細胞分化決定細胞的命運

日期：2023-12-05 16:01:00

細胞分化是細胞從一種類型轉變為多種不同類型的過程。在細胞分化過程中，形態結構和生理功能出現差異。所有生物都起源于一個單細胞。例如，人類是從受精卵發展而來，這個過程涉及胚胎干細胞的分化。細胞分化在整個生命過程中都會發生。例如，造血干細胞分化為各種免疫細胞。

細胞異常分化可能導致癌細胞的產生。癌細胞無限分裂，形成腫瘤，危害人類健康。

圖1. 干細胞的細胞分化

細胞分化涉及多種信號轉導過程:

1. MAPK信號通路

MAPK是一類線粒體中受體酪氨酸激酶的絲氨酸和酪氨酸雙重磷酸化的蛋白激酶。MAPK信號通路通過級聯反應（MAPKKK-MAPKK-MAPK）激活轉錄因子并調控基因表達。MAPK能夠引起核內轉錄因子的激活，參與細胞表面到細胞核的信號傳遞過程，調控細胞增殖和分化。

目前，已知有4條MAPK信號通路，包括細胞外信號調節激酶（ERK）、c-Jun N末端激酶（JNK，也稱為SAPK）、p38和ERK5通路。

圖2. MAPK信號通路

有關MAPK信號通路的更多信息，請參考以下鏈接:

http://www.yidonglou.cn/pathway/MAPK-signaling-pathway.html

1.1 ERK-MAPK信號通路

在MAPK信號通路中，ERK通路主要通過Ras-Raf-MEK-ERK級聯反應起作用。

該通路的主要過程：生長因子通過與酪氨酸激酶受體結合來激活受體，激活的酪氨酸激酶受體激活Ras蛋白，然后Ras蛋白磷酸化Raf，激活的Raf磷酸化下游的MEK。MEK可以磷酸化和激活ERK，將其轉移到細胞核，并通過激活其他激酶或轉錄因子來調控基因表達。

ERK-MAPK信號通路在間充質干細胞（MSCs）向脂肪細胞的分化中起作用 ^{[1] [2]}。在脂肪細胞分化的早期，ERK1/2通過促進C/EBPα和PPARγ的表達來促進脂肪細胞分化。在脂肪細胞分化的后期，活化的ERK1/2會磷酸化PPARγ以使其失活，并抑制脂肪細胞分化。

該通路還可以影響紅細胞的增殖和分化。研究表明，ERK信號通路也參與成骨細胞分化和增殖的信號轉導。

1.2 JNK-SAPK通路

c-Jun N末端激酶（JNK），也稱為應激激活蛋白激酶（SAPK），是哺乳動物中的另一類MAPK亞類。JNK信號通路可以影響細胞生長、細胞分化和細胞死亡等多種生命過程。JNK可以改變骨鈣素的mRNA水平，因此JNK的活化可以誘導成骨細胞分化。JNK信號通路在調節脂肪細胞分化中也起重要作用。

1.3 p38 MAPK通路

p38信號通路是MAPK家族的一個重要組成部分。p38 MAPK可以被多種細胞外應激響應激活，包括紫外線、輻射和促炎因子。

p38通路在間充質干細胞（MSCs）的成骨分化中起著非常重要的作用。抑制p38 MARK通路會下調蛋白激酶C（PKC）的活性，而PKC在細胞的成骨分化中發揮重要作用。此外，轉化生長因子和骨形態發生蛋白BMP-2通過p38 MAPK通路誘導Runx2/Cbfa1轉錄表達。其中，Runx2是影響成骨活性的關鍵靶基因，而Cbfa1在轉錄水平上調節MSCs向成骨細胞的分化。

p38信號通路調節干細胞的分化方向，可能與p53蛋白穩定性的調節有關 ^{[3] [4]}。

p38激酶激活的細胞可以分化為來源于中胚層的組織細胞，如心肌細胞、骨骼肌細胞和平滑肌細胞；而p38激酶被抑制的細胞則發展為外胚層細胞，最終分化為神經細胞。

此外，ERK5/BMK1通路，這是一條非典型的MAPK通路，也參與了脂肪細胞分化和脂肪代謝的調節。

MAPK信號通路通過參與不同的途徑和分子來調節細胞分化。

2. 磷脂酰肌醇信號通路（PLC）

在磷脂酰肌醇信號通路中，細胞外信號分子結合到G蛋白偶聯受體上，激活貼壁脂酶C（PLC-β）位于細胞膜上，使磷脂酰肌醇（4, 5）二磷酸酯（PIP2）水解成肌醇1, 4, 5-三磷酸酯（IP3）和二酰基甘油（DG）。因此，磷脂酰肌醇信號通路（PLC）也被稱為“雙重信使系統”。

