自噬在间充质干细胞自我更新和分化中作用的研究进展

刘欣辰 卢金金 陈雨蒙 邱滢 郑梦丹 王梓霖 李祥伟

1.吉林大学口腔医院牙体牙髓科，长春 130021；

2.吉林省牙发育及颌骨重塑与再生重点实验室，长春 130021；

3.吉林大学口腔医院儿童牙病科，长春 130021；4.吉林大学口腔医院病理科，长春 130021

在生物学中，自噬被定义为溶酶体中细胞质蛋白和亚细胞器降解的基因调控的细胞学过程。该过程在大多数组织中以基础水平发生，有助于细胞质组分的常规更新，是细胞稳态的一部分[1]。干细胞的自我更新和分化需严格控制蛋白质的转化和溶酶体介导的细胞器降解，细胞在不断变化中获得精确的形态和功能，因此，自噬在其中发挥了重要作用[2]。

1 自噬促进间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSCs）干性维持和自我更新

人MSCs的自噬水平受到各种因素的影响。年轻供体明显高于年老供体，来自于下颌骨的MSCs的自噬水平明显高于来自胫骨的MSCs[3]。相应的nanog、OCT-4、Sox2等干性基因在年轻供体和下颌骨中表达量更高[3]。Zheng等[4]研究发现，体外传代培养的MSCs在衰老过程中，自噬水平会上调，出现大量自噬小泡，伴自噬基因Atg7、Atgl2、LC3的高表达。用雷帕霉素激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）或使干细胞中减少mTOR转录物会导致多能性转录因子（nanog、OCT-4和Sox2）的表达水平显著升高[5]。研究[6]表明，在多种动物模型和人源细胞中，自噬基因，如ATG1、ATG5、ATG6、ATG7、ATG8和ATG12的敲除所导致的自噬水平降低直接或间接的导致了细胞干性的下降。相反，ATG5或ATG12的过度表达[7]，则延缓多种衰老指征的下降。上述研究结果说明，自噬在MSCs的干性维持和自我更新方面发挥了重要作用。

2 自噬促进MSCs分化

自噬对MSCs的分化也具有一定影响。Nuschke等[8]研究证明，未分化的骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）积累未降解的自噬泡，几乎没有自噬流产生，刺激其成骨分化，则会导致自噬流的持续增强。陈全刚等[9]发现，在脂肪干细胞中，自噬也可以促进其向软骨细胞分化。此外，SATB2是一种结合富含AT区段DNA的DNA结合蛋白，具有促进BMSCs成骨分化和修复骨缺损的功能，该种蛋白通过激活磷脂酰肌醇3-激酶（phos phatidylinositol 3-kinase，PI3K）/丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（serine/threonine protein kinase，AKT）/mTOR信号通路，上调自噬基因，从而促进MSCs的成骨向分化[3]。Yang等[10]研究发现，基质细胞衍生因子-1α（cell-derived factor-1α，SDF-1α）可通过激活mTOR信号通路提高牙髓干细胞的自噬水平，从而诱导牙髓干细胞成牙向分化，从而促进牙髓再生。成血管分化中，自噬也发挥了重要作用，Ma等[11]发现HMBOX1通过维持细胞自噬从而促进BMSCs和小鼠胚胎干细胞向血管内皮细胞分化。综上所述，自噬参与干细胞分化，并在其中产生重要影响。

3 自噬在MSCs分化和自我更新中具有调节作用

一般认为，细胞的分化和自我更新是两个对立的过程，不能同时进行。但实际上，在多能干细胞的研究中发现，多能干细胞往往会在静止状态和激活状态之间维持稳态。干细胞大部分时间都处于可逆性停滞的细胞周期阶段（G0期），等待启动信号重新进入细胞周期[12]。当组织受到一定的刺激时，会产生大量的多潜能祖细胞，这些祖细胞是组织特异性成熟细胞的前体，如MSCs细胞群中的成骨细胞、成脂肪细胞和成软骨细胞。一旦组织修复完成，激活的干细胞及其子细胞就会分化或恢复到静止状态，以维持机体的干细胞池[13]。因此，干细胞的分化和自我更新可以同时进行，二者并不对立。

自噬不仅可以调控MSCs的自我更新，而且可以调控其分化。MSCs的自我更新和分化受多种生长因子、受体、细胞内信号分子和转录因子的调节，在环境诱导和激素激活的条件下，自噬能有效地输送转录因子、黏附分子或分泌因子。Sox2是经典的干性相关转录因子，在启动细胞重编程、维持MSCs多能性等方面发挥关键作用。有研究[14]发现，通过抑制mTOR受体激活自噬可以促进Sox2的表达，促进MSCs启动重编程和维持多能性。研究[15]证实，条件性敲除Sox2可导致骨折延迟愈合。SATB2不仅具有促进BMSCs成骨分化和修复骨缺损的功能，而且还具有维持MSCs自我更新的能力，MSCs中过表达STAB2可防止干细胞衰老[3]。另外，CD44是细胞表面广泛分布的糖蛋白，可与细胞外基质特异性结合影响细胞-细胞、细胞-基质的相互黏附作用，从而影响MSCs的分化[16]。同时，CD44也是一种重要的干细胞表面标志物[16]。大量研究[17]表明，自噬可显著上调CD44的表达。白介素（interleukin，IL）-6作为一种炎症因子，在骨性关节炎、骨质疏松、牙周炎导致的牙槽骨吸收等疾病中发挥了促进作用。研究[18]发现，多种MSCs如牙周膜间充质干细胞和羊膜间充质干细胞等具有分泌IL-6的潜能，后者与干细胞分化相关。另有研究[19]表明，激活自噬可以明显抑制IL-6的分泌。可见，自噬可能通过抑制干细胞IL-6的分泌而抑制干细胞分化，进而促进维持干细胞干性和分化潜能。

