不同信号通路对造血干细胞分化的调控机制

原创 医学参考报 干就有未来

撰文│余湘

编辑│毕紫娟

审校│汤红明

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哺乳动物造血发生是一个极其复杂的过程，需要在特定时间、地点、环境下才能进行。根据其解剖位置可分为原始造血和永久造血。小鼠原始造血最早出现于胚胎发生第7.5天（E7.5）的卵黄囊岛上，但仅能产生限于红系和髓系的造血干细胞（HSC）。永久造血发生目前仍有争议，有人认为起源于卵黄囊和主动脉-性腺-中肾（aorta-gonad-mesonephros，AGM）区， 也有研究发现胎盘和尿囊可以产生永久造血。而HSC的定义基于两个基本要素，即多能性和自我更新。多能性是分化成所有功能性血细胞的能力，自我更新是产生与自身相同的子代。最早纯化的小鼠骨髓HSC，其中鉴定出长期造血干细胞（LT-HSC）、短期造血干细胞（ST-HSC）、多潜能祖细胞（MPP）。人MPP可定义为Lin-CD34+CD38-CD90-CD45RA-细胞群，下游可分化为早期髓系和淋系祖细胞。

一、概述

HSC凭借其独特的自我更新和多向分化潜能，构成了机体终生造血系统的基石。HSC精准的分化命运决定受控于一个精密而复杂的胞内外信号网络。这一网络的枢纽，便是一系列高度保守的信号通路。它们犹如精密的分子开关和通讯通道，在特定时空条件下，通过感知微环境线索并激活下游级联反应，共同编织了决定HSC命运的调控蓝图。

文章将聚焦于HSC生物学中发挥核心作用的四条关键信号通路：Wnt/β-catenin信号通路——作为细胞命运的关键“双向开关”，参与调控HSC的静息维持、自我更新及向特定谱系的早期分化方向；Notch信号通路——介导细胞间直接接触的“旁分泌对话”，在淋系（尤其是T细胞）命运抉择和维持HSC“干性”中扮演关键角色；JAK/STAT信号通路——响应多种造血生长因子（如EPO, TPO, G-CSF, cytokines），迅速传递胞外信号，直接驱动髓系细胞等的增殖与分化程序；以及Hedgehog信号通路——虽然在造血领域相对“低调”，但其参与调控HSC的稳态维持、增殖潜能，并影响髓系/淋系的分化平衡。

理解这些信号通路在HSC分化层级中如何独立运作、相互对话（crosstalk）乃至拮抗整合，是揭示正常造血调控机制、血液系统发育异常及相关疾病（如白血病、骨髓衰竭）发生发展的关键。

二、HSC分化进程中的核心信号通路调控机制

HSC自我更新和分化功能是通过造血生态位调节的。Schofield研究果蝇造血发育时提出了造血分化“生态位”的概念，生态位由血管、神经及多种细胞组成，其中细胞成分主要是间充质干细胞（MSC）和内皮细胞，这些细胞构成维持HSC的微环境，从而影响HSC自我更新、分化、迁出及归巢等一系列功能。多种信号通路（如细胞因子受体c-Kit、Wnt、Notch、Sonic hedgehog及整合素信号）已被证明可以通过生态位激活HSC（图1）。