IP3打開鈣通道并啟動下游信號。Ca²⁺與鈣調蛋白（CaM）結合形成Ca²⁺-CaM復合物，激活腺苷酸環化酶（AC）和磷酸二酯酶（PDEs）；激活Ca²⁺-CaM依賴性蛋白激酶。

DG激活PKC，磷酸化蛋白的絲氨酸/蘇氨酸殘基，產生不同的細胞反應，如細胞分泌、肌肉收縮、細胞增殖和分化。PLC-γ通路還參與紅細胞的分化。

圖3. 磷脂酰肌醇信號通路(PLC)

3. cAMP/PKA信號通路

環狀腺苷酸單磷酸（cAMP）是一種重要的細胞內信號分子，它激活cAMP依賴性蛋白激酶A（PKA）并調節細胞的分化。cAMP/PKA信號通路可以促進間充質干細胞（MSCs）的脂肪分化 ^[5]，并抑制其成骨分化。

圖4. cAMP/PKA信號通路

4. JAK-STAT信號通路

JAK是一種酪氨酸激酶，其主要底物是轉錄因子STAT。激活的STAT轉位到細胞核并與DNA序列結合，從而調控基因表達。JAK-STAT信號通路在細胞增殖、凋亡和分化中起著重要作用。

該信號通路的主要過程如下：

配體與受體結合導致受體二聚化。二聚化的受體激活JAK，JAK磷酸化STAT。磷酸化的STAT形成二聚體，進入細胞核并與DNA序列結合，從而調控基因表達。

JAK/STAT信號通路在紅細胞的增殖和分化中發揮重要作用 ^[6]。

圖5. JAK-STAT通路

5. PI3K-AKT-mTOR信號通路

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是一種保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，有兩種主要形式：mTORC1和mTORC2。激活的mTOR在細胞增殖、分化和代謝中起著關鍵調控作用。

mTOR主要由PI3K/Akt/mTOR信號通路和LKB1/AMPK/mTOR信號通路調節。這兩個信號通路是調節睪丸支持細胞增殖和分化的主要途徑。在mTOR信號通路中，mTOR基因的缺失導致睪丸支持細胞數量減少。

研究表明，被PI3K激活的Akt激酶在造血過程中發揮重要作用。PI3K信號通路在小腸干細胞再生和促進細胞分化中也很重要。

圖6. PI3K-AKT-mTOR信號通路

6. Notch信號通路

在Notch信號通路中，配體結合到Notch受體，導致細胞內發生一系列信號轉導反應，最終導致細胞分化或保持未分化狀態。Notch配體包括Delta-like（Delta-like1, 3, 4）和Jagged（Jagged 1, 2）。

6.1 經典Notch信號通路

未激活的Notch受體在經過三次水解后釋放出可溶性的細胞內域（NICD）。隨后，NICD與DNA結合轉錄因子CSL和核轉錄激活因子家族MAML一起轉移到細胞核，形成NICD-CSL-MAML三元轉錄激活復合物，最終激活下游靶基因的轉錄。

6.2 Notch信號通路與細胞分化

在干細胞中，Notch受體主要分布在干細胞表面。Notch通路調節干細胞的分化和增殖，在器官發育中起著重要作用。

圖7. 典型Notch信號通路

Notch信號通路調節著間充質干細胞（MSCs）的增殖和分化，促進MSCs向成骨細胞的分化。但是過度表達Notch可能會抑制骨骼形成。Notch通路還參與了腸道干細胞的分化。

研究證明，Notch信號和Wnt信號參與了干細胞分化為心臟肌細胞的過程，促進了早期心臟肌肉的分化，但抑制了晚期分化。不同時間信號通路的開啟和關閉影響了干細胞在分化途徑上的命運。因此，可以使用小分子化合物來調節特定的信號通路，從而觸發定向分化或增強分化誘導效率。

Notch信號通路在免疫系統中也起著重要作用。干預Notch信號通路可以導致T細胞分化受阻。

6.3 Notch信號通路與CD4+ T細胞分化

Notch信號通路通過調節CD4+T細胞的分化和功能，調節了機體的免疫功能，對維持機體免疫平衡和各種疾病的發展起著重要作用。

圖8. Notch信號通路與CD4+ T細胞分化

6.3.1 Notch信號與Th1細胞

Notch分子通過與TBX21啟動子結合，直接調控T-bet基因編碼，從而調節Th1細胞的分化。Notch信號還通過與核因子κB（NF-κB）相互作用來促進Th1細胞的分化。此外，Notch1還可以通過Akt/ERK/GSK3β信號軸實現“串話”，從而增強T細胞分化為Th1的過程。有效阻斷Notch通路可以有效限制Th1細胞的極化過程。