4 自噬参与干细胞命运调控的机制

根据细胞底物进入溶酶体方式不同，可以将自噬分为三类，巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬。在干细胞研究领域中，巨自噬是最常见、最主要的自噬形式。因此，未指出特定类型的自噬，多为巨自噬。由于自噬是一个连续的动态过程，为了方便描述，通常将自噬分为4个阶段，第1阶段为自噬前体或吞噬泡的形成阶段，即游离的双层膜扩张形成杯状结构的过程；第2阶段为自噬体的形成阶段，该阶段双层膜结构扩张延伸形成包裹降解物的圆形或椭圆形结构；第3阶段为自噬溶酶体的形成阶段，即自噬体与溶酶体融合形成自噬溶酶体的过程；第4阶段为内容物降解阶段，即溶酶体酶降解自噬体内膜后，自噬体内容物暴露在溶酶体内，从而进一步被溶酶体酶降解成小分子物质[1]。

激活自噬的通路主要是腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）-mTOR-ULK1/2信号通路。AMPK是细胞的能量感受器。正常细胞中的腺苷酸（adenosine monophosphate，AMP）含量较少，因此，AMPK通常处于无活性的去磷酸化状态。当能量缺乏时，AMPK发生磷酸化，从而激活下游信号通路。mTOR可以参与两种蛋白复合物的形成，分别为mTOR复合物（mTOR complex，mTORC）1和mTOR2，mTORC1在自噬相关调节中发挥主要作用，是胞内主要的生存压力感受器。抑制mTORC1活化的因素均可以诱导激活自噬，如激活AMPK、激活丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）、缺氧、活性氧和内质网应激等[20]，紧接着ULK1/2与Atg13、Atg101以及FIP200形成自噬复合物，后者调控细胞黏附、迁移、增殖和死亡等生物学活动。

自噬对干细胞命运的决策具有重要影响。在MSCs分化中，Notch信号通路发挥重要作用。研究[21]表明，抑制Notch信号通路可以通过PTEN-PI3K/Akt/mTOR诱导早期自噬，使BMSCs向成脂方向分化。同时，一项基于造血干细胞的研究[22]发现，Notch信号通路的下调和自噬增强在造血干细胞的形成中发挥了重要作用。MAPK信号通路参与了细胞内多项生命活动，Whitehouse等[23]发现，膜成分染色体17表面标记2（membrane component chromosome 17 surface marker 2，Nbr1）作为自噬受体可以导致成骨细胞活性增加，而且与p38途径的活化增强有关。Hwang等[24]发现，芥子酸可以通过增强p38 MAPK的活性而维持脂肪干细胞干性，同时，芥子酸也可以激活细胞自噬[25]。

5 调控自噬水平在干细胞治疗中的应用

近几年，随着干细胞研究的深入，利用MSCs修复骨缺损逐步得到认可，而自噬作为骨形成的一个重要调节因素同样受到了广泛关注。Chen等[26]发明的聚糖微球和光交联甲基丙烯酸化水凝胶包裹的青藤碱可以通过激活自噬途径而抑制IL-1b诱导的骨性关节炎。Deng等[27]通过3D打印技术制备了一种掺杂Mn的β-磷酸三钙陶瓷支架，应用该支架可通过激活自噬来保护炎症性骨关节炎环境中的软骨细胞。Ha等[28]发现，二氧化硅纳米粒子可通过刺激自噬而促进成骨细胞分化。Chiu等[29]将壳聚糖膜负载到3D培养支架上促进MSCs的成骨分化，进一步的机制研究发现，该现象是由自噬激活而介导完成的。同时也说明壳聚糖膜促进多能基因表达、抑制衰老，并增强MSCs的增殖和成骨分化潜能。

以往的研究认为，干细胞的自我更新和分化是相互对立的，近几年来，随着对自噬研究的不断深入，这一观点受到挑战。在干细胞的研究中发现，不论是在细胞水平还是分子水平，自噬在干细胞的自我更新和分化中均发挥重要作用，并且二者的通路部分重叠。然而，自噬对干细胞干性和自我更新的维持以及干细胞分化的影响及其调控的分子机制仍需要进一步深入研究。针对自噬在干细胞自我更新、静息状态及增殖分化的基础研究有待成为干细胞工程的突破点，对干细胞的临床应用奠定基础。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。