图 1 信号通路及细胞因子对造血分化的调控机制

01

Wnt/β-catenin信号通路

Wnt/β-catenin作为经典的Wnt信号通路，在HSC发育和稳态中起着重要作用。关于Wnt信号转导在HSC发育和维持中的作用，研究表明Wnt信号转导在造血的不同阶段以各种方式影响HSC的发展和体内平衡。低水平Wnt信号转导维持HSC增殖，高水平会耗竭HSC，损害其功能，中间信号则促进HSC克隆形成并向骨髓分化。Perry等人构建 了一个PTEN缺失β-catenin激活的双突变小鼠模型，该模型小鼠LT-HSC扩增行为增加，但未发生广泛的分化。然而，单独的β-catenin活化会导致HSC凋亡，只有当Wnt/β-catenin信号通路与PTEN/PI3k/Akt通路相互作用，才能诱导HSC增殖，抑制细胞凋亡并阻断分化。Dkk1转基因小鼠的HSC内TCF/LEF活性特异性降低，导致Wnt/β-catenin信号通路被抑制，进而影响HSC功能重建。自1982年发现Wnt1的激活会导致小鼠的致癌表型，大量研究也集中在Wnt信号通路与癌症之间的关系，其中包括白血病。Wnt信号传导的破坏会导致造血祖细胞不受控制扩增，并导致白血病。此外，表观遗传调控也可以通过Wnt信号调节HSC增殖。去甲基化酶如赖氨酸特异性去甲基化酶1（LSD1）通过去除甲基调控表观遗传。Gfi1b是一种在 HSC和巨核细胞中表达的转录抑制因子，LSD1与Gfi1b和Wnt/β-catenin相互作用形成复合物，调节Wnt/β-catenin信号通路以控制HSC增殖。总之，Wnt信号转导在造血过程中至关重要。

02

Notch信号通路

Notch是一类单跨膜受体，其激活活依赖于细胞间的相互作用。Notch信号在人类中的进化十分保守，包括4种受体（Notch 1、2、3和4）和5种配体（Delta-like 1、3、4及Jagged 1、2）。HSC主要在动脉血管产生，特别是在胚胎发育期间的AGM区域，其背主动脉是一个关键部位。斑马鱼研究显示，脊索和底板的Hedgehog（Hh）信号可以调控周围组织，包括体节前体细胞，从而促进这些细胞分泌血管内皮生长因子（VEGF），从而促进血管生成。Hh和VEGF在内皮祖细胞迁移、原代血管的腔形成及动脉规格化中都是必不可少的。Hh和VEGF信号通路在动脉特化中均通过上游调控Notch信号发挥作用。Notch信号转导为背主动脉内许多Notch配体和受体表达所必需。在小鼠中，配体Jag1和Jag2的动脉表达及Notch1受体的表达都需要Notch信号传导，表明这些因素可能受到内皮主要Notch信号转导事件的调节。同样，胚胎斑马鱼背主动脉内deltaC和Notch3的表达也需要Notch信号传导。此外，Notch信号通路与造血分化中细胞因子之间也具有潜在的联系。最初观察到 Notch1在骨髓CD34+细胞、红系前体细胞、外周血T细胞、B细胞等多个群体中表达，显示Notch信号对造血的重要性。Notch1可以响应G-CSF，Notch2响应GM-CSF，从而抑制骨髓分化。目前Notch信号在临床研究上也获得巨大进展，使用Notch配体可体外扩增人脐带血HSC数量100倍，且临床输注后可检测到骨髓细胞的快速恢复。

03

JAK/STAT信号通路

JAK/STAT信号通路是应对不同的细胞外信号，并激活靶细胞中特定基因表达，引起基因表达快速反应的经典通路。同时JAK/STAT信号通路也受到多种细胞因子的影响，包括细胞集落刺激因子、促红细胞生成素、血小板生成素、干扰素及各种白细胞介素。哺乳动物有4个JAKs同源基因，包括Jak1、Jak2、Jak3及Tyk 。缺乏Jak1或Jak2的细胞系无法介导干扰素γ的反应，缺乏Tyk2的细胞系无法对干扰素α/β产生反应。Jak3基因敲除小鼠表现出严重的联合免疫缺陷，功能性T和B淋巴细胞数量明显减少。因此，JAK对机体的造血功能至关重要。STATs是细胞质转录因子，酪氨酸磷酸化激活后形成二聚体并转移至细胞核中，以调控下游靶基因表达。STATs包括有STAT1、2、3、4、5A、5B及6这7个成员。STATs对造血分化的调控在小鼠中的研究较为清楚。JAK2激活导致STAT磷酸化，其中包括STAT5调控HSC增殖、存活及自我复制。 例如STAT5A/5B缺陷小鼠在不同血液谱系细胞发育中表现出造血潜力受损，而高STAT5A活性水平的诱导损害了CD34+细胞的骨髓生成和诱导的红细胞生成，中等水平则诱导HSC大量增殖。JAK/STAT激活突变对血液系统疾病的影响也十分重要。 在皮肤T细胞淋巴瘤（CTCL）中观察到JAK1和JAK3体细胞突变导致的JAK/STAT信号转导失调。在人白血病细胞系和原发性患者样本中检测到的STAT5A Ser725和Ser779磷酸化对造血细胞转化至关重要。这些发现证实了突变或激活的JAK/STAT在血液系统恶性肿瘤中的功能参与，这些研究将为血液疾病提供新的治疗靶点。

