重研究环状RNA分子，Qian等[30]在BMP2诱导的MC3T3-E1细胞的成骨分化过程中通过差异性circRNA表达谱发现cirRNA与成骨分化有着不可分割的关系。而长非编码RNA已经是现在所有国基课题研究中最热门的分子之一，各项研究都表明它结合miRNA后对mRNA起抑制作用，从而使基因表达增强，如2017年Zhou等[31]发现IncRNA H19介导乳腺癌细胞在EMT和MET可塑性期间通过差异化地扩增miR-200b/c和let-7b而使它的可塑性增强；Chen等[32]在IncRNA（TINCR）作为竞争性内源性RNA起作用的课题中，将miR-375扩展到胃癌来调节PDK1的表达。总之，随着基因组织工程及3D再生医学的兴起，脂肪干细胞多向分化的潜能毋庸置疑，大多数的研究者把重点放在信号通路以及RNA上，而把细胞信号通路、各种RNA与脂肪干细胞分化方向联系起来的研究较少，如Zhang等[33]发现长的非编码RNA CASC2通过在食管癌中靶向miR-18a-5p调节PTEN的表达来抑制肿瘤发生；Ouyang等[34]转染lncRNA BCAR4后发现BCAR4可以通过保护β-catenin免于降解，从而激活经典Wnt信号通路传导促进结肠癌的发生。这些少数的研究虽把三者联系起来，但都只涉及到上游和下游的具体生物学机制问题，并没有深入到具体亚定位及miRNA与各种RNA之间的剪切问题，具体机制有待进一步深入研究。

4 总结

现今，脂肪干细胞已经成为细胞治疗的有力武器,应用于各种疾病研究,但仍存在许多挑战,尤其是由于分化的分子生物学机制不详导致脂肪干细胞分化效率低下限制了其相关的临床应用。随着网络技术的发展，各种数据库以及在线网络软件的完善，如KEGG、GO分析、miRNA数据库、IncRNA数据库、TargetScan等在线软件给现在的研究带来了便利。如上所述，现已有大量的研究着重于脂肪干细胞分化与信号通路之间的关系或者是分化与RNA之间的联系，很少把三者联系起来。因此，脂肪干细胞分化过程中方向的抉择与信号通路、各种编码非编码RNA之间的联系有待以后逐步完成。同时，上述研究结果都是在体外条件下获得的,而且多数分化的鉴定都只局限于细胞表型而很少涉及具体的生物学机制。因此,接下来的工作应重点研究在体内脂肪干细胞是否可以通过信号通路与RNA的连接点选择预设的分化方向，具体的分化方向如何。对于脂肪干细胞的多向分化过程，相关编码非编码RNA及蛋白质分子参与的具体生物学机制，目前知之甚少，可以通过基因测序芯片、基因芯片、基因相互网络、在线软件技术对基因表达和蛋白质组的研究比较脂肪干细胞、成熟细胞间基因及蛋白表达的差异找出关键基因和蛋白质分子，从而确定调控脂肪干细胞分化方向的各种编码、非编码 RNA（如miRNA-IncRNA、EIciRNA-antisense-lncRNA-lincRNA等）与信号通路的交通点，从而进一步通过体外细胞实验证实。同时,着眼于临床应用,还要有大量的动物模型实验甚至是人体实验需要完善。

总之，脂肪干细胞分化方向的生物学机制研究才刚刚起步,很多基本问题还需要深入研究和探讨。而有关RNA、细胞信号通路、脂肪干细胞分化方向的抉择这三者联系的研究需不断增加和进一步深入。