外源性信号分子

一、外源性信号分子

（一）白血病抑制因子（leukemia inhibitor factor，LIF）

以滋养层细胞的条件培养基培养ES细胞能替代滋养层细胞的作用，维持ES细胞的未分化状态，这表明适当的营养刺激对维持ES细胞的自我更新具有重要作用。随后的研究发现滋养层细胞产生的单个细胞因子LIF能使ES细胞在无滋养层细胞的培养条件下维持自我更新。LIF是白细胞介素6（interleukin 6，IL－6）超家族成员，它与细胞膜上LIFR／gp130异二聚化受体结合，活化JAK酪氨酸激酶，使受体的酪氨酸位点磷酸化，为具有SH2结构域的蛋白提供结合位点。一方面JAK磷酸化转录信号转导与活化者3，STAT3（signal transducers and activators of transcription），磷酸化的STAT3形成二聚体，转入核内，结合靶基因，调控其转录活性，在维持ES细胞自我更新中起关键作用；另一方面，LIF与受体的结合也会使蛋白酪氨酸磷酸酶SHP2磷酸化，然后与接头蛋白Grb2和Grb2相关蛋白1结合，三者形成的复合体激活Ras／丝裂原活化蛋白激酶通路，其中的信号分子ERK活化后，磷酸化一些胞质蛋白，并转入核内，调节转录活性，拮抗自我更新作用。这种现象可部分解释为依赖于SHP2酪氨酸磷酸酶活性的JAK－STAT信号转导的负调控。但在体内，上胚层中gp130通路的关键作用仅表现在诱导胚胎滞育方面。基因失活实验表明，在原肠胚形成之前，并不需要LIF、gp130的作用。与小鼠ES细胞比较，在人ES细胞自我更新的维持方面，LIF并不是必需的。

（二）骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）

LIF维持ES细胞的自我更新需要有血清存在，表明血清中某些成分参与维持ES细胞的自我更新。已发现血清中含有BMP，在ES细胞自我更新中发挥重要作用。BMP是一种多功能的细胞因子，它和生长分化因子（growth／differentiation factor，GDF）均为转化生长因子－β（transforming growth factor－β，TGF－β）超家族的成员。BMP通过与细胞膜上两类受体结合，活化细胞内信号分子Smad（similar to mad），转导胞内信号，转录激活多种下游基因，参与细胞生长分裂。在ES细胞自我更新时，BMP4、BMP2或GDF6能替代血清的作用，维持已建株ES细胞的克隆性增殖和原代分离培养的ES细胞的自我更新状态。BMP通过激活Smad，诱导Id（inhibitor of DNA binding）基因表达，抑制神经源性螺旋环螺旋转录因子（basic helix－loop－helix）的表达，从而抑制ES细胞向神经元分化，如持续表达Id1、Id2或Id3，则并不需要外源性BMP／GDF的刺激，说明Id在ES细胞自我更新和抑制ES细胞向神经元分化中起重要作用。ES细胞在无血清培养条件下，因自分泌FGF的作用，向神经分化，进一步说明BMP／Id通路的必要性。但BMP需在LIF存在的条件下才能使无血清培养的ES细胞维持自我更新。如缺少LIF，则ES细胞将向非神经系分化。

（三）Wnt

Wnt是一种富含半胱氨酸的脂蛋白，在胚胎发育过程中对细胞增殖、分化和凋亡等都起重要作用。在Wnt的经典信号转导通路中，Wnt通过与细胞膜上的受体Frizzled结合，活化Dishevelled，使糖合酶激酶3β（glucose synthase kinase 3β，GSK3β）从Axin／APC复合物上取代下来，抑制泛素介导的胞质内β^－catanin的降解作用，活化后的β^－catanin转入胞核，与转录因子TCF／Lef结合，调控靶基因的表达；此外，Wnt还通过G蛋白引起不对称性细胞骨架组织，产生细胞极化和活化细胞内钙离子通道。Wnt在植入前的胚胎和未分化的ES细胞中均有表达，Wnt对ES细胞的神经分化有抑制作用。近来通过对GSK－3特异性抑制剂的研究发现Wnt通路对小鼠和人ES细胞短期自我更新的维持有一定作用，但Wnt在ES细胞自我更新中的作用还有待进一步证实。

（四）信号通路间“串话”

上述信号转导通路在维持ES细胞自我更新中的作用并不是孤立的，而是通过它们之间的相互作用共同调控ES细胞的自我更新。BMP除了激活Smad和Id抑制ES细胞向神经元分化外，也能抑制促进胚胎干细胞分化的p38／ERK通路，从而部分消除了LIF活化的Ras／丝裂原活化蛋白激酶通路对ES细胞自我更新的抑制作用，两者在ES细胞多能性和自我更新状态的维持上起协同作用；外源性p38抑制剂（SB203580）和ERK抑制剂（PD98059）可模拟BMP4对p38／ERK通路的抑制作用。细胞内重要的信号分子通路磷脂酰肌醇3磷酸激酶（phosphoinositide－3kinase，PI3K）也通过抑制LIF活化的Ras／丝裂原活化蛋白激酶通路，发挥维持ES细胞自我更新的作用，如使用PI3K抑制剂或将其中的p85亚单位突变，使ERK磷酸化增加，则能拮抗LIF的作用。鉴于LIF和Wnt在ES细胞自我更新中的作用，最近Cartwright等的实验表明：LIF激活的STAT3能直接调节转录因子myc的表达，同时通过Wnt信号通路，抑制GSK3β的活性，降低其对myc58位苏氨酸的磷酸化，从而抑制泛素蛋白酶体途径对myc的降解，高水平的myc能抑制ES细胞分化。