04

Hedgehog信号通路

Hh信号转导通路主要包括在4个蛋白家族：Hh配体、Patched（Ptch）受体、Smoothened（Smo）受体及转录因子Gli家族。Hh配体在高等脊椎动物中有3个成员，即Shh、Ihh、Dhh。研究认为Hh信号通路在成人造血分化中至关重要，例如Hh配体在体外可以促进人HSC增殖。但Hofmann等人在小鼠体内敲除Smo后，小鼠的造血功能、外周血计数、体外集落形成及干细胞和祖细胞亚群频率均正常。因此，认为Hh信号通路对小鼠的造血功能并不是必不可少的。但随后有研究证明当使用不同的小鼠模型（例如vav-Cre or Mx1-Cre小鼠），Smo对小鼠HSC的自主功能并不是必需的，但Hh可能通过更复杂的细胞生态位信号的相互作用影响造血。因此，Hh信号通路对造血分化的影响不能简单推断为有影响或没有影响。因Hh通路的本身复杂性，种类繁多的配体和受体相互作用、功能冗余及信号级联间可能的串扰，都可能出现不同的实验结果。同样，Hh信号通路也可作为肿瘤的治疗靶点。BCR-ABL病毒转基因小鼠模型中，通过抑制或敲除Smo下调通路可增加小鼠生存率，与酪氨酸激酶抑制剂联用可增强其治疗活性。

三、展望

同种异体HSC移植是目前应用最广泛的细胞疗法，也是许多先天性和获得性血液疾病唯一的治疗方法。理想的HSC应该具有长期的自我更新能力，并能够完整的分化后代。iPSC与CRISPR/cas9介导的基因修复技术相结合，加速了HSC工程的发展。定向重编程和转录因子介导的表型转化策略已被应用于人类iPSC，以获得高效成熟的HSC。自体iPSC可以从患者身上产生，通过基因编辑修复遗传缺陷，然后用于产生健康的HSC进行移植。临床上离体扩增HSC以获得治疗量细胞时，通过添加细胞因子来维持HSC的更新，常用的细胞因子包括SCF、TPO、IL-3/6/11、FLT-3L及G-CSF。与细胞因子相比，小分子具有靶点和作用明确、 体外易于操作、成本低等显著优势，是未来临床治疗有价值的候选药物。一些小分子例如SR1、UM171、烟酰胺、PGE2等也在临床扩增HSC中使用。无论是添加任何刺激因子，HSC自我更新和分化间的平衡都会受到复杂的细胞内信号通路的严格控制。在未来临床研究中，通过基因编辑的加持，控制关键基因表达，从而影响信号通路，配合细胞因子和小分子，有望实现HSC体外规模化生产。

（ID:yxckbsc2025010401）

作者简介

余湘

现任成都云测医学生物技术有限公司iPSC分化研发总监，具有分子遗传学、细胞生物学、生物化学等相关理论背景，主要研究方向为调控脂肪沉积的miRNA分子机制和外泌体对脂质代谢的作用机制。以第一作者发表SCI论文2篇，获授权专利1项。目前主要从事人诱导多能干细胞向巨噬细胞、胰岛β细胞分化的工艺开发及工艺验证、临床前研究等。

原标题：《不同信号通路对造血干细胞分化的调控机制》

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