造血干细胞发生关键信号通路

徐家楷

【摘 要】造血干细胞是目前临床治疗上应用最广的干细胞类型，深入研究造血干细胞将有助于我们分析并治疗诸多的血液疾病和免疫疾病。如何高效获得造血干细胞是近二十年来一直没有解决的问题，于此我们简要总结了目前造血干细胞研究领域中发现的与造血干细胞体内发育或体外分化相关的重要信号通路，旨在加深对造血干细胞的认识。

【关键词】造血干细胞；信号通路；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

【中图分类号】R35.36 【文献标识码】B 【文章编号】1005-0019（2018）20-0-01

造血系统是人体功能最活跃的系统之一，每天都要产生上千亿个血液细胞，而这样旺盛的新生过程主要依赖造血干细胞（Hematopoietic Stem Cells， HSCs）的强大功能。

HSCs具有极大的临床应用价值。1957年，Thomas等人通过给放疗和化疗后的病人输送健康骨髓成功治疗了造血功能障碍。目前HSCs已被广泛应用于血液和免疫疾病的临床治疗。HSCs主要从骨髓、脐带血或外周血中获取，其来源的有限性严重限制了基于HSCs的移植试验、疾病模型的建立和药物筛选等应用。然而目前并不能有效地扩增具有长期重建能力的HSCs。因此，我们需要对调控HSCs生存和功能的信号通路进行深入的了解和分析，来指导我们进一步的研究。

一、造血干细胞

造血干细胞是一类具有自我更新和多向分化的潜能，能够分化形成各种成熟血液细胞的成体干细胞。目前主要用流式细胞术来对HSCs依据表面抗原进行收集和纯化。CD34抗原最早被报道可以富集HSCs，但CD34还远不足以进行HSCs的特异性标记，现在科研中常用的小鼠和人的造血干祖细胞表面抗原见表1。

二、造血干细胞发生相关信号通路

胚胎发育过程中，HSCs的发生需要信号分子进行时空特异性的精确调控。首先由造血中胚层产生生血内皮，之后在特异信号通路的诱导下特化为HSCs。

2.1 调控造血中胚层特化的信号分子

HSCs在背主动脉产生，而背主动脉由胚胎腹侧尾部侧板中胚层发育而来。参与尾部中胚层形成的信号通路主要为Wnt、BMP信号通路。不同组织的形成需要各种不同信号分子的调控。研究表明，造血中胚层特化的过程中，Nodal、Wnt和BMP主要诱导Cdx基因的表达，而Cdx基因进一步调控Hox基因的表达，如Hoxa9和Hoxb4等[1]，这些基因表达对于HSCs发育均为必需。Wang等通过分别添加 WNT3α和BMP4，观察各自影响效果的差异，得出了WNT信号通路和BMP信号通路共同指導胚胎干细胞向HSCs分化的结论[2]。

2.2 调控生血内皮形成的信号分子

HSCs的发生直接来源于背主动脉腹侧底部的生血内皮细胞，该细胞群表达VEGF受体KDR（也称为FLK1和VEGFR2）。在小鼠和鸡胚中，两侧的动脉在胚胎中线处融合形成主动脉后才能产生HSCs。该过程受Shh和VegfA两种信号的调控。干扰Shh信号表达，部分成血管细胞虽能够迁移到中线处参与动脉融合，但不能启动血细胞表面抗原的表达。这说明主动脉的形成与HSCs的发生需要共同的信号分子诱导。

HSCs只在动脉中产生说明动脉的特化是其产生的前提。动脉内皮的特化依赖于Notch信号。缺失Notch1或Notch4或者Notch信号通路的重要因子均导致动脉内皮的缺失。由于动脉内皮的特化往往在内皮细胞迁移至胚胎中线之前就已经开始，所以HSCs的特化也应该在内皮迁移和融合的过程中发生。

2.3 调控生血内皮产生造血干细胞的信号分子

HSCs最终由背主动脉的生血内皮产生，该过程受多种信号通路调控。

2.3.1 Notch信号

Notch信号不仅调节动脉内皮和静脉内皮的产生，还调控HSCs的特化。Notch信号通路和Wnt信号通路可以选择性地调控造血过程。Zhou等发现，Wnt信号通路调控的基因在特定分化时间的AGM区和胎肝中的表达出现明显增长，可以保持造血前体细胞的增殖潜能，而此时出现的Notch信号通路上调则与该造血前体细胞维持不分化的状态有很大关系。敲除Notch下游基因Mib的小鼠和斑马鱼胚胎不能产生HSCs；小鼠Notch信号通路中Csl的敲除导致HSCs数量锐减；阻断Notch信号通路后，HSCs的分化率和造血系统的重建能力提高。Notch配体Jagged 1敲除后，小鼠能形成动脉但HSCs却显著减少[3]。Notch1可上调Gata2和Runx184进而诱导生血内皮产生HSCs。Notch信号是保持HSCs未分化的关键，能维持HSCs的自我更新能力，并抑制其成熟。但是HSCs发育过程中并不是一直需要Notch信号， 特别是在内皮细胞向造血细胞转化的过程中Notch信号需要一定程度的下调。

