牙髓干细胞已经被证明有成骨向分化的能力,其过程需要转化生长因子β、骨形态发生蛋白和RUNX2等多种细胞因子的参与[9],从而为牙髓干细胞的成骨分化提供一个适宜的微环境。RUNX2作为一种骨形成所需的转录因子可诱导早期成骨细胞分化[10]。已有研究显示,小鼠成长期间敲除RUNX2基因能抑制其成骨细胞分化并诱导机体骨骼全部丢失[11-13]。在RUNX2促进牙髓干细胞成骨分化的过程中, 骨保护素/核因子κB受体活化因子配体信号途径可能起到了至关重要的作用[14]。骨钙素是骨代谢的常用标志物,它能够反映成骨细胞功能并对骨稳态有一定的调节作用[15]。骨钙素主要活跃于成骨细胞分化晚期,在骨基质矿化高峰期开始聚集,骨钙素的表达上调以及骨结节形成提示骨基质矿化[16]。该实验Smad2-shRNA慢病毒载体转染后人牙髓干细胞中早期标志物RUNX2和晚期标志物骨钙素的mRNA表达量和蛋白表达量均下降,提示成骨相关基因表达受抑制,也表明了Smad2基因在人牙髓干细胞成骨分化的整个过程中有一定的调控作用。
骨形成受到多种合成代谢信号分子调控,如PI3K/Akt、MAPK、Wnt/β-连环蛋白和BMP/Smad等[17-20],其中转化生长因子β/Smad信号通路在成骨分化过程中起着至关重要的作用。Smad通过与转录因子相互作用使Smads在细胞分化中抑制或激活细胞的分化进程。在生物系统中已经发现了3类Smad[21],受体调节型有Smad1、Smad2和Smad3等,能够促进转化生长因子β/Smad信号通路的激活,共同介导型有Smad6和Smad4,既不磷酸化又不与转化生长因子β受体结合,能够与几乎所有的受体调节型Smad形成复合物参与并调控转化生长因子β信号通路传导,抑制型有Smad6和Smad7,能够干扰受体调节型Smad的募集和磷酸化,从而抑制信号通路的传导[22]。转化生长因子β受体磷酸化与许多由生长因子和细胞因子激活的信号通路一样,配体诱导的受体和受体相关蛋白的磷酸化会启动信号通路的激活。在转化生长因子β信号转导途径上,转化生长因子β与TβRⅠ、TβRⅡ两种受体结合来启动信号转导。转化生长因子β配体与TβRⅡ结合后磷酸化,随后与TβRⅠ结合形成一个大的配体-受体复合物,TβRⅠ被TβRⅡ激活后磷酸化并进一步激活下游Smad2/3分子。Smad2/3分别与Smad4形成复合物,该复合物易位至细胞核,与转录因子相互作用以激活基因表达[22]。此研究在沉默Smad2基因后,Smad3和Smad4的基因表达量显著下降,也表明了该信号通路中异聚体受体和Smad复合物间的相互作用,以及Smad蛋白间的相互作用。有研究显示,活化的Smad3在没有Smad2的参与下也可与Smad4结合完成转化生长因子β/Smad靶基因的转录,而在此研究中没有表明这一点。
已有研究证实,转化生长因子β1是潜在骨诱导因子,Smad2和Smad3下游信号分子则通过调节转化生长因子β1参与成骨分化[23-24]。成牙骨质细胞分化及矿化时,p-Smad2/3与Smad2/Smad3增加,这进一步表明了Smad2和Smad3作为下游信号分子启动了信号通路的传导[25]。有研究证实生物材料、蛋白质及药物能显著提高碱性磷酸酶、骨钙素、骨蛋白及RUNX2等成骨相关标志物表达量[26-32],同时Smad2/3信号转导通路激活,Smad2/3和p-Smad2/3的表达量上调,而Smad2/3的沉默可阻断它们诱导成骨分化。也有研究发现某些有机污染物可以抑制转化生长因子β2和转化生长因子β3在胚胎腭组织中的表达,结果显示Smad2和Smad4蛋白的表达量显著减少,而Smad7蛋白的表达量显著升高,由此推测在腭部骨组织形成过程中Smad信号与之相关[33]。研究发现,Smad2/3/4对转化生长因子β诱导下人骨髓间充干细胞的软骨分化具有显著影响[34]。因此,Smad2/3/4与成骨分化过程密切相关,是调节成骨分化过程较为重要的转录因子。在前期研究的基础上,该实验选择沉默Smad2基因来探究Smad2在转化生长因子β/Smad信号通路中发挥的作用,以进一步探索人牙髓干细胞成骨向分化的相关机制。
qRT-PCR定量分析结果显示,经慢病毒转染沉默Smad2基因可导致Smad2、Smad3和Smad4 的mRNA表达水平下降,提示经有效沉默Smad2基因后,转化生长因子β/Smad信号转导途径受到抑制;同时,RUNX2和骨钙素的mRNA水平下降,提示成骨向分化的基因表达受到了抑制。Western blot结果表明,经慢病毒转染沉默Smad2基因,RUNX2、骨钙素和Smad2/Smad3蛋白表达量均显著下降;而在转化生长因子β3的诱导下,Smad2基因沉默后被抑制的相关基因及蛋白表达量被显著上调。由此推测,转化生长因子β/Smad信号通路与人牙髓干细胞成骨向分化过程密切相关,其中Smad2作为直接转录调节因子在该信号通路中发挥着重要作用。然而,有研究表明Smad2和Smad3也会对转化生长因子β介导的成骨细胞和软骨细胞分化起到负性调节作用。Smad2/3能抑制RUNX2表达,活化的Smad3还会与RUNX2的结合使组蛋白去乙酰化酶能够募集到成骨细胞基因的启动子区域,从而阻止RUNX2介导的成骨细胞基因转录。 但同时转化生长因子β/Smad3通路也能抑制成骨细胞凋亡并且促进成骨细胞的分化,这表明了转化生长因子β/Smad通路介导的成骨向分化与骨细胞数量的增加和凋亡有关[35-36]。另外,转化生长因子β受体也可激活非Smad信号通路(MAPKs和 PI3K/AKT信号通路) ,并且也有证据表明细胞本身可以通过控制受体和与Smads相互作用的转录因子来控制转化生长因子β的转录反应[37]。
慢病毒可高效地将外源性基因整合到宿主染色体中,并介导目的基因稳定表达。因此,可利用慢病毒构建稳定的细胞系,这使得慢病毒载体可应用于基因治疗、细胞治疗及疫苗等领域 [38]。该实验利用慢病毒载体将目的基因转染至人牙髓干细胞,从而抑制Smad2基因的表达,其抑制效率达到了60%。然而,该实验未检测转染后细胞的增殖能力,未明确慢病毒对细胞的增殖能力是否存在一定的影响。
该研究表明,人牙髓干细胞成骨分化的过程受转化生长因子β/Smad2信号通路调控,通过此次研究进一步阐明了Smad2基因在其成骨分化过程中的重要作用,为骨组织工程治疗骨缺损提供了更多的思路,也有助于牙髓干细胞在骨组织工程和再生医学中发挥更大的潜力。但研究还存在一定的局限性,因转化生长因子β/Smad信号通路与其他信号通路可发生交互作用,因此有必要对相关信号通路的分子机制做进一步研究。
中国组织工程研究杂志出版内容重点:干细胞;骨髓干细胞;造血干细胞;脂肪干细胞;肿瘤干细胞;胚胎干细胞;脐带脐血干细胞;干细胞诱导;干细胞分化;组织工程