肌卫星细胞Niche生物学功能的研究进展

朱强，黄慧，张家红，刘琴琴，牛衍龙，王茂源

1赣南医学院第一临床医学院，江西赣州 341000；2赣南医学院康复学院；3赣南医学院第一附属医院康复医学科；4赣州市康复医学重点实验室

Niche这一概念起自对造血干细胞的研究，由解剖学和功能学定义，是一种局部组织微环境，能维持和调节一种特定类型的干细胞或祖细胞的生理状态［1］。骨骼肌具有再生能力，其干细胞称之为卫星细胞，是位于肌纤维膜和基膜之间的具有增殖分化潜力的肌源性干细胞，因其位置与排列类似于肌纤维的卫星而命名［2］。卫星细胞处于高度特定的Niche中，而卫星细胞Niche是由特殊的微环境组成的特定区域。卫星细胞Niche包括直接Niche和间接Niche，直接Niche由调控卫星细胞的信号通路、肌纤维Niche和细胞外基质组成，间接Niche是间质细胞、运动神经元、微血管系统组成的局部微环境和系统微环境。此外，卫星细胞本身也是卫星细胞Niche的一部分，其通过细胞间的相互作用及自分泌、旁分泌信号发挥作用［3］。卫星细胞Niche对卫星细胞正常生理功能具有重要的调节作用，其组分微小变化对卫星细胞生理活动产生深远影响。研究表明，在肌肉衰老和骨骼肌慢性退行性病变中，肌卫星细胞Niche组分发生改变对肌肉干细胞的再生潜力产生重要影响［4］。因此，研究卫星细胞与其Niche相互作用机制是调控卫星细胞生理活动的关键，这对临床上骨骼肌疾病的新疗法研究提供新的思路，如Niche分子的靶向治疗。但由于卫星细胞Niche的组成成分及各成分之间的交互作用的复杂性和科研技术的局限性，对其了解甚少。因此，本文对卫星细胞Niche的生物学功能研究进展进行综述。

1 卫星细胞直接Niche

卫星细胞直接Niche是由调控卫星细胞的信号通路、肌纤维Niche和细胞外基质组成。

1.1 信号通路 卫星细胞的增殖、分化以及自我更新是一个精细且复杂的调控过程，这些生理过程由多个信号通路相互作用，目前研究较多的主要是Wnt信号通路和Notch信号通路［5］。

1.1.1 Wnt信号通路 Wnt蛋白是一个分泌型糖蛋白大家族，它由19个成员组成。其命名与最早发现的果蝇的Wingless基因有关。Wnt家族成员具有相似的氨基酸序列，但它们的信号特性完全不同［6］。所有Wnt蛋白的共同特征是具有分泌信号序列、22个半胱氨酸残基和几个糖基化位点［7］。根据Wnt配体下游是否与β连环蛋白（β-catenin）相关分为经典Wnt通路和非经典Wnt通路。其中经典Wnt信号通路与β-catenin有关，即Wnt/β-catenin信号通路；非经典Wnt信号通路包括Wnt/PCP、Wnt/mTOR和Wnt/CaN/NFAT信号通路［6］。越来越多的研究表明，Wnt/β-catenin信号参与了卫星细胞在肌肉的再生过程。通过小鼠体外实验和体内实验，外源加入分泌型卷曲相关蛋白3和Wnt3a改变卫星细胞Niche的成分，两者分别作为Wnt信号的抑制剂和激动剂，发现加入激动剂的卫星细胞通过激活Wnt/β-catenin信号通路增加了Desmin的表达和新生肌纤维的大小，而抑制Wnt信号则产生相反的作用［8］。

在卫星细胞增殖分化过程中，成肌调节因子（MRF）是最主要的调控因子。MRF主要包括四个成员，MyoD、Myf5、MRF4及Myogenin，这些因子在成肌细胞定向分化中是必需的。其中MyoD和Myf5主要调控卫星细胞的早期分化，而MRF4和Myogenin主要在卫星细胞的终末分化期起作用［9］。体外实验发现，β-catenin直接与MyoD相互作用，增强MyoD与E-box元件的结合，从而启动成肌程序［10］。但体内研究还需进一步证实和阐明β-catenin与MyoD相互作用的机制。所以，MyoD使卫星细胞退出细胞周期，并诱导卫星细胞进行成肌分化，是否可通过控制MyoD的表达或外源地增加MyoD影响肌卫星细胞的成肌分化，从而为治疗肌肉疾病提供新的思路。此外，MyoD在卫星细胞增殖期也有一定作用，对于其促进增殖、成肌分化的具体量化指标有待进一步研究。