6.3.2 Notch信號與Th2細胞

T細胞中高表達的GATA-3與Th2細胞的極化密切相關。不成熟樹突狀細胞表達的Notch配體Jagged-1可以直接促進GATA3的轉錄，并誘導CD4+ T細胞向Th2細胞的極化。Jagged-2可以在體外驅動Th2細胞的分化，但在體內不影響Th2細胞的極化。Notch信號分子可以通過IL-4和GATA3分別促進Th2細胞的分化。

6.3.3 Notch信號與Th17細胞

RORγt是Th17細胞特異性轉錄因子。IL-17和RORγt是Notch信號的直接轉錄靶標。Jagged-1-Notch信號通路可以抑制與Th17產生相關的細胞因子的表達，如RORγt、IL-17A、IL-17F，從而抑制CD4+ T細胞向Th17細胞的分化。

總的來說，Notch信號通路在負調控Th17細胞的分化。然而，當機體有高代謝需求時，Notch可以通過影響細胞內細胞因子轉運加速釋放Th17細胞細胞因子，以抵消原來的效應。因此，認為Notch信號通路具有環境依賴性作用。

6.3.4 Notch信號與Treg細胞

調節性T細胞（Treg）的特征性轉錄因子是Foxp3。Notch信號通過轉錄水平調節Foxp3的表達，并通過干細胞（SCs）誘導調節Treg細胞的誘導。研究表明，Notch/RBP-J/FOXP3/RORγt通路調節了Th17/Treg的平衡。

6.4 Notch信號通路與NSCs分化

神經干細胞（NSCs）具有自我更新和多方向分化的能力，可以分化為神經元、星形膠質細胞和少突膠質細胞。其增殖和分化受到Notch信號通路的調控。

Notch信號通路的激活抑制NSCs分化為神經元，促進NSCs分化為星形膠質細胞，而阻斷Notch信號通路則促進NSCs分化為神經元。

7. Wnt信號通路

Wnt信號通路高度保守，其核心組件是β-catenin。

當Wnt信號未被激活時，細胞內的β-catenin會被磷酸化并被蛋白酶體降解。

當Wnt蛋白與其受體Frizzled和LRP結合時，β-catenin降解復合物被非活化，β-catenin被釋放并在細胞內積累。積累的β-catenin進入細胞核，與轉錄因子和T細胞因子/淋巴細胞增強因子（TCF/LEF）結合，啟動與增殖相關的一系列基因。

7.1 Wnt信號通路與脂肪細胞分化

激活Wnt信號通路可以抑制脂肪細胞的分化 ^[17]，而一旦該通路失控，就會發生肥胖 ^[18]。

Wnt信號通路通過白細胞介素-6（IL-6）和腫瘤壞死因子α（TNF-α）激活，從而抑制β-catenin的降解。β-catenin進一步抑制下游的C/EBP和PPAR，影響甚至阻止脂肪細胞的分化 ^[19]。

脂肪細胞的分化也受到PPARs信號通路和Hedgehog信號通路的影響。

PPAR家族在脂肪分化和代謝中發揮重要作用。其中，PPARγ作為脂肪分化的重要轉錄因子，可以加速脂肪細胞的分化和沉積 ^[20]。

Hedgehog（Hh）在細胞分化中也起著關鍵作用。

Hh信號通路在脂肪細胞分化過程中起著重要調節作用，但不足以觸發脂肪細胞分化 ^[21]。

7.2 Wnt信號通路與軟骨分化

激活Wnt信號通路可以促進軟骨細胞分化。在軟骨分化中，Wnt信號通路與許多其他通路共同促進間充質干細胞的軟骨分化。

在軟骨分化中，TGF-β和Wnt信號通路共同促進間充質干細胞的軟骨分化。

此外，Wnt信號通路還可以促進小腸干細胞的分化和心肌細胞的分化，并促進睪丸支持細胞的增殖和分化。

8. TGF-β超家族信號通路

TGF-β超家族調節細胞的生長、增殖、分化、遷移和凋亡，調控胚胎發育，參與機體的免疫反應，具有多功能的生物活性[22]。TGF-β信號通路影響睪丸支持細胞的增殖和分化。

參考文獻：

[1] BOST F, Caron L, MARCHETTI I, et al. Retinoic acid activation of the ERK pathway is required for embryonic stem cell commitment into the adipocyte lineage [J]. Biochemical Journal, 2002, 361(3): 621-627.

[2] Liao Q C, Li Y L, Qin Y F, et al. Inhibition of adipocyte differentiation by phytoestrogen genistein through a potential downregulation of extracellular signal-regulated kinases 1/2 activity [J]. Journal of cellular biochemistry, 2008, 104(5): 1853-1864.