2.3.2 Shh-VegfA信号

Notch介导的HSCs的特化直接受Shh-VegfA信号通路调控。Shh信号诱导体节分泌VegfA；VegfA通过受体VEGFR2调节内皮细胞表达动脉标记Efnb2a并激活Notch受体Notch3表达；Notch则诱导生血内皮特化为HSCs。因此，Shh、Vegfr2和Notch信号共同诱导HSCs产生。

2.3.3 BMP信号

BMP和Wnt共同调节造血中胚层的发生。但最近研究表明，BMP也参与人胚胎干细胞向HSCs分化的过程[4]。BMP-4在体外环境下被证明可以使猴子造血前体细胞数量大幅增加。在人体内也可以诱导人胚胎干细胞分化为滋养层细胞而且造血前体细胞在培养过程中大量增加。阻断BMP信号通路将导致HSCs的特化失败；而外植体培养中AGM区分泌的BMP4能够增强AGM区产生HSCs的潜能。

2.3.4 WNT信号

Wnt信号通路和BMP信号通路为HSCs分化所必需。实验证明，WNT信号通路通过多条途径起始和维持HSCs的特化。Wnt3a信号蛋白可以激活经典信号通路，引起β-catenin积累进而和转录因子T、淋巴结增强因子发生反应激活下游的靶基因来调控HSCs的自我更新。Wnt3a敲除的小鼠胎肝的HSCs数量减少，且不能够连续移植受体小鼠；β-catenin敲除的生血内皮大都丧失产生HSCs的能力[5]。这些结果证明经典的WNT-β-catenin信号对于生血内皮启动造血发育是必需的。而斑马鱼Wnt16及其配体缺失导致HSCs无法形成证明了非经典WNT信号通路在HSCs的特化中也起着不可或缺的作用。Huang等在不存在细胞因子作用的环境下调控 Wnt信号通路，体外成功扩增小鼠的HSCs，这也进一步验证了Wnt信号通路的诱导调控作用。

三、总结与展望

本文总结了目前HSCs研究中一些重要的信号通路及其相互之间的关联，这些信号通路可以直接調控HSCs的发生过程，了解这些重要的信号通路将有助于深入了解造血干细胞发生过程，是我们深入研究HSCs的必经之路。

当下，细胞治疗和基因治疗已经成为再生医学领域中的热点，HSCs作为再生领域的领跑者，目前从胚胎干细胞分化为造血干/祖细胞的操作已经变得可行且有一定的重复性保证。随着基因测序和RNA测序技术的发展，富集HSCs的分选策略的成熟，人们对HSCs的基因调控网络已经有了更全面、更准确的认知，使得HSCs的大量获得不再空谈。

但目前的研究中，存在一些难点与障碍：首先，对真正HSCs的定义是不明确的，对于真正能够重建整个血液系统的功能性造血干细胞的标准仍待探究；其次，HSCs目前还不能真正实现在体外的长期培养，在体外培养时，HSCs干性不断减弱，更倾向于进行细胞分化。目前还没能发现可以稳定在体外维持HSCs状态的传代培养基；最后，鼠作为主要的实验模型和人的HSCs存在着非常大的差异，很多实验无法通过鼠来进行验证。

以上三个亟待解决的问题将是HSCs研究领域下一个突破点，相信随着科研的不断深入，我们将能够把HSCs更好地应用到临床治疗当中来更好地造福人类。

参考文献

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Y Wang，K Umeda，N Nakayama.Collaboration between WNT and BMP signaling promotes hemoangiogenic cell development from human fibroblast-derived iPS cells[J].Stem Cell Research，2010，4（3）：223-231.

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K Chadwick，L Wang，L Li，et al.Cytokines and BMP-4 promote hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells[J].Blood，2003，102（3）：906-915.

C Ruizherguido，J Guiu，T D'Altri，et al.Hematopoietic stem cell development requires transient Wnt/β-catenin activity[J].Journal of Experimental Medicine，2012，209（8）：1457-1468.