表观遗传和代谢调控间充质干细胞成骨分化的研究进展_石玉.pdf
《表观遗传和代谢调控间充质干细胞成骨分化的研究进展_石玉.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《表观遗传和代谢调控间充质干细胞成骨分化的研究进展_石玉.pdf(15页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、(Biomedical Transformation),2023年6月,第4卷,第2期表观遗传和代谢调控间充质干细胞成骨分化的研究进展石玉,尹贝,李鑫,叶玲*收稿日期:2022-07-18;修回日期:2023-05-10基金项目:国家杰出青年科学基金项目(81825005)通信作者:叶玲(1975-),女,四川成都人,教授,主要从事牙髓/骨生物学、干细胞调控的研究。E-mail:【摘要】间充质干细胞是目前硬组织再生与修复中最为重要的种子细胞,在临床应用中前景广阔,因此其命运调控以及定向分化机制一直是领域内的重点研究方向。但由于间充质干细胞的异质性以及对其定向分化调控机制尚未完全清楚等诸多原因,
2、制约了间充质干细胞在临床治疗中的应用。近些年来越来越多的研究证明,在间充质干细胞成骨分化过程中表观遗传修饰发挥了重要调控作用;表观遗传调控异常与骨质疏松症的发生有关,且干预表观遗传修饰的小分子化合物具有改善骨质疏松的潜能。另一方面,营养物质代谢,尤其是葡萄糖代谢(糖代谢)不仅为细胞生理活动提供必需的能量物质,其代谢中间产物也是干细胞增殖、分化的调控因子;表观遗传修饰与糖代谢紧密关联,对间充质干细胞的生物学特性、命运决定起到至关重要的作用。在本文中,我们简要叙述了糖代谢和表观遗传修饰调控间充质干细胞成骨分化的研究进展和表观遗传在骨质疏松症中的临床应用前景。【关键词】间充质干细胞;成骨分化;表观遗
3、传修饰;骨质疏松中图分类号:Q254文献标识码:A文章编号:2096-8965(2023)02-0057-15Research progress on the epigenetic and metabolicregulation on osteogenesis of MSCsShi Yu,Yin Bei,Li Xin,Ye Ling*(State Key Laboratory of Oral Diseases&National Clinical Research Center for Oral Diseases,West China Hospital of Stomatology,Sichua
4、n University,Chengdu 610041,Sichuan,China)【Abstract】Until now,mesenchymal stem cells(MSCs)are the most important candidates for calcified tissueregeneration and injury repair,showing broad clinical application prospects.Therefore,the mechanism of fatedetermination and differentiation regulation has
5、been the fundamental question in the field.However,due to manyreasons,such as the heterogeneity and limited knowledge of regulatory mechanisms,the further investigation andclinical application of MSCs are restricted.In recent years,emerging studies have proved that epigeneticmodification plays an im
6、portant regulatory role in the process of osteogenic differentiation of MSCs.Abnormalepigenetic regulation is associated with the development of osteoporosis,and small molecules that interfere withepigenetic modifications have the potential to improve osteoporosis.On the other hand,nutrient metaboli