1.1.2 Notch信号通路 肌卫星细胞Niche中的Notch信号调节卫星细胞的增殖、分化和自我更新［11］。Notch信号通路的激活是由Delta型、Jagged型配体家族与Notch跨膜受体结合启动的，其结果是诱导Notch受体的酶促裂解，释放一种活性截短形式的Notch，称为Notch胞内域（NICD）。在特定酶作用下，NICD从胞质移位到细胞核，激活转录因子CSL，进而引起靶基因表达［3］。骨骼肌损伤后，Notch配体Delta在激活的卫星细胞和肌纤维中迅速表达上调［12］。卫星细胞Niche中上调Delta表达，紧接着NICD的表达增加，表明Notch信号被激活，激活Notch信号刺激卫星细胞的活化和增殖；相反地，抑制Notch信号会抑制卫星细胞的激活，从而使肌肉再生能力减弱。在衰老的肌肉中，肌纤维中Notch的配体Delta表达量减少，使Notch信号通路激活减弱，这会导致卫星细胞增殖减少和肌肉再生能力下降，卫星细胞对肌肉损伤反应变弱。然而，适当上调Notch信号能显著改善衰老肌肉的再生［13］。因此，随着年龄的增加，肌卫星细胞Niche中的Notch信号通路表达减弱是肌肉再生能力下降的关键影响因素。肌卫星细胞的一个关键特征是锚定在一个特定的Niche中，并在受伤时被激活，Notch信号通过抑制分化和诱导细胞外成分的表达来维持骨骼肌卫星细胞的静止状态［14］。然而，Notch信号保持卫星细胞静止的具体机制还未阐明。近年来的研究发现，在卫星细胞中进行了Notch小RNA测序和染色质免疫共沉淀技术测序，它在静止状态时高表达Notch诱导的miRNA708，而在激活的卫星细胞中表达急剧下调［15］。在体内和体外的功能研究中，证实了miRNA708通过靶向黏着斑相关蛋白3（Tensin3）的转录来抑制细胞迁移，以此调节卫星细胞静止和自我更新。因此，该研究确定了一个Notch-miRNA708-Tensin3信号轴，Notch信号可能通过动态调节迁移机制来维持卫星细胞的静止状态［16］。但是，目前尚不清楚体内信号分子是如何调节卫星细胞进入和脱离静止状态，如何稳定静止状态以及长期维持干细胞库卫星细胞数量的稳定。研究发现，肌肉损伤部位的巨噬细胞通过诱导含凝血酶敏感素基序的去整合素金属蛋白酶1（ADAMTS1）的表达激活卫星细胞，证实ADAMTS1是一种强有力的卫星细胞激活的细胞外调节因子，对理解肌肉损伤后卫星细胞激活和再生的调控具有重要意义［17］。

此外，卫星细胞自分泌的Ⅴ型胶原（ColⅤ）是静止卫星细胞Niche的关键成分，ColⅤ通过Notch/ColⅤ/CalcR信号轴维持卫星细胞的静止状态，选择性敲除Col5a1会导致细胞周期异常和干细胞库卫星细胞的数量逐渐减少［18］。卫星细胞在组织动态平衡过程中处于休眠状态，维持卫星细胞静止的信号分子和细胞尚不清楚，但Notch信号通路和卫星细胞自分泌因子对卫星细胞静止状态的维持至关重要，尽管Notch信号和其他信号通路被很多研究报道能调节静止，但卫星细胞Niche中分子的组成和来源在很大程度上仍不清楚。

1.2 肌纤维Niche 肌纤维与卫星细胞直接接触，是卫星细胞Niche主要组成部分。静止卫星细胞通过表达M-cadherin与肌纤维CD34相互作用［19］。通过用马卡因选择性地灭活肌纤维和卫星细胞培养与存活的肌纤维和卫星细胞培养对照，结果是与灭活肌纤维一起培养的卫星细胞增殖的数量更多［20］。这表明卫星细胞与成熟的肌纤维表面接触会抑制肌源性细胞的增殖，肌纤维对卫星细胞的增殖进程有重要影响。近年来的研究揭示了多种存在于肌纤维上和由肌纤维分泌的卫星细胞调节因子。肌纤维分泌的基质细胞衍生因子1（SDF1）作为卫星细胞表面受体CXCR4的配体。SDF1/CXCR4信号轴已被证明能促进卫星细胞迁移［21］。

研究发现，由肌纤维产生的Wnt4激活静止卫星细胞中的Rho，维持卫星细胞的机械张力，并限制卫星细胞在其Niche中运动。卫星细胞通过Wnt4-Rho信号轴维持卫星细胞的静止状态，损伤后所致的Wnt4的减少加速卫星细胞的激活和肌肉修复；相反，Wnt4的过表达使卫星细胞进入更深的静止状态，并延迟了肌肉修复［22］。卫星细胞从静止到激活的转变中，肌纤维产生的Wnt4发生了从量变到质变的过程，从而对卫星细胞激活起到重要作用，这个发现对再生医学有重要意义，是否能通过精确调控Wnt4的表达量来促进卫星细胞的激活，进而加快损伤肌肉和肌肉相关疾病的修复。

