脂肪干细胞成脂分化的分子机制和信号通路

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.01.027

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (1): 154-158.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.01.027

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脂肪干细胞成脂分化的分子机制和信号通路

陈犹白^1，2，郝永红³，王岚³，张启旭²，韩岩¹

解放军总医院，¹整形修复科，³皮肤科，北京市 100853；²美国德克萨斯大学MD安德森肿瘤中心整形外科，美国休斯敦 770303

出版日期:2017-01-08 发布日期:2017-03-15
通讯作者: 韩岩，主任医师，教授，解放军总医院整形修复科，北京市 100853；并列通讯作者：张启旭，副教授，美国德克萨斯大学MD安德森肿瘤中心整形外科，美国休斯敦 770303
作者简介:陈犹白，男，1986生，黑龙江省齐齐哈尔市人，汉族，主治医师，主要从事整形外科研究。

Molecular mechanism and signaling pathway during adipogenic differentiation of adipose-derived stem cells

Chen You-bai^{1, 2}, Hao Yong-hong³, Wang Lan³, Zhang Qi-xu², Han Yan¹

¹Department of Plastic and Reconstructive Surgery, 3Department of Dermatology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China; ²Department of Plastic Surgery, University of Texas MD Anderson Cancer Center, Houston 770303, Texas, USA

Online:2017-01-08 Published:2017-03-15
Contact: Han Yan, Chief physician, Professor, Department of Plastic and Reconstructive Surgery, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China Corresponding author: Zhang Qi-xu, Associate professor, Department of Plastic Surgery, University of Texas MD Anderson Cancer Center, Houston 770303, Texas, USA
About author:Chen You-bai, Attending physician, Department of Plastic and Reconstructive Surgery, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China; Department of Plastic Surgery, University of Texas MD Anderson Cancer Center, Houston 770303, Texas, USA

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：
过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ, PPARγ)：PPAR对脂肪细胞分化和脂质代谢有重要的调节作用，PPAR包括PPARα、PPARβ和PPARγ三种亚型，其中PPARγ在脂肪组织中特异性高表达，是脂肪干细胞成脂分化的关键转录因子。PPARγ有PPARγ1和PPARγ2两个亚型，同一基因由不同启动子起始表达而产生的4种不同的mRNA中，pparγ1、pparγ3、pparγ4编码PPARγ1，pparγ2编码PPARγ2。
Wnt/β-catenin：Wnt是一种脂质修饰的糖蛋白，β-catenin是细胞粘附和迁移必需的钙粘着糖蛋白与肌动蛋白的细胞骨架。Wnt通过激活细胞表面受体，调节β-catenin的表达及细胞定位，影响细胞活动和功能，在细胞的生长发育、增殖、分化、迁移、凋亡和稳态方面起着重要的作用。根据是否有β-catenin的参与，Wnt信号通路可分为经典Wnt和非经典Wnt。

摘要
背景：对脂肪干细胞成脂分化的研究不仅可探索肥胖的过程和机制，还可构建组织工程脂肪，为软组织缺损的重建提供新的思路。
目的：总结脂肪干细胞成脂分化的过程、分子机制和信号通路，讨论miRNA对脂肪干细胞成脂分化的影响及脂肪干细胞成脂和成骨分化的关系。
方法：应用计算机检索PubMed数据库、SinoMed数据库中有关脂肪干细胞分化的文献，检索词为“adipose stem cell，adipose-derived stem cell，adipose-derived mesenchymal stem cell，differentiation；脂肪干细胞，分化”，最终选取代表性文献共27篇。
结果与结论：在脂肪干细胞成脂分化过程中，PPARγ/MAPK、PI3K/Akt、Wnt/β-Catenin、cAMP、Notch等信号通路发挥了关键作用，但其相关基因和蛋白、信号通路和分子机制仍不完全清楚。miRNA对脂肪干细胞的成脂分化有重要影响，miR-24、miR-148a、miR-302等可促进脂肪干细胞的成脂分化，miR-22、miR-27等可抑制脂肪干细胞的成脂分化。脂肪干细胞的成骨和成脂分化关系密切，部分生长因子和激素在促进脂肪干细胞成脂分化的同时抑制其成骨分化，部分作用则相反。综合利用各种细胞因子和支架模拟体内微环境，促进脂肪干细胞的增殖和成脂分化，构建组织工程脂肪，是未来的研究方向。

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
ORCID: 0000-0001-9081-2296(张启旭)

