基质细胞衍生因子-1/受体生物轴相互作用的研究进展

车宇芳

（中日友好医院 消化科，北京 100029）

趋化因子又称趋化性细胞因子，是一类能趋化白细胞定向移动的小分子分泌蛋白。其受体是GTP-蛋白偶联的跨膜受体（G protein-coupled receptors，GPCRs）。 基质细胞衍生因子-1（stromal cell derived factor-1，SDF-1） 归属于A类趋化因子，也叫趋化因子配体12（CXC chemokine ligand-12，CXCL12），是一种小分子量（ 8～10Kd）细胞因子，作为趋化因子家族成员之一，SDF-1存在于许多组织和器官细胞表面上的趋化因子受体（chemokine receptor 4，CXCR4）受体的腺体，并能够与趋化因子受体特异性偶联，参与多种信号的转导过程。近来研究表明，SDF-1在胚胎发育、血管生成、炎症、肿瘤、艾滋病等机体众多的生理、病理过程中发挥重要作用。基质细胞衍生因子-1/受体（SDF-1/CXCR4）生物轴，作为骨髓间充质干细胞（mesenchyal stem cells，MSCs）主要定植生物学因子，在组织修复过程中，能够趋化循环干细胞到达损伤部位，促进干细胞存活及横向分化等；同时可以介导胚胎发育，细胞归巢肿瘤转移等生理活动，SDF-1/CXCR4生物轴被认为是当前肿瘤治疗领域的重要分子靶标之一，其与血行转移、淋巴结转移以及预后密切相关，可以作为预测术后转移的独立危险因素等。我们简要讨论SDF-1/CXCR4生物轴在人体各细胞调节中的形成和功能。

1 SDF-1和CXCR4的介绍

趋化因子是由不同类型细胞分泌的能使细胞发生趋化运动的低分子量（8-12KD）的细胞因子。趋化因子与受体结合后在许多病理生理过程中起重要作用。目前对于趋化因子及其受体研究较多的是CXCR4，SDF-1是它的唯一配体，系统命名CXCL12。SDF-1和CXCR4广泛地表达于多种细胞和组织中，包括免疫细胞、脑细胞、心肌细胞等，在免疫系统、循环系统及中枢神经细胞的发育过程中起着至关重要作用。同时含有血管生成促进分子和抑制分子的CXC趋化因子家族在白细胞迁移、免疫应答、血管生成和肿瘤转移中具有多重作用。基质细胞衍生因子-1（SDF-1）被认为是一种小的血管生成促进趋化因子[1]，其首先被克隆为一种蛋白质，其表面捕获特殊氨基末端信号序列，人类CXCR4最初被确定为SDF-1的受体，是通过筛选趋化因子受体孤独基因，其能诱导人体细胞内钙离子以应对人SDF-1的能力。通过克隆候选趋化因子受体并比较人氨基酸序列和人脱氧核糖核酸，随后发现了小鼠CXCR4。最近研究已经显示，SDF-1与另一受体趋化因子受体 7（chemokine receptor 7，CXCR7）相结合[2]。

近年来很多研究指出，趋化因子SDF-1与其特异性受体CXCR4所构成的SDF-1/CXCR4生物学轴在许多肿瘤的播散和器官特异性转移中发挥重要作用。SDF-1的构成型和诱导型表达已经在几种组织中有所报道，如骨髓、心脏、肝、肾、胸腺、脾脏、骨骼肌和脑中[3]。SDF-1通过分析人和小鼠基因组结构的选择性剪接产生2个同工型，即SDF-1α和SDF-1β，SDF-1α包含 3个外显子，编码89个氨基酸的蛋白质，而SDF-1β由4个外显子组成，编码93个氨基酸的蛋白质。2种同工型的序列高度相似，仅在SDF-1β的C末端具有4个额外氨基酸的差异。其他趋化因子的基因是聚类的，而SDF-1不同，SDF-1已经被映射到独特的染色体定位和高度保守的序列，在不同物种的趋化因子家族中表现出独特的生物学功能。随后有研究发现在成年大鼠脑、心脏和肺脏中，存在着另一个名为SDF-1γ的剪接变异体。最近，Cavnar等人报道了在不同组织中有另外 3 种人剪接变体 SDF-1δ，SDF-1ε和 SDF-1ζ[4]。 将来，更多的调查研究来确认这些SDF-1变异体的功能。

