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

外源性及內源性因素對骨骼肌衛(wèi)星細胞增殖與分化的影響,細胞生物學論文骨骼肌是由高度分化的多核肌纖維構成的特殊組織類型，能夠收縮產(chǎn)生氣力和運動。成體骨骼肌細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，其功能恢復亦不理想，最終可導致軀體運動功能喪失，使傷者往往喪失勞動能力，不僅影響本身的生存質量，還會給家庭和社會帶來沉重的負擔[1].成體骨骼肌的再生和修復主要依靠于附著在肌纖維上的一類特殊的單核細胞亞群，即衛(wèi)星細胞。深切進入探尋求索衛(wèi)星細胞在增殖和分化方面的生物學特性，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)星細胞的外表分子標志物、失神經(jīng)支配后增殖和分化的變化及體內外各種因素對其增殖分化的影響等方面做一綜述。1衛(wèi)星細胞概述衛(wèi)星細胞嚴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，進而增殖和分化，構成具有融合性的肌母細胞。肌母細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)星細胞數(shù)量仍能保持穩(wěn)定，這一事實表示清楚，衛(wèi)星細胞同時具有自我復制和分化能力，即組織干細胞特性[5-6].衛(wèi)星細胞是肌源性干細胞的一種。肌源性干細胞異質性較高，具有多向分化潛能，可分為多個亞群，如衛(wèi)星細胞、側群細胞等，不同亞群的細胞外表標志物表示出、成肌轉錄因子誘導和體內外增殖特點均存在差異。華而不實，衛(wèi)星細胞所占比例最大，是已經(jīng)得到公認的肌源性干細胞，在成年動物體內負責肌肉的損傷后修復和再生[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胞數(shù)量，一方面分化構成新生肌纖維，修復骨骼肌損傷，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)星細胞的特異性外表分子標志物衛(wèi)星細胞的干細胞特性對于成年個體的肌組織損傷修復和再生有著非常重要的意義。為了更好地研究其生物學特性，找到鑒別和分離純化衛(wèi)星細胞的特異性標志物至關重要。自1961年衛(wèi)星細胞初次被發(fā)現(xiàn)和描繪敘述以來，很多細胞外表蛋白都曾被以為是衛(wèi)星細胞的標志分子，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干細胞來源的細胞類型，因而特異性并不高。當前已經(jīng)構成的共鳴是，在成年嚙齒類動物中Pax7〔paired-boxtranscriptionfactor7〕的表示出是具有肌源性細胞分化潛能的衛(wèi)星細胞的特異性標志。Pax7是配對盒轉錄因子家族中的成員之一，在靜息和活化的衛(wèi)星細胞核內均有表示出，但在靜息衛(wèi)星細胞中表示出含量最高，隨著衛(wèi)星細胞的活化、分化和成熟而逐步下調[14].研究顯示，Pax7是衛(wèi)星細胞存活和發(fā)揮肌源性干細胞功能不可或缺的條件。在Pax7基因缺失的小鼠體內，衛(wèi)星細胞幾乎完全缺失，應該由衛(wèi)星細胞介導的出生后骨骼肌生長表現(xiàn)出嚴重缺陷，側群細胞數(shù)量雖不受影響，但只表現(xiàn)出造血細胞分化潛能而不能向肌源性細胞方向分化，導致小鼠多在2周內死亡[15].因而，越來越多的研究將Pax7作為辨別衛(wèi)星細胞的特異性標志物[6,16].在衛(wèi)星細胞活化、分化的經(jīng)過中，Pax7表示出逐步下調，而肌分化抗原〔myogenicdifferentiationantigen,MyoD〕表示出則逐步上調。文獻報道，Pax7在靜息和活化的衛(wèi)星細胞中均有表示出，而MyoD主要表示出于活化的衛(wèi)星細胞[9-10].MyoD為肌源性細胞特異性表示出的一種轉錄因子，屬于成肌調節(jié)因子家族〔muscleregulatoryfacors,MRFSs〕。MyoD缺陷的小鼠肌衛(wèi)星細胞自我復制不受影響，但無法進入分化階段，因而將導致肌纖維修復能力障礙[17-18].有人以為，靜息狀態(tài)下的衛(wèi)星細胞為Pax7+/MyoD-;當衛(wèi)星細胞進行自我復制時變?yōu)镻ax7+/MyoD+;進入活化階段后，Pax7表示出下調，外表標志物表示出譜變?yōu)镻ax7/MyoD+;最終，分化進入晚期階段，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)星細胞進入不可逆分化階段的標志[16].3失神經(jīng)支配后衛(wèi)星細胞增殖和分化的變化盡管很多研究已經(jīng)證實，在適當刺激的條件下〔如局部損傷等〕，衛(wèi)星細胞可被激活而發(fā)揮組織修復作用，但對于臨床上常見的神經(jīng)損傷后引起的肌肉萎縮，衛(wèi)星細胞并不能有效代償肌肉質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)星細胞的修復性成肌活動非常有限，只要少量短小的異常肌管構成。衛(wèi)星細胞數(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)星細胞的異常分化導致的耗竭有關[21].失神經(jīng)后衛(wèi)星細胞數(shù)量和增殖活性的降低導致肌肉修復能力減弱，殘存余留衛(wèi)星細胞的增殖能力仍有待進一步研究[22].已有研究表示清楚，從失神經(jīng)肌肉中分離得到的衛(wèi)星細胞，TUNEL和caspase活性顯著高于對照組衛(wèi)星細胞，DNA碎片含量亦顯著增加，講明衛(wèi)星細胞對凋亡的易感性增加是失神經(jīng)后衛(wèi)星細胞數(shù)量減少的可能機制之一[23].關于失神經(jīng)后衛(wèi)星細胞的分化情況，當前的諸多研究結果尚存在較大爭議。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28d[21,24].