7、sm,especially glucose metabolism,is a necessary energy source for cell physiological activities and a regulatoryfactor for stem cell proliferation and differentiation.They are closely related and play a crucial role in the(口腔疾病研究国家重点实验室,国家口腔疾病临床医学研究中心,四川大学华西口腔医院,四川 成都 610041)DOI:10.12287/j.issn.2096
8、-8965.2023020757(Biomedical Transformation),2023年6月,第4卷,第2期0前言颌面骨缺损多由创伤、炎症、肿瘤以及先天性发育不良等引起,严重影响患者颌面部外形美观,并引起口腔功能障碍1。在临床上常用的治疗方法包括自体骨移植、异体骨移植、人工骨移植等。但是由于自体骨骨量有限,异体骨有潜在的排斥反应,而人工骨因为力学活性以及生物学活性问题对临床应用造成局限。因此,基于间充质干细胞(Mesenchymal Stem Cells,MSCs)的硬组织修复手段有望成为治疗颌骨缺损的有效方法。目前已有报道,MSCs已经用于2型糖尿病2、中风3、心肌梗死4以及自身免
9、疫疾病5等相关疾病的临床实验。MSCs的应用作为一种新型治疗手段,受到广泛关注。但是全球正在进行的MSCs临床研究大多处于早期阶段,随着试验进入后期,研究数量迅速减少。从发表在ClinicalTrials.gov上的数据可以看出,MSCs在临床期期的研究数目在500600项左右,而进展到期临床的研究数目降到60项左右(ClinicalTrials.gov,以MSCs和Clinical Trail为关键词)。有研究指出,临床试验数据可比性差、重复性欠佳的主要原因包括不同组织的MSCs存在异质性,对于MSCs生物学功能了解不足而导致的制备方法不同,以及MSCs在治疗时的传代数目有差异等等6。这些问
10、题反应出 MSCs 的研究仍有欠缺,无法满足标准化、规模化的临床疾病治疗。而在骨骼研究领域,骨来源的MSCs已被报道可用于治疗大段骨缺损,骨折愈合以及颅颌面骨损伤修复的临床试验处于进展中7,8,但由于其定向分化调控机制不明,从而制约了其临床试验效果。近年来,越来越多的科学研究集中在探讨骨来源MSCs维持和分化过程中的调控机制。在这些研究进展中,表观遗传修饰调控MSCs对组织的维持和再生作用无疑是领域内的热点与重点之一9。在体内外实验中,表观遗传学修饰决定MSCs的分化方向10,11;并且表观遗传修饰的异常会导致MSCs功能障碍,其中包括增殖、凋亡以及炎症反应的发生12。因此,在MSCs生物学功
11、能调控与命运决定的过程中,对表观遗传修饰的了解与研究,可为探讨MSCs的定向分化机制提供科学基础,同时也为其临床应用提供指导意义。1骨来源间充质干细胞在骨骼研究中常用的MSCs于 1968 年首次在骨髓内被分离出来,其具有良好的贴壁能力以及体外增殖能力,可自我复制,并且可以形成单克隆13;随后研究发现,骨来源的MSCs可以在体外特定诱导刺激下,分化成为中胚层的多种细胞(包括成骨细胞、脂肪细胞以及软骨细胞),内胚层细胞以及神经外胚层细胞14。位置分布上,MSCs常常聚集在血管周围,在获取养分的同时,也可以通过分泌细胞因子以及外泌体影响微环境14。目前越来越多的研究表明,骨来源的MSCs存在着异质
12、性,不同硬组织来源的MSCs表达干细胞表面标志物的情况差异明显,在同一组织中干细胞的生物学特性以及种类也有区别15。尽管如此,由于 MSCs容易获得,并且具有多向分化能力以及低免疫原性等特点,仍然成为治疗多种骨骼疾病的潜在细胞群体16。2MSCs成骨分化中的表观遗传修饰调控近些年来,MSCs的表观遗传修饰逐渐成为干细胞分化领域的研究热点17。核小体是染色体最为基本的结构单元,由脱氧核糖核酸(DeoxyribonucleicAcid,DNA)以及包裹在外侧的组蛋白构成。基因的表达受到转录因子和表观遗传学修饰共同的、动态的调控。因此,作用于DNA或是核心组蛋白层面上的各种表观遗传修饰酶成为研究的重