[3] Aouadi M, BOST F, Caron L, et al. p38 Mitogen-Activated Protein Kinase Activity Commits Embryonic Stem Cells to Either Neurogenesis or Cardiomyogenesis [J]. Stem Cells (Miamisburg), 2006, 24(5): 1399-1406.

[4] Hadjal Y, Hadadeh O, Yazidi C, et al. A p38mapk-p53 cascade regulates mesodermal differentiation and neurogenesis of embryonic stem cells [J]. Cell Death and Disease, 2013, 4(7): e737.

[5] Li H, Fong C, Chen Y, et al. Beta-adrenergic signals regulate adipogenesis of mouse mesenchymal stem cells via cAMP/PKA pathway [J]. Molecular and Cellular Endocrinology, 2010, 323(2): 201-207.

[6] Dan X. Protein tyrosine phosphatases in the JAK/STAT pathway [J]. Frontiers in Bioscience, 2008, Volume(13): 4925-.

[7] Saha S, Ji L, De Pablo J J, et al. TGFβ/Activin/Nodal Pathway in Inhibition of Human Embryonic Stem Cell Differentiation by Mechanical Strain [J]. Biophysical Journal, 2008, 94(10): 4123-4133.

[8] Willems E, Lanier M, Forte E, et al. A Chemical Biology Approach to Myocardial Regeneration [J]. Journal of Cardiovascular Translational Research, 2011, 4(3): 340-350.

[9] Yashiroohtani Y, Ohtani T, Pear W S. Notch regulation of early thymocyte development [J]. Seminars in Immunology, 2010, 22(5): 261-269.

[10] Verma N K, Fazil M H U T, Ong S T, et al. LFA-1/ICAM-1 Ligation in Human T Cells Promotes Th1 Polarization through a GSK3? Signaling-Dependent Notch Pathway [J]. The Journal of Immunology, 2016.

[11] Roderick J E , Gonzalezperez G , Kuksin C A , et al. Therapeutic targeting of NOTCH signaling ameliorates immune-mediated bone marrow failure of aplastic anemia.[J]. Rare Diseases, 2013, 210(1):1311-29.

[12] Liotta F, Frosali F, Querci V, et al. Human immature myeloid dendritic cells trigger a TH2-polarizing program via Jagged-1/Notch interaction [J]. Journal of Allergy and Clinical Immunology, 2008, 121(4): 1000-1005.

[13] Krawczyk C M, Sun J, Pearce E J. Th2 Differentiation Is Unaffected by Jagged2 Expression on Dendritic Cells [J]. The Journal of Immunology, 2008, 180(12): 7931-7937.

[14] Coutaz M, Hurrell B P, Auderset F, et al. Notch regulates Th17 differentiation and controls trafficking of IL-17 and metabolic regulators within Th17 cells in a context-dependent manner [J]. Sci Rep, 2016, 6: 39117.

[15] Li H, Wang L, Pang Y, et al. In patients with chronic aplastic anemia, bone marrow–derived MSCs regulate the Treg/Th17 balance by influencing the Notch/RBP-J/FOXP3/RORγt pathway [J]. Scientific Reports, 2017, 7: 42488.

[16] Woo S M, Kim J, Han H W, et al. Notch signaling is required for maintaining stem-cell features of neuroprogenitor cells derived from human embryonic stem cells [J]. Bmc Neuroscience, 2009, 10(1): 97-0.

[17] Baron R, Kneissel M. WNT signaling in bone homeostasis and disease: from human mutations to treatments [J]. Nature Medicine, 2013, 19(2): 179-192.

[18] Gong M, Liu C, Zhang L, et al. Loss of the TNFα function inhibits Wnt/β-catenin signaling, exacerbates obesity development in adolescent spontaneous obese mice [J]. Molecular and Cellular Biochemistry, 2014, 391(1-2): 59-66.

[19] Gustafson B, Smith U. Cytokines Promote Wnt Signaling and Inflammation and Impair the Normal Differentiation and Lipid Accumulation in 3T3-L1 Preadipocytes [J]. Journal of Biological Chemistry, 2006, 281(14): 9507-9516.

[20] Frazier-Wood A C, Ordovas J M, Straka R J, et al. The PPAR alpha gene is associated with triglyceride, low-density cholesterol and inflammation marker response to fenofibrate intervention: the GOLDN study [J]. The Pharmacogenomics Journal, 2013, 13(4): 312-317.

[21] Fontaine C, Cousin W, Plaisant M, et al. Hedgehog Signaling Alters Adipocyte Maturation of Human Mesenchymal Stem Cells [J]. STEM CELLS, 2008, 26(4): 10.

[22] Akhurst R J, Hata A. Targeting the TGFβ signalling pathway in disease [J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2012, 11(10): 790-811.