[doc] 神经干细胞分化的基因决定及基因工程化神经干细胞的应用前景

[doc] 神经干细胞分化的基因决定及基因工程化神经干细胞的应用前景 神经干细胞分化的基因决定及基因工程化 神经干细胞的应用前景 ? 6O?SICIIUANJOURNALOFANATOMYV0Ll5No.12007 神经干细胞分化的基因决定及基因工程化 神经干细胞的应用前景 陈红,段建钢 (1.四川大学华西基础医学与法医学院人体剖学教研室;2.四川大学华西医院神经内科) 【中图分类号】Q245【文献标识码】A 2O世纪9O年代初以来,科学家们相继从各种动 物及人的中枢神经系统(CNS)内分离培养了具有自 我增殖和多向分化潜能的神经干细胞(NSCs),打破 了传统观点认为CNS细胞不能再生的观念,为CNS 损伤修复及某些疾病的治疗带来了新的希望.目前 已知,NSCs的分化受内在的遗传信息和外在的多种 因素调控,而非对称性分裂是决定干细胞分化的调节 因素之一.NSCs在体内能够沿着即定的路线增殖 发育成各种神经细胞主要是受基因调控的.随着基 因工程技术的发展,人们可以根据不同的科研及治疗 目的,对NSCs进行不同的遗传学修饰,以制成基因 工程细胞,这些细胞极具有科研和应用价值,受到广 泛关注.本文就决定NSCs分化的内在遗传因素和 基因工程化NSCs的应用前景做一综述. 1NSCs分化的基因决定 1.1Septamer基因在NSCs分化中的作用 在转录因子的研究中,Dobi等从大鼠NSCs中 分离出一个称之为Septamer基因的DNA片段,该 基因常与编码脑啡肽(ENK),神经细胞粘附分子, 68Kda的神经丝(NF68)等蛋白的基因在一起,当 Septamer基因的功能被阻断时,NSCs中的ENK和 NF68的rnRNA水平下降5O,8O.Dobi的研 究发现,Septamer基因是三种不同的特异性核蛋白 多聚体的结合位点.多能NSCs达一种核蛋白(P— sept),它能与Septamer结合形成二聚体(P-band); 当分化到神经元定向祖细胞阶段时,表达另一种核蛋 白(N—sept),它与P-band结合形成三聚体(N—band); 当细胞分化到胶质定向祖细胞阶段时则表达核蛋白 (G-sept)与P-band形成三聚体(G-band).这种结合 可使DNA发生不同程度的弯曲,从而使邻近或远隔 部位的基因发生相互作用,产生调节效应.总之 Septamer和它的结合核蛋白相互作用,共同调节着 NSCs的分化方向[1J. 1.2Notch基因的激活是NSCs终止神经元发生, 启动神经胶质发生的分水岭 在整个CNS中,神经元发生先于神经胶质的发 生,但NSCs是如何经过神经元发生转向神经胶质发 生的呢?事实上早期存在的神经元能表达胶质刺激 因子Nrg-1,若将NSCs暴露于BMP-2和Nrg-1中, 神经元发生继续存在,而胶质发生受到抑制,因此 神经元发生转向胶质发生不能完全由胶质刺激因子 Nrg-1的作用来解释.Mirrson等[3]将NSCs暴露于 Notch配体24小时后将Notch配体洗掉,将NSCs 放入含有神经元刺激因子BMP-2的培养基中4天, 发现这些细胞仍就只向胶质细胞方向分化而不向神 ? 综述? 经元分化,这说明Notch基因的活化不仅可以阻止 NSCs向神经元方向分化,它还能发出某种信号来促 使胶质细胞的发生. 1.3特定基因组DNA甲基化决定NSCs定向分化 的命运 基因组DNA在CPG(二核苷酸胞嘧啶)处第五 位碳原子上的甲基化是哺乳动物基因组的主要遗传 修饰,体现在许多组织特异的基因表达中.一般来 说,DNA甲基化程度越高,这段DNA被转录成 RNA,并翻译成有功能蛋白质的可能性越小[4].细 胞因子诱导NSCs分化命运的决定中也包含有DNA 甲基化.在GFAP基因启动子中STAT-3结合区域 被发现有CPG位点(TI’CCGAGAA),研究发现此 STAT_3结合区域甲基化后,将阻止STAT-3与其结 合,从而导致GFAP基因启动子不能被活化,GFAP 基因不能表达,胶质细胞生成受到抑制[5]. 1.4Numb基因在NSCs分化中的作用 NSCs能分化成神经元和神经胶质细胞,但是体 内NSCs的分化,诱导和移植实验表明少数NSCs分 化成神经元,大部分分化成神经胶质细胞,其中主要 是星形胶质细胞[6].这使人们对NSCs作为一种治 疗神经系统疾病的潜在方法产生质疑.然而,Numb 基因在神经发育中所扮演的角色对这个问题的解决 提供了有利的线索.对Numb基因的研究表明 Numb基因是一个重要的分子,它不仅是组成Notch 信号传导通路的成分,而且参与NSCs的不对称分 裂.Numb基因的过度表达或缺乏将导致细胞不对 称分裂的表形变化.一些研究[7表明在发育中的大 脑皮层中处于分化状态的神经元表达Numb蛋白. 在体内用Numb基因转染畸胎瘤细胞系P19的实 验l8表明,转染的细胞P19能分化成大量的神经元, 这为NSCs在体内分化成大量的神经元提供了新的 证据.在许氏[9J通过原位杂交技术表明在NSCs克 隆球中的绝大多数细胞有Numb基因并表达Numb 蛋白,这些结果表明numb基因在NSCs的分化过程 中可能扮演着重要的角色. 