Bmi-1基因調(diào)控造血干細(xì)胞自我更新的研究進(jìn)展

1、Bmi-1基因調(diào)控造血干細(xì)胞自我更新的研究進(jìn)展    【摘要】 造血干細(xì)胞（hematopoietic stem cell，HSC）的自我更新維持每天血細(xì)胞數(shù)量，Bmi-1基因?qū)貾olycomb(PcG) 基因家族成員。最近研究表明，Bmi-1在調(diào)控正常和白血病干細(xì)胞的自我更新中起重要作用，本文就Bmi-1的結(jié)構(gòu)，功能和在造血干細(xì)胞的自我更新中的作用作一簡要綜述。    【關(guān)鍵詞】 造血干細(xì)胞 Regulatory Effects of Bmi-1 Gene on Self-renewal of Hematopie

2、tic Stem Cells ? Review AbstractSelf-renewal of hematopoietic stem cells is vital for the sustained daily production of blood cells.The Bmi-1 gene is a putative oncogene belonging to the Polycomb group family. Recent studies have shown that the Polycomb-group gene Bmi-1 is indispensable for regulati

3、on of self-renewal of normal and leukemic stem cells.The research progress on structure and function of Bmi-1 gene，and its role in self-renewal of hematopoietic stem cells was reviewed. Key words Hematopietic Stem Cell; Self-renewal; Bmi-1 gene    Bmi-1基因是荷蘭癌癥中心1991年在癌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的，它具有阻

4、抑子(repressor) 的功能，可以阻斷細(xì)胞周期中的兩種關(guān)鍵抑制蛋白1，因此認(rèn)為它是一個(gè)癌基因。近年來發(fā)現(xiàn)，它在正常和白血病干細(xì)胞（HSC）的自我更新中起重要作用2，3，本文就Bmi-1的結(jié)構(gòu)，功能和在造血干細(xì)胞的自我更新中的作用作一簡要綜述。 Bmi-1基因的結(jié)構(gòu) Bmi-1基因(B cell-specific MLV integration site-1)的表達(dá)產(chǎn)物為鼠類淋巴瘤濾過性病毒（bmi-1）致癌基因同源體。該基因克隆和定位在染色體10p13，其共有959個(gè)腺嘌呤、591個(gè)胞嘧啶、678個(gè)鳥嘌呤和975個(gè)胸腺嘧啶。該基因突變能與Myc致癌基因一起產(chǎn)生作用，引起B(yǎng)細(xì)胞性非霍奇金淋

5、巴瘤。Bmi-1基因?qū)貾olycomb(PcG) 基因家族成員，Polycomb是一個(gè)在機(jī)體發(fā)育過程中控制基因活性的基因家族，Polycomb家族基因在非性染色體基因的沉寂中發(fā)揮作用，而非性染色體基因的靜默機(jī)制目前仍然在探解中。Polycomb家族包括RAE28，Bmi-1和EZH2等，調(diào)節(jié)染色質(zhì)的改造，充當(dāng)轉(zhuǎn)錄抑制物并與正常干細(xì)胞功能和癌干細(xì)胞有關(guān)4，5。Bmi-1蛋白作為轉(zhuǎn)錄抑制因子能保持靶基因特異的穩(wěn)定抑制狀態(tài)，為發(fā)育所必需。研究發(fā)現(xiàn)93%鼠和90%人的cDNA同源開放閱讀框編碼324個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)，根據(jù)氨基酸序列推測(cè)95%和94%的鼠和人同源。預(yù)測(cè)鼠BMI-1蛋白藏有一個(gè)新的鋅指結(jié)構(gòu)

6、和一個(gè)螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)，同時(shí)證明Bmi-1除腦以外的正常組織均有表達(dá)6。 Bmi-1的作用和功能 Bmi-1維持正常及白血病干細(xì)胞的自我更新 Bmi-1敲除（knockout） (Bmi-1-/-) 小鼠在胚胎期 (胎肝) HSC 數(shù)量正常，但小鼠出生后，骨髓HSC數(shù)量迅速下降，體外培養(yǎng)二次集落形成明顯減少，移植Bmi-1-/-小鼠骨髓給同基因受體小鼠只能短暫支持造血，沒有觀測(cè)到成年期HSC的自我更新，標(biāo)志著Bmi-1-/-小鼠造血干細(xì)胞存在自身缺陷。研究結(jié)果顯示，缺乏Bmi-1 的造血干細(xì)胞不能持續(xù)到成年期2。增加Bmi-1的表達(dá)能促進(jìn)HSC自我更新，Bmi-1表達(dá)能增強(qiáng)HSC的對(duì)稱分裂