13、点与核心(见图1)。2.1 DNA甲基化在多种表观遗传修饰的方式中,DNA甲基化中的 5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5 mC)修饰是研究比较深入的MSCs行为调控方式之一。在大多数的情况下,基因启动子区域的甲基化代表着基因表达被抑制。在体内和体外的实验中,众多基因启动子区域CpG岛的甲基化被报道调控着干细胞的分化。其中,10-11 易位家族(Ten-ElevenTranslocation Family,TET Family)去 甲 基 化 酶TET1、TET2、以及TET3在MSCs中都有明显的表达。动物实验证明,在小鼠体内敲除Tet1和Tet2基因会导致骨髓MSCs功能障
14、碍,从而产生骨质疏松的表型11,18。biological characteristics and fate determination of MSCs.In this paper,we briefly describe the research progressof glucose metabolism and epigenetic modifications in regulating osteogenic differentiation of MSCs and theprospect of clinical application of epigenetics in osteoporos
15、is.【Keywords】Mesenchymal stem cell;Osteogenic differentiation;Epigenetic modification;Osteoporosis58(Biomedical Transformation),2023年6月,第4卷,第2期DNMT1:DNA甲基化转移酶1;DNMT3B:DNA甲基化转移酶3B;TET1:10-11易位家族去甲基化酶TET1;TET2:10-11易位家族去甲基化酶TET2;N6AMT1:N-6腺嘌呤特异性DNA甲基转移酶1;ALKBH1:AlkB同系物1,组蛋白H2A双加氧酶;P2rx7:嘌呤能受体P2X7;Runx
16、2:Runt相关转录因子2;Ocn:骨钙素;Dlx5:远中缺失同源盒基因5;Osx:Osterix;Pten:磷酸酶与张力蛋白同源物基因;SETDB1:SET结构域分叉的组蛋白赖氨酸甲基转移酶;LSD1:赖氨酸特异性组蛋白去甲基化酶1;KDM4A:赖氨酸去甲基化酶4A;K;DM4B:赖氨酸去甲基化酶 4B;EZH2:Zeste同源物增强子 2;KDM6A:赖氨酸去甲基化酶 6A;KDM6B:赖氨酸去甲基化酶 6B;Cebpa:CCAAT/增强子结合蛋白 alpha;Sfrp4:分泌型卷曲相关蛋白 4;Dkk1:Wnt 抑制剂 Dickkopf-1;ASH1L:组蛋白甲基化转移酶ASH1L;NO
17、66:蛋白核仁蛋白66;KDM2A:赖氨酸去甲基化酶2A;SETD2:含有set结构域的蛋白2;Aldh1a2:醛脱氢酶1家族成员A2;Ereg:表皮调节素;Sfrp2:分泌型卷曲相关蛋白2;Sox9:SRY(性别决定区域Y)相关的高迁移率族框族9;PCAF:p300/CBP相关因子;HDAC1:组蛋白去乙酰化酶1;HDAC3:组蛋白去乙酰化酶3;SIRT1:Sirtuin 1;SIRT3:Sirtuin 3;SIRT6:Sirtuin 6;Bmp2:骨形态发生蛋白2;Bmp4:骨形态发生蛋白4;Bmpr1B:骨形态发生蛋白受体1B;Jag1:Jagged1;Sost:硬骨素;Opg:骨保护素
18、。图1MSCs成骨分化中的表观遗传调控另 一 方 面,DNA 甲 基 化 转 移 酶(DNAMethyltransferase,DNMT)抑制基因表达,负调控MSCs介导的硬组织再生。DNMT1负责维持已有的甲基化位点,DNMT3A以及DNMT3B则是在未发生甲基化的 DNA 上添加新的甲基基团19。DNA的甲基化状态与分化潜能有关,并进一步影响骨骼疾病的过程。例如,当MSCs经过DNMT1抑制剂处理后,伴随着基因组DNA的去甲基化以及成骨调控基因的表达增加,如 Runx2、骨钙素(Osteocalcin,Ocn),远 中 缺 失 同 源 盒 基 因 5(Distal-less Homeobo
19、x 5,Dlx5)和Osterix(Osx),同 时,成 骨 分 化 特 异 染 色 显 示 碱 性 磷 酸 酶(Alkaline Phosphatase,ALP)活性和矿化也有明显增强20。与此类似,DNMT 家族中的 DNMT3B 也参与调控了MSCs的成骨分化。敲除骨髓MSCs中的DNMT3B降低了磷酸酶与张力蛋白同源物基因(Phosphatase and Tensin Homolog,PTEN)启动子的DNA甲基化水平,从而上调Pten表达,促进了骨髓MSCs的成骨潜能21。最新研究成果显示,DNA 的另一种甲基化修饰形式N6-甲基腺嘌呤(N6-methyladenine,6mA)修饰