关键词: 干细胞, 脂肪干细胞, 成脂分化, 分子机制, 信号通路, PPARγ

Abstract:

BACKGROUND: Research on adipogenic differentiation of adipose-derived stem cells (ADSCs) cannot only help us to explore the process and mechanism of obesity, but also to construct tissue-engineered adipose tissue which providing a new method for soft tissue reconstruction.
OBJECTIVE: By summarizing the process, molecular mechanism and signaling pathway, to conclude the effect of miRNA on ADSCs adipogenic differentiation, and to discuss the relation between adipogenic and osteogenic differentiations of ADSCs.
METHODS: Relevant articles were searched in PubMed and SinoMed using the following keywords of “adipose stem cell, adipose-derived stem cell, adipose-derived mesenchymal stem cell, differentiation” in English and Chinese, respectively. Finally, 27 representative articles were included.
RESULTS AND CONCLUSION: PPARγ/MAPK, PI3K/Akt, Wnt/β-Catenin, cAMP, and Notch signal pathways play important roles in adipogenic differentiation of ADSCs; however the relevant genes, proteins, signaling pathways and underlying molecular mechanisms are not well understood. miRNAs have great influence on adipogenic differentiation of ADSCs. For example, miR-24, miR-148a and miR-302 can promote and miR-22, miR-27 can inhibit the adipogenic differentiation of ADSCs. The osteogenic and adipogenic differentiations of ADSCs are closely related. Some growth factors and hormone facilitate the adipogenic but inhibit the osteogenic differentiation of ADSCs simultaneously, whereas others have opposite effects. The future investigation may concentrate on comprehensively utilizing various growth factors and scaffolds to mimic in vivo microenvironment and to improve proliferation and adipogenic differentiation of ADSCs for construction of tissue-engineered adipose tissue.

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

Key words: Stem Cells, Adipogenesis, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

陈犹白，郝永红，王岚，张启旭，韩岩. 脂肪干细胞成脂分化的分子机制和信号通路[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(1): 154-158.

Chen You-bai, Hao Yong-hong, Wang Lan, Zhang Qi-xu, Han Yan. Molecular mechanism and signaling pathway during adipogenic differentiation of adipose-derived stem cells[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(1): 154-158.

图/表（结果） 2

2.1 脂肪干细胞成脂分化的过程、关键因子和信号通路

2.1.1 脂肪干细胞成脂分化的过程 体内的脂肪干细胞位于微血管周围，处于静止状态，在受到刺激后开始分裂和分化。脂肪干细胞的成脂分化，包括从脂肪干细胞分化为脂肪前体细胞和脂肪前体细胞分化为成熟的脂肪细胞2个阶段^[4]。在体外诱导脂肪干细胞成脂1 h后，脂肪干细胞开始表达c-fos、c-jun、c-myc基因。Krox20诱导CCAAT/增强子结合蛋白β(CCAAT/enhancer binding protein β，C/EBPβ)的表达，并与cAMP反应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)调节C/EBPβ的表达。C/EBPβ和C/EBPδ激活Kruppel样因子5，然后共同诱导过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ)的转录，PPARγ与C/EBPβ和C/EBPδ激活C/EBPα，构成了经典的C/EBPβ+δ-PPAR-C/EBPα通路^[5]。有研究显示，C/EBPα在PPARγ缺失的情况下不能单独诱导成脂分化，而PPARγ则可在没有C/EBPα的条件下独立启动脂肪分化过程^[6]。诱导2-6 h后，c-fos、c-jun、c-myc的表达消失。诱导24 h后，有丝分裂开始，细胞体积变大，由长梭形变为不规则的多角形或类圆形。48 h后有丝分裂完成，脂肪干细胞进入DNA合成前期，即生长抑制期，之后细胞立即重返细胞周期，进入无性扩增阶段。这一阶段C/EBPs激活组蛋白活性，调控C/EBPα、PPARγ和脂肪细胞决定分化因子1/固醇调节元件结合蛋白1c等转录因子与脂肪分化相关基因结合，启动脂肪基因的表达^[7]。3-7 d后，PPARγ、FABP4等脂肪分化基因的表达增加，PPARγ的表达增加3倍，细胞质内有透亮的脂滴出现，脂滴逐渐增多增大并聚集融合，细胞体积增大^[8]。14-21 d时分化完成，可见大量脂滴，细胞核由细胞中央被挤到边缘，呈现脂肪细胞典型的戒指样形态^[9]，并表达包括脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase, LPL)、脂肪酸结合蛋白4(fatty acid binding protein 4，FABP4)、激活蛋白2(activator protein 2，AP2)、葡萄糖转运蛋白4(Glut4)、瘦素等脂肪细胞基因或蛋白^[10](图1)。