7、并通過干細(xì)胞分裂調(diào)高遺傳概率。重新轉(zhuǎn)染Bmi-1能導(dǎo)致體內(nèi)祖細(xì)胞多種潛能的擴(kuò)增并使HSC在體內(nèi)再植入能力顯著增加; 因此Bmi-1是HSC自我更新的一個(gè)中心角色7，8。通過體外轉(zhuǎn)化Bmi-1-/-小鼠HSC或造血祖細(xì)胞形成的急性髓細(xì)胞性白血病(AML)祖細(xì)胞體外培養(yǎng)時(shí)生長停滯迅速發(fā)生，分化、凋亡和體內(nèi)致白血病能力消失3。 因此，Bmi-1基因?qū)π∈蟀籽⌒纬刹皇潜匦璧?，但?duì)維持白血病干/祖細(xì)胞的自我更新和體內(nèi)致白血病能力有決定性作用。 Bmi-1基因與抑癌基因INK4a/ARF INK4a/ARF基因位于人染色體9p21，是人類腫瘤常見的基因失活位點(diǎn)。該基因通過基因重疊編碼兩種抑癌蛋白：外顯子

8、1、2、3編碼p16INK4a，外顯子1、2、3編碼p14ARF（人）/p19ARF（鼠），二者具有獨(dú)立的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)。Bmi-1蛋白作為轉(zhuǎn)錄抑制因子能夠保持特異靶基因穩(wěn)定的抑制狀態(tài)，為發(fā)育所必需。在鼠胚胎成纖維細(xì)胞（mouse embryonic fibroblasts，MEF）和人成纖維細(xì)胞WI-38中得到了一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)論： Bmi-1抑制INK4a/ARF基因位點(diǎn)，對(duì)p16INK4a轉(zhuǎn)錄具有顯著負(fù)調(diào)控活性2。Bmi-1作用于染色體水平，影響INK4a兩個(gè)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的表達(dá)。    Spike等9認(rèn)為，pRb對(duì)p16INK4a有負(fù)反饋抑制作用。在大多數(shù)人類

9、癌中RB腫瘤抑制通路功能失活。惡性血液病RB 失表達(dá)在急性髓性和淋巴細(xì)胞白血病中有廣泛報(bào)道，套細(xì)胞淋巴瘤中周期蛋白D1功能放大，并且抑癌基因p16/INK4a 在AML和各型淋巴瘤頻繁發(fā)生沉默，p16/INK4A表達(dá)沉默是由于它的啟動(dòng)子CpG島過度甲基化導(dǎo)致，但也可能同時(shí)通過激活Bmi-1，如在淋巴瘤E2A-Pbx1聯(lián)合轉(zhuǎn)位。    p19ARF（人類同源物為p14ARF）是INK4a/ARF基因編碼的另一種抑癌蛋白，可通過p19ARF/p53途徑發(fā)揮作用。含有T-box保守序列的T-box基因TBX2可抑制p19ARF啟動(dòng)子并削弱E2F1、Myc或Ra

10、s對(duì)p19ARF的誘導(dǎo)作用，從而下調(diào)p19ARF。TBX2表達(dá)增加見于乳腺癌細(xì)胞，它可促進(jìn)乳腺癌發(fā)展。另一T-box基因TBX3負(fù)調(diào)控ARF表達(dá)并抑制衰老，點(diǎn)突變可使其失去此抑制作用。TBX3點(diǎn)突變見于一種增殖低下的遺傳病?Ulnar-Mammary綜合征，p14ARF表達(dá)失控或許參與了這一綜合征發(fā)病。    基因表達(dá)分析顯示，干細(xì)胞表達(dá)相關(guān)基因、細(xì)胞生存基因、轉(zhuǎn)錄因子和調(diào)控增殖基因p16INK4a and p19ARF在 Bmi-1-/-小鼠骨髓細(xì)胞中發(fā)生改變。在正常骨髓中p16INK4a和p19ARF的表達(dá)導(dǎo)致增殖阻滯，細(xì)胞呈依賴p53的凋亡 2。&

11、#160;   Bmi-1基因敲除的小鼠有骨骼、造血和神經(jīng)學(xué)功能的缺陷，出生后的生長也出現(xiàn)延遲。盡管Bmi-1基因缺陷小鼠能存活至成年期，但它們最終死于造血和神經(jīng)系統(tǒng)缺陷9。Bmi-1促進(jìn)小鼠淋巴細(xì)胞的增殖并且直接或間接地抑制部分胚胎成纖維細(xì)胞，Cdkn2a編碼兩個(gè)細(xì)胞周期依賴激酶抑制物p16INK4a和p14ARF的表達(dá)11，12。然而，敲除Bmi-1的小鼠INK4a和ARF僅部分地挽救淋巴細(xì)胞數(shù)量，因此它們應(yīng)是增殖中受Bmi-1調(diào)控的下游通路。 Bmi-1基因與造血干/祖細(xì)胞的細(xì)胞周期的調(diào)控 為了既維持成熟血細(xì)胞的補(bǔ)給又不使干細(xì)胞在機(jī)體預(yù)期生命期限耗盡，多數(shù)H