20、不但可以调控胚胎干细胞的发育过程22,而且对MSCs的成骨分化也起到负调控作用23。这个过程 中,AlkB 同 系 物 1,组 蛋 白 H2A 双 加 氧 酶(AlkBHomolog1,HistoneH2ADioxygenase,ALKBH1)作为一种去甲基化酶,N-6腺嘌呤特异性 DNA 甲基转移酶 1(N-6 Adenine-specific DNAMethyltransferase 1,N6AMT1)作为甲基化酶共同59(Biomedical Transformation),2023年6月,第4卷,第2期调节6mA的修饰。前者被证明在MSCs成骨分化以及损伤修复中不可或缺23,但是后者对
21、 DNA 的6mA甲基转移酶作用仍有争议24。2.2 组蛋白修饰2.2.1 组蛋白甲基化目前,已知的被广泛研究的甲基化位点包括组蛋白 3(Histone 3,H3)的第四位赖氨酸残基(Lysine 4,K4)、K9、K27、K36和K79以及组蛋白H4的K2025。H3K4、H3K36和H3K79的甲基化通常被认为是转录和基因表达活跃的标志,而H3K9、H3K27和H4K20的甲基化通常与染色质浓缩和基因活性抑制有关26。组蛋白甲基化修饰依赖于组蛋白甲基转移酶(Histone Methyltransferase,HMT),而组蛋白去甲基化酶(Histone Demethylase,HDM)的发
22、现证明了组蛋白甲基化是一个可逆的过程。甲基化过程的调控是由HMT和HDM两类酶相反的活性所动态控制,通过与特定的组蛋白残基结合,调控蛋白甲基化和去甲基化的功能27。2.2.1.1 H3K9me3作为特异性催化H3K9的甲基转移酶SET结构域分叉的组蛋白赖氨酸甲基转移酶1(SET DomainBifurcatedHistoneLysineMethyltransferase1,SETDB1),在调控MSCs成骨分化过程中具有重要作用。SETDB1可与成骨重要调控基因Runx2启动子区结合,诱导H3K9甲基化修饰在其上的积累,抑制 Runx2 的转录活性28。赖氨酸去甲基化酶 4A(Lysine D
23、demethylase 4A,KDM4A)与KDM4B也是H3K9去甲基化酶,在MSCs定向分化中起到重要作用。Kdm4a在成骨和成脂分化过程中表达升高,然而,过表达Kdm4a阻碍了ST2细胞(小鼠骨髓基质细胞系)和原代骨髓MSCs的成骨分化。最新研究报道,在MSCs中靶向Kdm4b的治疗策略不仅可以调节成骨与成脂肪分化异常,而且可以逆转细胞衰老,达到骨骼健康的目的29。2.2.1.2 H3K27me3Zeste 同 源 物 增 强 子 2(Enhancer of ZesteHomolog 2,EZH2)是另一种组蛋白甲基转移酶,是 多 梳 抑 制 性 复 合 物 2(Polycomb Rep
24、ressiveComplex 2,PRC2)的催化亚基,其特异性催化H3K27的甲基化。有文章报道,Ezh2抑制骨骼发育和成骨分化30,31;药物抑制和siRNA介导的Ezh2敲除均可降低转录起始区附近H3K27me3水平,从而刺激相关骨基因的表达,促进MSCs的成骨分化32。Kdm6a和Ezh2在MSCs成骨或成脂分化过程中具有相反的作用,Kdm6a的过表达通过降低Runx2和Ocn启动子区域的H3K27me3甲基化水平,从而增加了Runx2和Ocn的表达33。同时,在小鼠成骨细胞系MC3T3细胞和原代成骨细胞中,Kdm6a的表达在成骨细胞分化过程中升高,外源性抑制KDM6A 导致 Osx
25、和 Runx2 的启动子活性降低34。KDM6A可降低H3K27me3对Wnt抑制剂Dickkopf-1(Dkk1)启动子的富集,从而阻碍了成骨细胞功能。2.2.1.3 H3K4me3和H3K36me3另一方面,染色质活化型的表观遗传修饰H3K4me3以及H3K36me3在MSCs成骨分化过程中起到正相关作用,可以作用于成骨相关基因的启动子区域上,从而促进成骨分化10,35。含有Jmjc结构域 的 蛋 白 核 仁 蛋 白 66(Nucleolar protein 66,NO66)是 激 活 型 组 蛋 白 修 饰 H3K4me3 和H3K36me3的组蛋白去甲基化酶。NO66通过其去甲基化酶活
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 表观 遗传 代谢 调控 间充质 干细胞 分化 研究进展 石玉
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。