研究得知，SDF-1和CXCR4之间的相互作用影响多个下游信号通路，其调节细胞运动性、趋化反应、细胞粘附和基因转录相关的各种生物学效应[5]。通过CXCR4受体激活蛋白质途径导致几种信号级联的调节，包括腺苷酸环化酶失活、激活富含脯氨酸激酶2、Rho GTP酶激活、MAPK激活 p42/44-ELK-1、Jak/STAT 和 PI3K-AKT-NF-κB 轴、Crk 和 Crk-L、粘着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）、细胞质衔接相关蛋白 （P130 Crk-associated substance，p130Cas）和桩蛋白以及磷脂酶 C（phospholipase C，PLC）、蛋白激酶 C（protein kinase C，PKC）和钙释放[6]。 第 2 个SDF-1受体、CXCR7也可能激活MAPK、PI3K和Jak/STAT通路，从而调节干/祖细胞迁移[7]，SDF-1/CXCR4信号轴参与到大鼠颖下颂关节骨关节炎的进程中；SDF-1/CXCR4信号轴或许通过细胞外调节激酶 （extracellular signalregulatedkinase，ERK）信号通路引起基质金属蛋白酶 3（matrix metalloproteinase-3，MMP-3）和基质金属蛋白酶9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）表达量的增加，但该具体机制仍需相关体外实验进一步探索[8]。

2 SDF-1/CXCR4轴在胚胎发育和成人造血中的作用

SDF-1/CXCR4生物学轴对中枢神经系统、心血管系统等的发育至关重要。SDF-1由多种类型骨髓（bone marrow，BM）基质细胞和许多器官中的上皮细胞产生。有人研究证明，CXCR4基因敲除的小鼠在胚胎发育过程中就会死亡，缺乏这个配体或（其）受体的小鼠往往不能正常发育，表现为小鼠的造血系统、心脏、中枢神经系统的发育缺陷，其原因为在胚胎发育时期，不同组织来源CXCR4表达阳性的组织干细胞在SDF-1趋化下，迁移到相应部位，进一步分化发育成不同的器官。骨髓基质细胞衍生因子（bone marrow stromal cell derived factor-1，BMSDF-1）大多在未成熟的成骨细胞的骨内膜区域中产生，这些细胞与干细胞壁相邻，BMSDF-1在人和鼠的骨髓内皮细胞中高度表达[9]。SDF-1涉及许多种类细胞的迁移，增殖，分化和存活，包括人和鼠造血干细胞和祖细胞。CXCR4广泛用于各种细胞类型，包括造血、内皮、基质和神经元细胞。已有敲除模型的研究显示缺乏SDF-1或CXCR4的鼠胚胎具有多种缺陷，有些是致死的，包括骨髓淋巴细胞和骨髓造血受损。虽然胎儿肝脏中的B淋巴细胞生成也受损，因事实上这种趋化因子也是前B细胞生长因子，但是胚胎胸腺中的T细胞发育和胎儿肝脏中的骨髓发育不受影响[10]。研究证明，正常小鼠与CXCR4基因缺乏小鼠的脑相比较，发现CXCR4基因敲除小鼠在小脑结构上出现异常，特别是外颗粒层的细胞过早地进入到内颗粒层，以至于不能正常出生。这些结果证明了SDF-1/CXCR4轴在确定的胎儿肝脏干细胞归巢到骨髓和/或在胚胎发育期间保留造血和器官再增殖的重要作用。

