Bmi1公司、干细胞和衰老调节

摘要

许多组织在生物体的整个生命周期中都是由少量成体干细胞维持的。这些细胞的独特之处在于，它们既能通过一种称为自我更新的过程产生新的干细胞，又能分化为组织的成熟细胞。为了维持组织内环境的稳定，干细胞已经发展出严格的调控机制来自我更新、分化，并防止过早衰老和凋亡（参见综述，参考文献。1). 最近的观察表明Bmi1公司，一个Polycomb公司组阻遏物对成年小鼠造血干细胞（HSC）和神经元干细胞的自我更新至关重要，部分是通过抑制与衰老有关的基因，这表明干细胞已经进化出抑制衰老和延长其增殖能力的特定机制。从这个角度来看，我们讨论Bmi1公司预防干细胞衰老。

什么使细胞成为干细胞？

HSC是最具特征的干细胞之一。克隆试验和逆转录病毒标记证实了这些细胞的存在(2,三). 然后根据细胞表面标记物的表达，使用流式细胞术分离HSC(4,5). 随后，还发现了其他类型的体干细胞，如来自外周和中枢神经系统的神经干细胞(6,7).

干细胞具有三个基本特性(1). 首先，他们必须自我更新，以保持原始干细胞数量。自我更新是一种细胞分裂，其中一个或两个子细胞是干细胞，与母细胞具有相同的发育潜能。相反，增殖是一个更通用的术语，指所有类型的有丝分裂，无论是产生干细胞、限制性祖细胞还是终末分化细胞。其次，干细胞必须能够分化为多种类型的成熟细胞，以取代在成年组织中翻转的成熟细胞。第三，干细胞总数通过外在和内在机制受到严格调控，从而形成稳定的干细胞库(8–11).

干细胞与衰老

衰老是一种细胞不再具有增殖能力的状态。由于干细胞在动物的一生中维持许多组织，因此必须防止干细胞衰老，以维持器官的一生。一些研究表明，细胞衰老伴随着基因表达的变化，这可能受表观遗传机制的调控。为了支持这一假设，组蛋白去乙酰化酶抑制剂可以使染色质去致密并激活某些基因的转录，从而在人类成纤维细胞中诱导衰老样状态(12)表明某些异染色质转化为常染色质可能是复制性衰老的特征(13,14). 其他研究表明，染色质凝集和某些基因随后的下调可能会调节衰老。衰老伴随着核形态的改变和独特染色质结构的形成，称为衰老相关异色灶（SAHF）(15). SAHF不包含活性转录位点，它们将异染色质蛋白募集到衰老期间被稳定抑制的基因中。结果表明，SAHF在E2F应答启动子（如细胞周期蛋白A和增殖细胞核抗原启动子）中含有视网膜母细胞瘤蛋白（pRB），并且在衰老过程中沉默了E2F应答基因的表达，但在静止期没有沉默(15). SAHF的形成和沉默需要完整的pRB通路，因为抑制p16墨水4a防止SAHF形成并导致DNA复制。这些结果提供了维持衰老状态的分子机制，并证明了pRB作为肿瘤抑制剂的重要性。

HSC具有惊人的再生潜力，使用有限数量细胞的移植实验证明了这一点。在小鼠中，连续移植可能需要四到六代，这表明单个HSC能够广泛自我更新，但可能不会永生。即使HSC表达端粒酶(16,17)，这不足以完全防止衰老过程中的端粒侵蚀(18). 造血细胞中端粒酶催化亚基的过度表达可防止骨髓连续移植期间端粒缩短。然而，即使是过度表达端粒酶的HSC也可以连续移植不超过四次，就像野生型HSC一样；这表明在连续移植期间，端粒非依赖性机制调节小鼠HSC的复制衰老(19). 另一方面，端粒酶缺乏的造血干细胞只能连续移植两次，同时端粒缩短率增加，这表明在连续移植过程中仍然需要端粒酶来防止端粒功能过早丧失(20,21).