2作为基因治疗载体的NSCs在疾病中的应用 近年来由于细胞生物学和分子生物学技术方面 的进步,许多神经系统变性病及退行性疾病的基因已 被鉴定出来,利用基因工程修饰体外培养的NSCs是 这一领域的又一重大进展.NSCs不仅可移植治疗 神经系统疾病,还可作为基因转染的载体,从而作为 CNS疾病基因治疗的载体细胞. NSCs作为基因治疗载体具有其它载体所没有 的优点[1..:(1)有迁移能力,能远距离迁移到病变部 四川解剖学杂志2007年第15卷第1期?61? 为;(2)能整合于宿主组织,外源基因表达稳定,维持 时间长;(3)有修复功能,能分化为神经元和神经胶质 细胞,修复病损组织;(4)自身干细胞移植,避免产生 免疫排斥反应;(5)不仅作为基因载体,补充缺乏的 酶,还可提供一些神经胶质细胞的功能;(6)NSCs在 脑内能根据其周围环境的诱导而分裂,分化成相应的 细胞类型,其形态和功能与附近的宿主细胞非常类 似,因而能部分补偿损伤和死亡细胞的功能.所以, NSCs被认为是最具前景的基因工程细胞. 将转导了外源目的基因的NSCs转人神经组织 并使其表达,一方面可用来研究脑的发育机制及神经 系统疾病发生,发展的影响因素;另一方面可进行基 因治疗,干扰神经退变,刺激修复以及对颅内肿瘤进 行治疗.目前研究较多的是以NSCs为载体转导功 能基因,纠正代谢异常,或转导营养因子基因挽救濒 危的细胞. 2.1帕金森病(PD)的基因治疗 PD是以黑质多巴胺(DA)能神经元发生退变而 导致纹状体区DA含量降低为主要特征的CNS变性 疾病.目前的内科和外科治疗均属于对症治疗,尚不 能阻止疾病的进一步发展,需要寻求一种神经保护性 治疗,移植治疗是属于神经保护性治疗的一种,但理 想载体选择是治疗成功的关键因素之一.由于神经 营养因子(如BDNF和NGF)对损伤神经元的存活及 神经突起生长有促进作用,且各种神经营养因子不能 通过血脑屏障,直接将其注人脑内又可能对某些含有 不同受体的神经元群带来不良反应,因此,植入能表 达神经营养因子的转基因NSCs载体对于神经退行 性疾病的治疗有重要意义.将一些重要的神经营养 因子基因和细胞递质合成酶(酪氨酸羟化酶,TH)基 因转人NSCs治疗PD是今后PD基因治疗的重要方 向.有研究[11]表明,与单纯NSCs移植相比,TH基 因转染的NSCs移植更能有效改善PD大鼠旋转行 为和提高DA含量,并且能持续更长的时间,其治疗 效果优于单纯NSCs移植.这是由于单纯NSCs移 植仅有少量细胞自发分化为多巴胺能神经元,而TH 基因转染NSCs除自身分化的多巴胺能神经元外,其 余分化细胞均表达TH,并释放多巴胺,可补偿PD 的多巴胺缺失,改善大鼠症状,用于治疗PD. 2.2粘多糖综合征的基因治疗 粘多糖综合征(MPSNVII型)是由于中枢神经细 胞中缺乏f}I葡萄糖醛酸酶,导致粘多糖沉淀于溶酶 体,引起神经变性而导致功能紊乱的遗传代谢性疾 病.通过逆转录病毒载体将葡萄糖醛酸酶的基因 转染NSCs,然后将细胞注人患鼠脑室内,结果发现 治疗组动物能顺利长大成熟,其行为,神经功能恢复 正常;病理发现种植的细胞弥散全脑,并表达葡萄 糖醛酸酶,纠正了神经元和胶质细胞的粘多糖聚集, 从而达到治疗粘多糖病的目的L1引. 2.3胶质瘤的基因治疗 胶质瘤是一种原发于大脑,发生率及恶性程度都 很高的肿瘤.在以往的基因治疗中,由于病毒载体存 活的时间短及扩散能力差,难于渗入脑组织到达肿瘤 细胞,使基因治疗的作用局限.在临床实验性治疗中 常需在肿瘤周围多点注射,而NSCs能够弥补病毒载 体的这些不足,研究表明[13,14]将NSCs作为基因载体 可以产生具治疗作用的分子,并能如肿瘤细胞一样延 大脑白质移行,稳定地植人大脑.因此,成为胶质瘤 基因治疗更理想的载体. 3展望 随着对决定NSCs定向分化的基因调控机制研 究的逐渐深人,必将为其在临床上的应用开阔新的前 景;遗传工程修饰的NSCs可用于CNS疾病的基因 治疗.随着人类基因组计划的完成,此类转基因的细 胞功能能够被直接评定.但作为载体的NSCs常是 经”永生化”处理的,其携带的癌基因是否有潜在的致 癌性尚存争议,故其临床应用受到限制.目前的研究 热点是进一步明确基因工程操作的分子机制以及如 何激发载体NSCs的潜能,使之向治疗的方向发展 等.尽管如此,基因治疗仍处于探索性阶段,还有很 多问题有待解决. 参考文献 [1]DobiA,PalkovitsM,PalkovitsCC-,eta1.Septamerelement- bindingproteinsinneuronalandglialdifferentiation[,J].Neuros— 84. ci,2000Feb1;20(3):1O73— [2]IiuY,FordBD,MannMA,eta1.Neuregulin-1increasesthe proliferationofneuronalprogenitorsfromembryonicneuralstem cells[,J].DevBiol,2005Ju115;283(2);437--45. 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