GATA4 在骨髓间充质干细胞中的研究进展

邱涛，王春庆

(贵州医科大学,贵州 贵阳)

1 转录因子GATA4 的分子生物学特性

GATA 转录因子家族能与DNA 的特异性序列(A/T)GATA(A/G)结合，属于特异性转录因子。该家族的6 种特异性转录因子在多种生命进程起调控作用，其中GATA1、GATA2、GATA3 主要表达造血细胞，调控造血系统；GATA4、GATA5、GATA6 在胚胎形成的早期就开始表达，并且对中胚层和内胚层的发育具有重要的调节作用，其中转录因子GATA4 在调控骨髓间充质干细胞影响心肌发育及骨代谢的相关作用现已被研究发现[6-7]。GATA4 具有特异的DNA 结合区域，该区域由2 锌指结构(Cys-X2-Cys-X17-Cys-X2- Cys)组成，其C 端锌指主要结合特异性的DNA 序列的结构，而N 端锌指能结合GATA 元件周边序列及辅因子结合，也可以调节与 DNA 结合的稳定性和特异性，两者协同作用提高了与 DNA结合的亲和力和识别范围，同 GATA 元 件周边序列及辅因子结合，此外还可以结合于DNA， RNA，DNA- RNA 杂交体和其他锌指蛋白结合， 调控其他基因的表达[8-10]。

2 骨髓间充质干细胞（BMSCs）

BMSCs 是一种成体干细胞，是人们在哺乳动物的骨髓基质中发现的一种具有多种分化潜能的细胞亚群，具有多种分化潜能、可塑性高、易于导入表达外源性基因等生物学特性，在特定的微环境诱导培养下，能够分化形成骨、软骨、脂肪、神经及成肌细胞的[11-13]。原始间充质干细胞主要来源于骨髓中非造血成体干细胞中，它们对骨髓中的造血干细胞（HSC）不仅有机械支持作用，还能分泌多种生长因子，例如：白介素-6（IL-6），白介素11（IL-11），巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）及干细胞因子（SCF）等来维持机体造血系统的正常。BMSCs 主要来源于骨髓，但其存在于骨髓中的含量极少，仅为单个核细胞中的0.0001%～0.01%。目前骨髓间充质干细胞主要是从哺乳动物的骨髓中分离和提取，但BMSCs 的生长状态与提取动物的年龄、生长状况、分离纯化的方法，及培养的微环境密切相关。目前主要有4 种较为常用的体外分离纯化BMSCs 的方法，包括全骨髓贴壁筛选法、密度梯度离心法、流式细胞仪分选法、免疫磁珠法，其中前两种方法较为常用。BMSCs 繁殖能力强，贴壁生长，传代至2 代以后，一般呈长梭形，漩涡状排列[14-16]。近年来有关miRNA 在BMSCs 中调控机制的热点研究与日俱增，目前研究发现BMSCs 分化为成骨细胞、心肌细胞的过程中GATA4 在其中起调控作用，进而影响骨代谢过程及心脏功能。

3 GATA4 调控骨髓间充质干细胞分化为心肌细胞

GATA4 是心脏前体细胞的最早期标志之一，在心脏发育过程中起重要作用。GATA4 在胚胎以及心脏发育的整个过程中表达，其首先在心前期的中胚层表达，随后在心内膜和心肌中表达，并与其他心脏发育相关因子相互作用， 从而进一步影响心脏发育。但GATA4 并不是心肌细胞分化的决定因素，在GATA-4 基因缺失的胚胎干细胞中，GATA 家族中的GATA5 及GATA6 能代偿分化为心肌细胞，但其分化的心肌细胞与正常心肌细胞存在差异，正常水平表达的GATA4 表达对心脏功能起重要作用[17]。