Bmi1在干细胞自我更新中的作用

由于表观遗传事件（如组蛋白修饰）与衰老有关，因此，参与染色质重塑和基因表达的基因，如Polycomb公司和三胸家族，可能直接参与影响干细胞命运的决策，包括自我更新、衰老，以及可能的衰老。Polycomb公司和三胸蛋白质形成大的多聚体结构，通过染色质修饰的协同过程，可以分别导致基因表达的抑制或激活(22,23).

HSC和神经干细胞均表达高水平的Bmi1公司(24–26)，是的成员Polycomb公司一组最初被鉴定为与c-myc公司小鼠淋巴瘤模型(27,28). Bmi1有一个环指氨基末端和中央螺旋-转螺旋结构域。环指结构域是Eμ淋巴瘤发生所必需的-Bmi1公司转基因小鼠(29,30). 产后小鼠缺乏Bmi1公司在造血、骨骼结构、神经功能和小脑发育方面存在缺陷(31).

最近的研究表明Bmi1公司对于成人HSC以及成人外周和中枢神经系统神经干细胞的有效自我更新细胞分裂来说是必要的，但对于分化后代的生成则不太重要(25,26). 移植Bmi1–/–胎肝细胞仅导致短暂的造血细胞重建，这表明移植的突变胎肝HSC未能产生更多HSC，但产生了多能祖细胞，可维持造血长达4-8周。类似地，Bmi1公司是维持中枢和外周神经系统中的神经干细胞所必需的。与HSC一样Bmi1公司-缺乏的神经干细胞导致其出生后体内耗竭，但定向祖细胞的增殖和存活基本正常(26). 鉴于Bmi1公司-缺陷小鼠，包括后部变形和神经异常(31)及其广泛的组织分布(32)，很可能Bmi1公司调节其他类型体细胞的自我更新。

Bmi1公司

也可能在某些类型的癌症中起关键作用(33–35). 在大约11%的套细胞淋巴瘤病例中，恶性细胞的Bmi1公司DNA并表达高水平的蛋白，这与该基因在这种致命的淋巴瘤中的作用有关。在白血病小鼠模型中，Bmi1公司对维持白血病细胞至关重要(36). 的强制表达式Hoxa9/Meis-1公司在正常和Bmi1公司-缺乏小鼠胎肝细胞，随后进行移植，最初导致骨髓被类似急性髓细胞白血病（AML）细胞浸润，小鼠出现类似AML的骨髓浸润。然而，只有Bmi1公司野生型AML可以连续移植。结合检测高水平Bmi1公司在人类AML干细胞中(25)，这些结果表明Bmi1公司也是白血病干细胞自我更新所必需的。

Bmi1与衰老

在WI-38人胎肺成纤维细胞中，Bmi1公司当细胞经历复制性衰老时下调，但在细胞静止时则不下调。此外，Bmi1公司延长复制寿命，但在过度表达时不会诱导永生(37). 在没有Bmi1的情况下p16墨水4a和p19Arf（第19页）Ink4a基因座的基因被表达(38). 寿命延长Bmi1公司部分通过抑制p16墨水4a-依赖性衰老途径，需要完整的pRB途径，但不需要p53抑癌蛋白。环指域和螺旋-转螺旋域Bmi1公司延长寿命和p16墨水4a抑制。此外，环指缺失突变作为显性阴性，诱导p16墨水4a和过早衰老(37).