3 SDF-1/CXCR4轴在肿瘤转移和组织修复中的作用

肿瘤的发生是正常细胞在多因素共同作用下，经多步骤、遭受多重打击的复杂过程。慢性感染迁延不愈、病原持续刺激、病毒、毒素的遗传毒性导致的异常增殖反应都可能导致肿瘤的发生。趋化因子能募集特定的白细胞到炎症区，如果趋化因子持续高表达，有可能会造成广泛的组织损伤，增加癌变的概率。侵袭和转移是恶性肿瘤的主要生物学特征，也是许多恶性肿瘤的主要死因，肿瘤的迁移并非随机发生，而是因为受到自身细胞趋化因子和受累器官趋化因子的影响所致，SDF-1和CXCR4生物轴之间的相互作用已经显示出其能介导肿瘤转移[11]。有研究模拟SDF-1/CXCR4生物学轴提出了器官特异性转移的理论模型：CXCR4在肿瘤细胞高表达，与此相应，SDF-1在肿瘤转移靶器官如淋巴结、肺、肝、骨中高表达，而在非常规转移器官中表达水平却很低，肿瘤细胞凭借SDF-1与CXCR4的特异性亲和力，最终导致肿瘤向这些器官的特异性转移。在多种人类恶性肿瘤（包括乳腺癌，肝癌，胰腺癌，前列腺癌和胶质母细胞瘤）中已经检测到CXCR4的过度表达[1]。SDF－1/CXCR4轴作为舌癌淋巴结转移的一个重要途径发挥着重要作用，可成为一个抗肿瘤治疗靶点，关于淋巴结的转移的机制还需要更多的研究与探索[12]。李伟发现原发性肝癌SDF-1/CXCR4生物轴活性升高可以诱导内皮细胞形成新生血管，且转移癌的SDF-1/CXCR4生物轴活性及新生血管密度明显高于非转移癌，同时也发现随着SDF-1干预浓度的增加，细胞侵袭数目逐渐增多，更证实了SDF-1/CXCR4生物轴与细胞侵袭转移性密切相关[13]。迄今为止，SDF-1/CXCR4生物学轴在肿瘤转移中的作用已经分别在乳腺癌、胃癌、非小细胞肺癌、喉癌、横纹肌瘤等的研究中得到证实。这些数据支持SDF-1/CXCR4轴在一些肿瘤转移形成中的作用关系。

由于CXCR4特定的炎症趋化白细胞的作用，使它在不同的自身免疫性疾病中得到研究，包括系统性红斑狼疮、类风湿关节炎和自身免疫性的中枢神经系统多发性硬化症等，SDF-1/CXCR4轴也参与组织修复。有研究已经表明，四氯化碳介导的肝损伤，因介导SDF-1影响人CD34t祖细胞的增加，从而导致NOD/SCID小鼠的肝脏损肝增加，这表明SDF-1可直接利用造血祖细胞致组织损伤[13]。mayela等人已经证明，能表达CXCR4的大鼠肌肉的卫星细胞同时也可以表达SDF-1，这意味着特殊组织干细胞的迁移可能受SDF-1调控[14]。CXCR4在动脉粥样硬化过程中通过控制中性粒细胞动员和稳态从而起到了抗动脉硬化的作用[15]。