12、SC保持靜止，僅僅少數(shù)細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞周期。外界因子如細(xì)胞因子對(duì)HSC細(xì)胞周期的調(diào)控至關(guān)重要，并且與骨髓中基質(zhì)細(xì)胞和細(xì)胞外環(huán)境交互作用。另外，HSC內(nèi)源性轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，包括 c-Myc、 GATA-2、 HOX家族蛋白和Bmi-1，也通過影響基因轉(zhuǎn)錄控制它們的生長。按照細(xì)胞周期調(diào)控的特殊規(guī)律，p21WAF1(p21)和p27KIP1 (p27)顯示維持 HSC和祖細(xì)胞靜止，從而調(diào)節(jié)可利用的細(xì)胞池比例13。    p16INK4a是細(xì)胞周期蛋白依賴激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）抑制因子，阻礙pRb蛋白磷酸化，將細(xì)胞周期阻斷在G

13、1期。而ARF可結(jié)合原癌蛋白MDM2，穩(wěn)定p53，將細(xì)胞周期阻斷在G1期、G2/M轉(zhuǎn)換期或誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。在各種類型惡性血液病中經(jīng)滅活和（或）刪除觀測(cè)，p16INK4A (p16)和 p15INK4B (p15)擔(dān)當(dāng)腫瘤抑制因子的作用。Bmi-1抑制INK4a/ARF基因位點(diǎn)，對(duì)p16INK4a轉(zhuǎn)錄具有顯性負(fù)調(diào)控活性。這些結(jié)果證實(shí)適當(dāng)?shù)募?xì)胞周期控制，特別在干/祖細(xì)胞早期階段，是保持正常造血所必需的。 STAT5A 與Bmi-1基因 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活蛋白（signal transducer and activator of transcription，STAT）家族作為潛在的細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)多種

14、生物學(xué)反應(yīng)14。 利用鼠胚胎-OP9基質(zhì)共培養(yǎng)體系誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞(ES) 向HSC分化的模型研究發(fā)現(xiàn)，STAT5A的過表達(dá)促進(jìn)在OP9共培養(yǎng)體系中5天內(nèi)表達(dá)內(nèi)皮-成血管瘤標(biāo)記Flk-1的ES細(xì)胞產(chǎn)生子代細(xì)胞。首先CD41 / CD45 /c-Kit /(Flk-1)-造血細(xì)胞在5-7天間產(chǎn)生培養(yǎng)條件。通過甲基纖維素進(jìn)行克隆分析，與對(duì)照組相比STAT5A 持久穩(wěn)定的激活極大地增強(qiáng)造血祖細(xì)胞的產(chǎn)生。STAT5A 可以上調(diào)幾個(gè)造血相關(guān)的基因如Runx1/AML1、 血管內(nèi)皮生長因子、腫瘤抑制因子(oncostatin M)受體、HoxB4、 Wnt5A、 Delta-like-1和Bmi-1的表達(dá)，

15、因此增強(qiáng)STAT5A的活化、上調(diào)Bmi-1等造血因子的表達(dá)可促進(jìn)胚胎來源的造血干細(xì)胞在體內(nèi)的造血功能15。 結(jié)語 有活性的Bmi-1是造血干細(xì)胞自我更新所必需的。它通過抑制INK4a/ARF基因位點(diǎn)、對(duì)p16INK4a轉(zhuǎn)錄進(jìn)行顯性負(fù)調(diào)控、并受信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活蛋白STAT5A上調(diào)等機(jī)制使干細(xì)胞自我更新。 但有些問題，如WNT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和Bmi-1調(diào)控干細(xì)胞自我更新作用的關(guān)系是BMI-1表達(dá)或功能刺激響應(yīng)WNT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)？還是這些通路分別獨(dú)立地控制干細(xì)胞自我更新？細(xì)胞突變能否再激活Bmi-1基因的干細(xì)胞自我更新通路？有待研究查明。由于白血病干細(xì)胞處于G0期，它們可逃避化療而造成白血病的復(fù)發(fā); 鑒

16、于Bmi-1在白血病干細(xì)胞的自我更新中的關(guān)鍵作用，針對(duì)Bmi-1的靶向分子治療有可能成為清除白血病的微小殘留病變并控制白血病的復(fù)發(fā)的有力的手段。    【參考文獻(xiàn)】 1van-Lohuizen M，F(xiàn)rasch M，Wientjens E，et al.Sequence similarity between the mammalian bmi-1 proto-oncogene and the Drosophila regulatory genes Psc and Su(z)2.Nature，1991; 353(6342):353-3552Park IK，Q

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