正常小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）在培养7代后达到复制性衰老，而Bmi1–/–小鼠在第三代时表现出早衰表型。这与p16墨水4a.重新表述Bmi1公司在里面Bmi1–/–MEF可防止过早衰老(28). 的过度表达Bmi1公司具有增殖优势，延长了MEF寿命。此外，与人类成纤维细胞不同，Bmi1公司可以使MEF永垂不朽。

Bmi1下游目标

基因保护研究表明Bmi1公司通过调节对干细胞命运决定重要的基因以及生存基因、抗增殖基因和干细胞相关基因来调节HSC的自我更新（图​（图1）1) (25). 前面提到的Bmi1公司目标墨水4a轨迹(28)，编码p16墨水4a和p19Arf（第19页）使用不同的启动程序(38). 的强制表达式p16墨水4a和p19Arf（第19页）HSC分别导致衰老和凋亡(25). 在神经干细胞中，p16墨水4a缺陷部分恢复了Bmi1公司-缺乏干细胞自我更新(26). 图​图22说明p16对细胞周期和衰老的调节^墨水4a和第19页^阿尔夫在细胞周期中，pRB被周期蛋白D/周期蛋白依赖性激酶4和6（周期蛋白D/Cdk4/6）复合物过度磷酸化(39). 过度磷酸化的pRB不能结合和抑制E2F转录因子，从而使对G1/S转换重要的E2F靶基因转录，如DNA聚合酶II、细胞周期蛋白E、p19、myb和二氢叶酸还原酶(40). 这允许细胞周期进行。如果没有Bmi1，p16^墨水4a上调并阻止Cdk4/6与细胞周期蛋白D结合，抑制激酶活性。这导致低磷酸化pRB，然后与E2F结合并抑制E2F介导的转录，导致细胞周期停滞和衰老(39). 第19页^阿尔夫隔离小鼠双分2（MDM2）并抑制p53降解，导致p53介导的细胞周期阻滞和凋亡(41,42). 点突变和缺失p16墨水4a和p19Arf（第19页）在许多类型的人类癌症中经常发现，这意味着它们是永生和/或衰老检查点的关键调节器。

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图1

假设的Bmi1目标。干细胞自我更新的外源信号导致干细胞中Bmi1水平升高。这允许抑制各种基因，包括墨水4a基因座，p16墨水4a和p19Arf（第19页）可能通过间接机制激活一些基因，包括端粒酶、凋亡抑制因子-6（Ai6）和血小板活化因子乙酰水解酶（PAF-AHγ）。这些基因可能在干细胞的命运决定中发挥作用，包括自我更新和分化*与癌症相关的频繁突变位点。TJP，紧密连接蛋白。RDC1，趋化因子孤儿受体1。

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图2

Bmi1对细胞周期、凋亡和衰老的调节。在正常干细胞中，p16墨水4a和p19Arf（第19页）基因以Bmi1依赖的方式被抑制。如果没有p16墨水4a，cyclin D/Cdk4/6复合物可以磷酸化pRB，允许E2F依赖的转录导致细胞周期进展和DNA合成。此外，MDM2介导的p53降解在缺乏p19Arf（第19页）从而防止细胞周期阻滞和凋亡。Bmi1的缺失减轻了对墨水4a基因座，导致p16墨水4a和p19Arf（第19页）.p16墨水4a抑制细胞周期蛋白D与Cdk4/6的结合，从而抑制激酶活性。这导致低磷酸化pRB，然后它可以结合E2F并抑制E2F依赖的转录，导致细胞周期停滞和衰老。p19Arf（第19页）抑制MDM2，MDM2介导p53的泛素依赖性降解，从而导致p53蛋白在细胞中积聚。这导致了参与细胞周期阻滞和凋亡的各种p53靶基因的诱导。蛋白质受高水平和低水平Bmi1公司分别以黑色和红色箭头显示*与癌症相关的频繁突变位点。