這也許代表衛(wèi)星細胞正在進行代償性分化以彌補失神經(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)星細胞的分化遭到多重因素影響。下運動神經(jīng)元損傷后MyoD表示出增高程度較上運動神經(jīng)元損傷時更為明顯；同為下運動神經(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)星細胞增殖能力降低，異常分化無法構成有功能的成熟肌纖維，因而適當抑制衛(wèi)星細胞的過度分化可能具有保存殘存余留衛(wèi)星細胞，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，其機制尚不明確，可能與不同類型肌纖維的構成比例有關[19].以上研究表示清楚，失神經(jīng)后增殖能力下降和反復發(fā)生的過度分化是導致衛(wèi)星細胞池耗竭的主要原因。4外源性及內源性因素對衛(wèi)星細胞增殖和分化的影響當前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，多種外源性及內源性刺激均可對衛(wèi)星細胞的增殖和分化有促進作用，包括電刺激、運動和機械牽拉、激素和細胞因子等。電刺激對衛(wèi)星細胞的增殖具有促進作用。對于甲狀腺功能減低的大鼠模型，電刺激能夠使衛(wèi)星細胞核占全部肌細胞核的百分比明顯增加，且該效應隨著刺激時間延長而逐步加強。接受電刺激5、10、20d時衛(wèi)星細胞數(shù)量可分別到達正常對照組的2.6、3.0、3.7倍。固然甲減本身可引起衛(wèi)星細胞數(shù)量的稍微增高，但仍與電刺激后的衛(wèi)星細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的方式標記增殖的衛(wèi)星細胞，發(fā)現(xiàn)電刺激5d時，BrdU陽性的增殖期衛(wèi)星細胞數(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。電刺激促進衛(wèi)星細胞增殖的效應還具有肌纖維類型特異性，刺激5d時，增殖期衛(wèi)星細胞增加已經(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)星細胞數(shù)則開場降低[27].上述兩項研究結果表示清楚，電刺激可在短期內明顯促進衛(wèi)星細胞的增殖，隨著刺激時間延長，這種促進作用有減弱的趨勢，最終使衛(wèi)星細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)星細胞數(shù)量還有可能通過抑制細胞凋亡的途徑實現(xiàn)。固然當前尚無針對電刺激與衛(wèi)星細胞凋亡的相關研究，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)星細胞的凋亡有抑制作用。除此之外，電刺激對衛(wèi)星細胞增殖的促進作用還與個體年齡有關。Put-man等發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一樣時間和強度的電刺激后，年輕大鼠〔15周齡〕的衛(wèi)星細胞數(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)星細胞分化程度則高于年輕大鼠[30].電刺激對衛(wèi)星細胞分化的影響主要具體表現(xiàn)出在改變MyoD及衛(wèi)星細胞分化晚期蛋白Myogenin的表示出水平。電刺激能夠對衛(wèi)星細胞分化起到促進作用。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[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合機械牽拉，則MyoD的表示出水平受抑制程度有所減輕[33-34].引起各項研究結果間不一致的可能原因與刺激強度和動物模型種類有關。低頻電刺激以促進衛(wèi)星細胞分化，上調MyoD表示出的效應為主，當刺激強度過高時，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)星細胞的過度分化有明顯相關性，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衛(wèi)星細胞分化，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)星細胞數(shù)量的效應。除電刺激以外，還有其他多種因素可對衛(wèi)星細胞的增殖和分化產(chǎn)生影響。運動和機械牽拉對衛(wèi)星細胞的增殖分化具有明顯的促進作用。運動或牽拉的方式不同，衛(wèi)星細胞的變化也有差異。Smith等[35]發(fā)現(xiàn)，連續(xù)每日30min的跑坡運動可使正常大鼠骨骼肌中被BrdU標記的增殖期衛(wèi)星細胞數(shù)量明顯增高，這可能與運動造成的肌纖維損傷誘導的肌纖維修復再生加強有關?；加写x綜合征的肥胖大鼠多伴有衛(wèi)星細胞增殖水平的下降，而負重訓練則可使此類大鼠的增殖期衛(wèi)星細胞數(shù)量明顯增加[36].根據(jù)Urbani[37]的觀察，低氧環(huán)境可加強衛(wèi)星細胞在體內和體外的增殖能力，這一結果講明，運動對衛(wèi)星細胞增殖的促進作用可能是通過營造局部缺氧環(huán)境實現(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)象的機制尚不明確，但該研究表示清楚，同時應用電刺激和機械牽拉可能有助于避免單純電刺激治療對失神經(jīng)骨骼肌內衛(wèi)星細胞分化的過度抑制[34].性激素和各類細胞因子均可對衛(wèi)星細胞的增殖分化產(chǎn)生影響。雌二醇可使接受跑坡訓練的大鼠骨骼肌內Pax7和MyoD表示出量上調，并增加BrdU陽性的增殖期衛(wèi)星細胞數(shù)量，進而可能通過激活衛(wèi)星細胞來促進骨骼肌的損傷后修復[38].去勢雄性大鼠的提肛肌內衛(wèi)星細胞在失神經(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)星細胞增殖不可或缺[39].胰島素樣生長因子〔IGF〕-1[40]、力生長