心力衰竭是指心肌不能满足机体代谢的需要。与某些器官不同，心脏在受伤后的修复能力有限。心脏移植仍然是治疗心力衰竭的最终方法，但这是昂贵的，并且排除了那些由于共病或无法获得供体器官而不适合移植的患者。干细胞治疗是逆转迄今为止被认为是终末期心脏损伤影响的第一个现实的策略。总的来说，研究表明干细胞移植治疗使左心室功能得到改善，梗死瘢痕缩小，左心室重构减弱，血管密度增大，移植后存活率增加。在干细胞移植治疗中，骨髓间充质干细胞是最合适的移植细胞，骨髓间充质干细胞相对容易生长，可在培养中扩增至移植所需的细胞数量，同时骨髓间充质干细胞修复受损心肌的另一个优势是其抑制免疫排斥和抑制炎症反应的能力。在胚胎早期发育过程中，GATA4 的突变或缺失会导致多种先天性心脏病（如法洛四联症及动脉导管未闭等）的发生。先天性心脏病在1%的活产婴儿中发生，这使它成为全世界最常见的先天缺陷。这些儿童中有许多人患有心力衰竭。此外，遗传性和获得性扩张型心肌病都是儿童心力衰竭的重要原因[18]。在心脏发育成熟后，GATA4 通过多种途径调控心肌纤维化及心肌肥厚病理过程，导致心脏结构的变化，从而进一步影响心脏的功能。已有研究表明骨髓间充质干细胞携带脱氧土霉素(DOX)诱导的GATA4 的外泌体共培养，诱导骨髓间充质干细胞向心肌样细胞分化，减少缺氧诱导心肌细胞凋亡，改善梗死后心肌功能[19]。此外也有实验证明，外源性Nkx2.5 和GATA4 基因转染入骨髓间充质干细胞，与单独基因转染相比，其诱导骨髓间充质干细胞向心肌细胞分化的能力更强；与未处理的骨髓间充质干细胞相比，转染Nkx2.5 或GATA4 的心肌细胞体外共培养的骨髓间充质干细胞对心肌的修复作用显著增强[20]。GATA4 其作用机制目前尚无定论，有研究表明可能与骨髓间充质干细胞中GATA-4 的过表达下调了miR-15 家族成员的表达，通过上调Bcl-2 家族中抗凋亡蛋白的表达，导致缺血抵抗增强[21]。也有研究表明骨髓间充质干细胞过表达GATA-4，与多种抗凋亡因子相互作用，调控多种细胞生存信号通路，如GATA-4 调控miR-144/451 基因簇，较少心肌缺血及再灌注导致的心肌死亡，进一步改善心肌功能[22]。

4 GATA4 调控骨髓间充质干细胞分化为成骨细胞

近年对于GATA4 的大部分研究是其在心脏方面的作用。随着研究的不断进展发现，GATA4 在骨代谢调节、特别是成骨细胞的分化与形成过程中也起重要作用。骨稳态是由成骨细胞与破骨细胞之间的相互平衡所控制的，它们分别调控骨形成与骨吸收。当这两种细胞活动之间的相互平衡被打破，将会导致骨密度的异常与典型的骨疾病，如：骨质疏松症。Runx2 在成骨细胞的分化中起重要的作用。它在骨间充质细胞的沉积、成骨细胞的分化、软骨细胞的肥大和来源于间充质干细胞对发育骨骼的血管入侵方面都有相关作用。Runx2 的缺乏将会导致骨形成缺陷疾病、锁骨发育不良等疾病。在成骨细胞分化过程中，Runx2 介导多种成骨细胞标志基因的表达，如：碱性磷酸酶(ALP）、I 型胶原蛋白、骨桥蛋白、骨唾液蛋白(Bsp)、骨钙素(OCN)，而这些基因的表达对骨组织的骨沉积是起相当重要的作用。Song 和Kim 研究发现，在成骨分化过程中，成骨标志基因Runx2， ALP， Bsp， OCN 的表达显著增加；相比之下，GATA4 在原始成骨细胞的表达中比较明显，随着成骨细胞的不断分化，GATA4 随着时间的迁移表达水平不断下降。这两位研究人员，通过逆转录病毒载体来介导原始成骨细胞中GATA4 的过量表达，被转染的细胞培养于正常培养基或者骨形成培养基。结果发现，GATA4 对成骨细胞的分化起负性调控作用，GATA4 能够负性调控Dlx5 对Runx2 的作用，从而进一步影响成骨分化[23]。目前有研究表明，GATA4 调控成骨细胞分化主要是通过BMP（bone morphogenetic protein，骨形态发生蛋白）是TGF-β（转化生长因子，transforming growth factor-β）信号通路，也可通过调控ERα（雌激素受体estrogen receptorα）来调控成骨分化；还有学者研究发现，GATA4 不仅能抑制骨髓间充质干细胞向成骨细胞过程中RANKL 的表达，还能调节破骨细胞的分化[24-27]。同时，GATA4 也可通过影响成骨成牙调控因子的表达以及促进牙间充质细胞的增殖参与牙齿发育的调节[28]。

5 总结

综上所述，目前对于转录因子GATA4 调控骨髓间充质干细胞分化为心肌细胞和成骨细胞，进而影响心脏功能与骨代谢的相关研究已经取得一定的进展。心肌工程，包括干细胞移植，是迄今为止被认为是逆转心脏最终损伤的第一个现实的策略。对于GATA4 在骨髓间充质干细胞的研究有望成为治疗先天性心脏病及其他心脏疾病的提供新的治疗靶点。同时为骨代谢的相关疾病如骨质疏松，提供新的治疗靶点和方向。