1.3 细胞外基质 骨骼肌纤维被一层称之为基膜的结构覆盖，基膜直接接触卫星细胞，并将其与肌纤维间质分开。基膜由Ⅳ型胶原、层粘连蛋白、纤维连接蛋白、Perlecan和核心蛋白糖蛋白以及其他蛋白多糖组成，这些细胞外基质分子主要由间质成纤维细胞合成与分泌［23］。卫星细胞位于基膜和肌纤维顶端肌膜之间，顶端肌膜覆盖有层粘连蛋白，基膜上有大量的整合素结合位点，层粘连蛋白信号通过膜受体（整合素α7β1和聚糖复合物）传递给卫星细胞。下调层粘连蛋白α1的表达会减弱卫星细胞的增殖和自我更新的能力［24］。这表明了层粘连蛋白α1对卫星细胞的增殖和自我更新具有重要作用。此外，层粘连蛋白α2缺乏导致卫星细胞膜受体整合素α7β1的继发性缺失，反之亦如此，敲除整合素α7基因的小鼠层粘连蛋白α2水平降低［25］。因此，改变层粘连蛋白和整合素的表达，能改变卫星细胞的生理活动。

静止的卫星细胞还表达多配体蛋白聚糖3（Syndecan3）和多配体蛋白聚糖4（Syndecan4），Syndecan3与Syndecan4携带细胞外硫酸乙酰肝素和硫酸软骨素链。卫星细胞可以与多种生长因子结合，如成纤维细胞生长因子、肝细胞生长因子、血管内皮生长因子和转化生长因子β1等［26］。选择性敲除Syndecan3基因导致肌卫星细胞的自发激活，而Syndecan4的敲除对卫星细胞没有影响［27］。由于敲除Syndecan3基因的卫星细胞在成纤维细胞生长因子2或肝细胞生长因子刺激下使细胞外调节蛋白激酶-1（ERK-1）磷酸化增加，导致卫星细胞对生长因子过于敏感而自发激活。此外，在肌卫星细胞Niche中，胰岛素样生长因子（IGF）、微管细胞黏附分子、白血病抑制因子、白细胞介素6（IL-6）、表皮生长因子、神经生长因子、氮氧化物、血小板因子、睾酮、基质金属蛋白酶家族中的基质溶素3等对卫星细胞静止、增殖、分化及自我更新等过程具有重要作用［28］。

2 卫星细胞间接Niche

除了卫星细胞直接Niche外，还有包括卫星细胞局部间质细胞、微血管及其分泌的相关因子、运动神经元的间接Niche，其存在于骨骼肌中，具有调节卫星细胞功能状态和影响肌肉再生的潜力。间质细胞是骨骼肌周围基底膜和外膜鞘之间基质组织的主要成分。成纤维细胞构成间质基质细胞群的主要成分。成纤维细胞分泌生长因子，如成纤维细胞生长因子，成纤维细胞生长因子对卫星细胞的活化、增殖、分化和自我更新具有重要作用［29］。

微血管系统是间接Niche之一，骨骼肌由微血管系统提供营养，在肌肉再生过程中，血管生成和肌肉生成同时进行［30］。血管内皮生长因子（VEGF）在肌肉再生中起重要作用，腺病毒过表达VEGF可以刺激卫星细胞增殖，促进体内肌纤维再生［31］。在骨骼肌成肌细胞培养中，内皮细胞通过分泌一系列生长因子，如胰岛素样生长因子1、肝细胞生长因子、成纤维细胞生长因子、血小板衍生生长因子BB和VEGF可促进成肌细胞增殖。目前已有研究开始探索卫星细胞和微血管系统内细胞之间的相互作用，今后的研究需要进一步阐明卫星细胞间接Niche微血管系统在肌肉再生过程中的作用，如血管内皮细胞如何调节卫星细胞生理状态值得深入探讨。

运动神经元作为肌卫星细胞间接Niche之一，其对卫星细胞生理活动非常重要。骨骼肌失神经支配会导致骨骼肌进行性萎缩。在肌肉急性失神经支配期间，卫星细胞数量在第一周增加，表明其处于类似肌肉损伤的增殖期。但是，骨骼肌长期失神经支配会导致卫星细胞数量大幅减少，是由于卫星细胞凋亡增加和有丝分裂降低所致［32］。可以推测，骨骼肌失神经支配后神经营养因子的减少可能导致卫星细胞数量减少。

综上所述，在卫星细胞的静止、增殖及分化等生理进程中，不仅仅是卫星细胞的直接Niche起作用，卫星细胞局部的间质细胞、微血管以及运动神经元对其生理状态的维持和转变至关重要。

目前对肌卫星细胞Niche中的相关通路的研究较多，但都局限于某一信号分子对信号通路的直接作用效应，而对Niche中其他各信号分子或细胞之间的相互作用机制研究相对较少，如VEGF是否通过激活或抑制Wnt信号通路或Notch信号通路中某一个信号分子来改变卫星细胞的生理进程有待进一步探索。另一方面，Notch信号通路在维持卫星细胞静止状态时有重要作用，Wnt信号通路主要在卫星细胞成肌分化的过程中发挥作用。但目前尚不清楚卫星细胞是如何进入和脱离静止状态，如何长期维持干细胞库数量的稳定，肌卫星细胞从静止期转变到增殖、分化期的过程中，Wnt信号通路与Notch信号通路是如何协调调控卫星细胞生理活动。肌卫星细胞Niche的未知领域如此广阔，未来应对卫星细胞Niche中的信号分子和细胞深入研究，进而为临床上卫星细胞移植治疗提供思路。