缺少老鼠Bmi1公司表现出两者的诱导作用p16墨水4a和p19Arf（第19页）在各种造血组织和神经组织中(25). 的过度表达p16墨水4a和p19Arf（第19页）成人HSC分别通过pRB和p53依赖途径诱导细胞周期阻滞和凋亡。重复删除Bmi1公司和p16墨水4a/p19Arf基因部分拯救了在Bmi1公司-缺陷小鼠(28)，表明p16墨水4a,p19Arf（第19页）和p53是Bmi1公司在自我更新的细胞分裂过程中参与控制HSC的增殖和存活（图​（图2）。2). 因此，Bmi1公司部分通过抑制参与细胞衰老的基因来维持HSC库。p53靶基因表达增加小工具1在里面Bmi1–/–骨髓表明p19Arf（第19页）通路可能在Bmi1–/–造血细胞。Wig1是一种双链RNA结合蛋白，在体外抑制肿瘤生长，表明它可能在应激诱导的p53反应中发挥作用(43). p53缺陷小鼠干细胞数量增加的观察结果与p53可能是Bmi1下游效应器的观点一致(44). 此外霍克斯9基因家族也受到影响Bmi1公司-造血组织和神经球缺陷(25,26). 要确定这些途径对HSC自我更新调节的相对贡献，需要仔细分析双基因敲除或三基因敲除小鼠的HSC。

有证据表明Bmi1公司可能调节人类乳腺上皮细胞（MEC）中端粒酶的表达，并可能在人类乳腺癌的发生发展中发挥作用。Bmi1公司在几种乳腺癌细胞系和用人乳头状瘤病毒永生化的人MEC中过度表达E6公司废除p53/p21的癌基因^瓦夫通路(45)，表明Bmi1公司可能与永生有关。通过定期喂养来自原发乳腺组织的异质性MEC群体，可以获得选择后MEC。在此过程中p16墨水4a基因逐渐沉默，在选择后MEC中不表达(46,47). 的过度表达Bmi1公司在选择后，MEC绕过衰老，延长复制寿命并使MEC永生。这与人类端粒酶逆转录酶（hTERT）的表达有关，它导致端粒酶活性的诱导。尽管hTERT是c-Myc诱导MEC转录的直接靶点(48,49),Bmi1公司似乎独立于c-Myc。自Bmi1公司端粒酶是一种转录阻遏物，诱导端粒酶可能是通过间接机制介导的。Bmi1蛋白的缺失分析表明环finger，以及保守的helix-turn-helix结构域，是诱导端粒酶和永生化的能力所必需的。这些数据表明Bmi1公司直接或间接调节MEC中端粒酶的表达，可能在人类乳腺癌的发生发展中发挥作用。然而，Bmi1公司端粒酶的诱导是细胞类型特异性的；Bmi1公司未能诱导成纤维细胞中的端粒酶(45). 这与观察结果一致Bmi1公司过度表达不能使人成纤维细胞永生化(37). 尚不清楚是否Bmi1公司参与正常乳腺干细胞的端粒功能。

未来的方向

Bmi1公司通过抑制与衰老有关的基因或诱导端粒酶以防止端粒缩短来防止过早衰老，从而维持干细胞池。很可能Bmi1公司对维持多种类型的体干细胞至关重要，因为它广泛表达并Bmi1公司-缺陷小鼠其他器官有发育缺陷。Bmi1公司对维持白血病干细胞和可能其他致瘤干细胞也很重要；因此，Bmi1公司可作为诱导肿瘤干细胞衰老的分子靶点(50).

自Bmi1公司维持HSC库的大小并调节与衰老和衰老相关的关键基因，确定HSC是否表达Bmi1公司其靶基因在干细胞移植和/或衰老过程中发生变化。干细胞在衰老过程中是否会衰老尚存在争议(51–53). 在进行了大多数HSC研究的C57BL小鼠中，HSC数量随年龄增长而增加，但总体功能不变(54–56). 然而，HSC衰老可能发生在某些其他品系小鼠的衰老过程中(57,58). 在连续移植实验中，造血干细胞重建受致命照射小鼠骨髓的次数有限。这一观察结果可能是由于固有干细胞老化程序的结果，该程序仅在干细胞增殖远远超过正常老化时才会发生，也可能是由于移植应激导致的干细胞损伤。在这两种模型中，干细胞活性的丧失可能是由Bmi1公司或其下游目标。

参考文献