2.1.2 PPARγ/MAPK PPAR包括PPARα、PPARβ和PPARγ三种亚型，其中PPARγ在脂肪组织中特异性高表达，是影响脂肪细胞分化和脂质代谢的主要转录因子^[11]。PPARγ与视黄醇X受体(retinoid x receptor，RXR) 结合形成PPAR-RXR，通过目的基因上的结合位点与目的基因结合，启动其转录和表达。PPARγ激动剂如醋酸三丁基锡和罗格列酮等，可通过激活PPARγ促进脂肪干细胞的成脂分化能力^[12]。PPARγ通过直接与配体结合、磷酸化、热休克蛋白72与配体结合这三种途径被激活，因此激酶和磷酸酶直接影响PPARγ的转录活性。PPARγ能够被有丝分裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase，MAPK)家族中的细胞外信号调节激酶(extracellular signal regulated kinase，ERK)和c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminus kinase，JNK)磷酸化，从而抑制成脂分化^[13]。此外，研究显示在胚胎干细胞中抑制或敲除MAPK家族的另一成员p38，也可促进脂肪形成。但是有学者发现，PPARγ2非磷酸化及其磷酸化形式的基因和蛋白表达随着脂肪干细胞的成脂分化显著增加，推测PPARγ2的自身磷酸化可促进脂肪干细胞的成脂分化(图2)。

2.1.3 Wnt/β-catenin Wnt信号通路可分为经典Wnt(Wnt/β-catenin)和非经典Wnt，Wnt/β-catenin由Wntl、Wnt2、Wnt3、Wnt3a、Wnt8及Wnt8b等激活，通过抑制成脂转录因子C/EBPα和PPARγ的表达，抑制脂肪干细胞的成脂分化^[14]。非经典Wnt则通过招募抑制性组氨酸甲基，抑制PPAR的功能，继而抑制脂肪干细胞的成脂分化。

2.1.4 PI3K/Akt 丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶B(serine/threonine protein kinases B，Akt)是受体型酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase，RTKs)的下游调节因子。Akt通过调节RTKs的代谢及转归，维持脂肪干细胞的存活和成脂分化。在成脂诱导的7 d-28 d时，Akt被激活后进入细胞核，抑制fox01的磷酸化，解除对PPARγ活性的抑制，激活磷酸肌醇3激酶(phosphoinositide 3-kinase，PI3K)/Akt信号通路，从而促进成脂分化^[15]。成纤维细胞生长因子受体1和2(fibroblast growth factor receptor 1 and 2，FGFR-1 and FGFR-2)等可以促进Akt磷酸化水平，进而促进脂肪干细胞的成脂分化。相反，利用渥曼青霉素等Akt抑制剂处理脂肪干细胞，可阻碍其成脂分化^[16]。此外，随着脂肪干细胞成脂分化中PI3K/Akt信号通路的激活，凋亡相关因子的水平也持续变化。例如p53在成脂分化4周时显著下降，Bax、PDCD4的水平也随时间逐渐下调^[17]。

2.2 miRNA与脂肪干细胞成脂分化 miRNA是在转录后水平参与基因调控的一类非编码单链小分子RNA，18-25个核苷酸，通过碱基互补配对原则与靶基因mRNA的3’-非编码区相结合而沉默基因，进而降解或抑制其翻译，从而于转录后水平调控基因表达^[18]。研究显示，hsa-miR-15a-5p、hsa-miR-26b-5、hsa-miR-27a-3p、hsa-miR-106b-5p、hsa-miR-148a-3p、miR-17-5p、miR-17-921、miR-24、miR-30a、miR-30d、miR-103、miR-106a、miR-107、miR-143、miR-146b、miR-148a、miR-302等，可通过不同的信号通路促进脂肪干细胞成脂分化^[19]。例如miR-148a通过抑制Wnt促进脂肪形成，miR-146b则通过调节KLF7促进脂肪形成。而rno-miR-31、rno-miR-326、miR-3、miR-22、miR-26b、miR-27、miR-138、miR-363、miR-1908等则抑制脂肪干细胞的成脂分化^[20]。