4 SDF-1/CXCR4生物轴是MSC的主要归巢因子

造血干细胞 （hematopoietic stem cells，HSCs）通常来源于骨髓，存在于外周血及脐带血，具有较强的自我更新和分化发育能力，可产生各种类型的血细胞。供体造血干细胞归巢是指HSCs通过静脉移植经外周血循环进入受体后，经复杂的分子间相互作用而介导的其在骨髓内的识别与定位。SDF-1不仅作为骨髓CXCR4表达HSC的趋化因子，而且还影响其生存和增殖，SDF-1及其受体CXCR4在骨髓、内皮细胞和基质细胞、血管平滑肌细胞都可以表达。不论在正常状态下还是组织损伤后，对于干细胞及骨髓祖细胞的归巢和动员均起着至关重要作用。此外，在过去十年中，大量的数据支持了SDF-1/CXCR4轴在MSC的生物学和生理功能中也起重要作用这一新的假说[16]。SDF-1在损伤位点上调，作为一种潜在的化学诱导剂，用于修复显现或隐藏表达CXCR4的骨髓基质细胞，这些组织特异性器官修复或再生包括肝脏、心脏、脑[17]、肾脏[18]和皮肤[19]。此外，SDF-1在损伤组织中的局部传递促进间充基质和祖细胞在心脏病变和脑中的循环[17]。Leah等人已经证明SDF-1在受伤的骨膜中被诱导，并通过在小鼠活的和死的骨移植物模型中诱导MSC至损伤部位来促进软骨内骨修复[20]。Pelekanos等人还证实，MSCs表面的CXCR4对于通过人类供体骨髓抽吸物的MSC来介导和调节细胞至骨髓的迁移是重要的[21]。1999年Science上报道，CXCR4抗体孵育后的干细胞无法实现归巢过程，这进一步表明造血干细胞的植入是依赖于造血干细胞表面表达的CXCR4。归巢包括一系列过程，以移植的干细胞粘附于骨髓血窦内皮始，继之以稳定的粘附并穿行内皮细胞，最终达到血管外骨髓微环境并开始重建造血。SDF-1与CXCR4相互作用可活化影响细胞分泌的重要转录因子NF-κB，刺激CXCR4阳性的HSCs分泌基质金属蛋白酶 （MMPs，如MMP2和MMP9）、一氧化氮和血管内皮生长因子等细胞因子，有助于细胞外基质中成分的降解及HSCs发生穿越细胞外基质的移行，而利于HSCs归巢及定位于造血微环境。

SDF-1/CXCR4生物学轴是指由趋化因子SDF-1与其特异性受体CXCR4相互作用而构成的一个与细胞间信号转导、细胞迁移有密切关系的偶联分子对，其实质在于CXCR4对其配体SDF-1的高度亲和力和绝对特异性，目前发现的SDF-1受体主要有CXCR4和CXCR7两种，因CXCR7发现较晚，医学界对SDF-1/CXCR7生物轴的认识尚处于初期阶段，而SDF-1/CXCR4生物轴则已经被证实参与机体多种生理功能。总体而言我们得出结论，存在于各种组织和器官中的SDF-1/CXCR4生物轴，作为MSCs主要的定植生物学因子，在促进感染或者受损组织修复和再生中起到了非常重要的作用，同时在胚胎发育和造血中起重要作用，其也可以通过许多信号通路来介导肿瘤发生、侵袭、演进、转移，此外，SDF-1/CXCR4生物轴作为MSC的主要归巢因子，可以在未来医学的发展中将这种生物学效应应用于临床研究和治疗，从而促进MSCs定植于动物模型和人体组织。现在已有CXCR4拮抗剂，如AMD3100已被批准与G-CSF作为造血干细胞动员剂联合应用于非霍奇金淋巴瘤和多发性骨髓瘤患者治疗。目前许多关于CXCR4的其他小分子抑制剂也在临床研究中[22]，是否有副作用产生，目前无报道，需要严密监测。CXCR7是否可以替代CXCR4作为SDF-1的受体，可能会增加干预趋化因子信号选择性的疗法的可能性，比如靶向使趋化因子受体二聚化[23]，需要进一步研究。趋化因子众多，具体到SDF-1/CXCR4轴的国内研究尚少，这种配体/受体轴的生物学特性及机制需要我们进一步努力研究，随着研究的深入，我们有理由期望SDF-1/CXCR4生物学轴成为一种新的肿瘤标记物和治疗靶点。

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