2.3 脂肪干细胞成脂和成骨分化的关系 脂肪干细胞的成骨和成脂分化关系密切，在影响脂肪干细胞分化的基因、蛋白、信号通路、生长因子和激素中，有些促进脂肪干细胞成脂分化的同时抑制其成骨分化^[21]。例如在诱导脂肪干细胞成骨分化的过程中发现脂滴形成，且PPARγ2 mRNA的表达增高。在关节炎发病机制的研究中也发现骨组织再生与脂代谢有关，软骨内骨形成开始时，内三酰甘油含量明显增加，三酰甘油类油脂在矿物化形成过程中可能具有重要的作用^[22]。纤维蛋白溶酶可调节骨组织的形成，而进食脂肪可抑制纤维蛋白溶酶的活性，由此可以推测在矿物化区域产生的三酰甘油类脂滴可能对纤维蛋白溶酶活性有抑制作用，从而促进脂肪干细胞向成骨细胞分化^[23]。

参考文献

[1] Zuk PA,Zhu M,Mizuno H,et al.Multilineage Cells from Human Adipose Tissue: Implications for Cell-Based Therapies.Tissue Eng.2001;7(2):211-228.

[2] 陈犹白,陈聪慧,Qixu Zhang,等.脂肪干细胞表型和标记物的研究进展[J].中国美容医学,2016,25(3):91-100.

[3] 肖建红,张阳春,张常然,等.人皮下脂肪干细胞的成骨、成脂分化诱导及鉴定[J].中国组织工程研究,2015,19(32):5155-5161.

[4] 田健健,池颖,宋宝全,等.不同成脂条件下人骨髓间充质干细胞的早期成脂特性[J].中国组织工程研究,2016,20(23):3366-3373.

[5] White UA,Stephens JM.Transcriptional factors that promote formation of white adipose tissue.Mol Cell Endocrinol. 2010; 318(2):10-14.

[6] Choi SK,Park S,Jang S,et al.Cascade regulation of PPARγ 2, and C/EBPα signaling pathways by celastrol impairs adipocyte differentiation and stimulates lipolysis in 3T3-L1 adipocytes.Metabolism.2016;65(5):646-654.

[7] 陈犹白,陈聪慧,Qixu Zhang,等.脂肪干细胞成脂分化的研究进展[J].中国美容医学,2016,25(4):86-93.

[8] Chen YJ,Liu HY,Chang YT,et al.Isolation and Differentiation of Adipose-Derived Stem Cells from Porcine Subcutaneous Adipose Tissues.J Vis Exp.2016;31(109):e53886.

[9] Yuan Z,Li Q,Luo S,et al.PPARγ and Wnt Signaling in Adipogenic and Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells.Curr Stem Cell Res Ther. 2016;11(3):216-225.

[10] 陈犹白,陈聪慧,Qixu Zhang,等.脂肪干细胞的分离、纯化和保存:研究进展和发展方向[J].中国组织工程研究,2016,20(10): 1508-1520.

[11] New SE,Alvarez-Gonzalez C,Vagaska B,et al.A matter of identity — Phenotype and differentiation potential of human somatic stem cells.Stem Cell Res.2015;15(1):1-13.

[12] Ong WK,Sugii S.Adipose-derived stem cells: fatty potentials for therapy.Int J Biochem Cell Biol.2013;45(6):1083-1086.

[13] Gierloff M,Petersen L,Oberg HH,et al.Adipogenic differentiation potential of rat adipose tissue-derived subpopulations of stromal cells.J Plast Reconstr Aesthet Surg.2014;67(10):1427-35.

[14] 王白石.脂肪干细胞在组织修复中对血管化影响的研究进展[J].中国美容医学杂志,2012,21(5):869-872.

[15] Al-Nbaheen M,Vishnubalaji R,Ali D,et al.Human Stromal (Mesenchymal) Stem Cells from Bone Marrow, Adipose Tissue and Skin Exhibit Differences in Molecular Phenotype and Differentiation Potential.Stem Cell Rev.2013;9(1):32-43.

[16] 陈犹白,王瑶,曲宝林,等.脂肪干细胞治疗放射性皮肤和软组织损伤的研究进展[J].中华损伤与修复杂志:电子版,2016,11(5): 345-348.

[17] 陈犹白,张启旭,Butler CE,等.DOTAP脂质体介导VEGF基因转染人脂肪干细胞及目的基因的表达[J].临床耳鼻咽喉头颈外科, 2016,30(12):966-971.

[18] 魏建峰.miR-302对脂肪间充质干细胞向成脂和成骨分化的调控[J].中国组织工程研究, 2015,19(41):6595-6599.

[19] Kawamoto K,Konno M,Nagano H,et al.CD90- (Thy-1-)high selection enhances reprogramming capacity of murine adipose-derived mesenchymal stem cells.Dis Markers. 2013;35(5):573-579.

[20] Suga H,Matsumoto D,Eto H,et al.Functional implications of CD34 expression in human adipose-derived stem/progenitor cells.Stem Cells Dev.2009;18(8):1201-1210.

[21] 陈犹白,陈聪慧,Qixu Zhang,等.脂肪干细胞成骨分化的研究进展[J].中华损伤与修复杂志:电子版,2016,11(2):126-134.

[22] 孙仕晨,董腾哲,黄昕,等.Transwell共培养条件下诱导脂肪干细胞成骨能力的改变[J].中国组织工程研究,2016,20(28): 4155-4161.

[23] Huang SJ,Fu RH,Shyu WC,et al.Adipose-derived stem cells: isolation, characterization, and differentiation potential.Cell Transplant.2013; 22(4):701-709.

[24] 刘虎仙,雷永红,韩岩.Notch信号通路在组织血管化中的作用[J].中国美容医学杂志,2015,24(8):83-86.

[25] Zuk PA.The adipose-derived stem cell: looking back and looking ahead. Molecular Biology of the Cell.2010;21(11): 1783-1787.

[26] Cawthorn WP,Scheller EL,MacDougald OA.Adipose tissue stem cells meet preadipocyte commitment: going back to the future.J Lipid Res.2012;53(2):227-246.

[27] 彭希亮,张玉红,倪文琼.脂肪组织来源干细胞构建皮肤复合组织修复创面缺损[J].中国组织工程研究,2016,20(1):8-12.

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Molecular mechanism and signaling pathway during adipogenic differentiation of adipose-derived stem cells

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[2]	王景, 熊山, 曹金, 冯林伟, 王信. 白细胞介素3在骨代谢中的作用及机制[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(8): 1260-1265.
[3]	肖豪, 刘静, 周君. 脉冲电磁场治疗绝经后骨质疏松症的研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(8): 1266-1271.
[4]	惠小珊, 白京, 周思远, 王阶, 张金生, 何庆勇, 孟培培. 中医药调控干细胞诱导分化的理论机制[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1125-1129.
[5]	安维政, 何萧, 任帅, 刘建宇. 肌源干细胞在周围神经再生中的潜力[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1130-1136.
[6]	范一鸣, 刘方煜, 张洪宇, 李帅, 王岩松. 脊髓损伤后室管膜区内源性神经干细胞反应的系列问题[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1137-1142.
[7]	田川, 朱向情, 杨再玲, 鄢东海, 李晔, 王严影, 杨育坤, 何洁, 吕冠柯, 蔡学敏, 舒丽萍, 何志旭, 潘兴华. 骨髓间充质干细胞调控猕猴卵巢的衰老[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 985-991.
[8]	胡伟, 谢兴奇, 屠冠军. 骨髓间充质干细胞来源外泌体改善脊髓损伤后血脊髓屏障的完整性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 992-998.
[9]	高俞锦, 彭双麟, 马治超, 陆诗, 曹花月, 王浪, 肖金刚. 糖尿病骨质疏松症模型小鼠脂肪干细胞的成骨能力[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 999-1004.
[10]	侯婧瑛, 郭天柱, 于萌蕾, 龙会宝, 吴浩. 缺氧预处理通过激活MALAT1靶向抑制miR-195促进骨髓间充质干细胞的生存和血管形成[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1005-1011.
[11]	周颖, 张幻, 廖松, 胡凡琦, 易静, 刘玉斌, 靳继德. 去铁胺联合干扰素γ预处理对人牙髓干细胞的免疫调节作用[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1012-1019.
[12]	梁学振, 杨曦, 李嘉程, 骆帝, 许波, 李刚. 补肾活血胶囊介导Hedgehog信号通路调控大鼠骨髓间充质干细胞成骨成脂分化[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1020-1026.
[13]	王继芳, 鲍祯, 乔亚红. miR-206调控小细胞肺癌干细胞EVI1基因表达及细胞生物学行为[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1027-1031.
[14]	刘峰, 彭宇环, 罗良平, 吴本清. 植物源性碱性成纤维细胞生长因子维持人胚胎干细胞的生长与分化[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1032-1037.
[15]	闻丹丹, 李强, 沈才齐, 纪哲, 金培生. 外用红色诺卡氏菌细胞壁骨架提高脂肪间充质干细胞活性修复糖尿病创面[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1038-1044.