第33卷第2期暨南大学学报（医学版）Vol．33No．2 2012年4月Journal of Jinan University（Medicine Edition）Apr．2012脂肪细胞分化机制与骨髓造血微环境调控
刘革修，陈小宇，祝爱珍，刘成成
（暨南大学医学院血液病研究所，广东广州510632）
［摘要］在人体生长发育与衰老过程中骨髓会逐渐由红骨髓转变成为黄骨髓，即骨髓脂肪化，其本质是骨髓中脂肪细胞增多。骨髓脂肪细胞对造血微环境具有负性调节作用，能抑制骨髓造血、抑制造血重建时造血干细胞在骨髓中的植入。深入研究骨髓脂肪化机制对促进某些疾病过程中造血恢复、提高造血干细胞移植效率具有一定意义。脂肪细胞的形成主要包括间充质干细胞向前体脂肪细胞的定向分化及其终末分化两个阶段。本文主要阐述细胞形态变化和细胞外基质通过WNT和RHO-family GTPase信号级联通路调节前体脂肪细胞的定向分化，成脂刺激因素通过PPARγ的表观遗传学途径诱导前体脂肪细胞的终末分化，以及PPARγ和C/EBP的相互作用维持脂肪细胞的基因表达。
［关键词］脂肪细胞；分化；骨髓；造血微环境；信号途径．
［中图分类号］R331．22［文献标志码］A［文章编号］1000－9965（2012）02－0116－05
The mechanism of adipocyte differentiation and regulation of
hematopoietic microenvironment
LIU Ge-xiu，CHEN Xiao-yu，ZHU Ai-zhen，LIU Cheng-cheng
（Institute of Hematology，Medical College，Jinan University，Guangzhou510632，China）
［Abstract］With the process of growth and aging，human’s red bone marrow will turn into yellow gradually，which is also known as bone marrow fatting．Its essence is the increased number of adipocytes in marrow．Many studies have showed that bone marrow adipocytes could regulate negatively the hemato-poietic microenvironment，which inhibited the hematopoiesis and the embedding of hemopoietic stem cell in transplantation．Thus，further study of the mechanism of adipogenesis have significant influence on im-proving the hematopoietic recovery in diseases，and the effeciency of hemopoietic stem cell transplanta-tion．Adipogenesis includes two stages：commitment of mesenchymal stem cells to a preadipocyte fate and terminal differentiation．This paper reviews that cell shape and extracellular matrix remodeling regulate preadipocyte commitment and competency by WNT and RHO-family GTPase signaling cascades，and adi-pogenic stimuli induce terminal differentiation through the epigenomic activation of peroxisome prolifera-tor-activated receptor-γ（PPARγ），and the coordination of PPARγwith CCAAT/enhancer-binding protein （C/EBP）transcription factors maintain adipocyte gene expression．
［Key words］adipocyte；differentiation；bone marrow；hemopoietic microenvironment；signa-ling pathway
［收稿日期］2012－03－05
［基金项目］国家自然科学基金项目（30670902）
［作者简介］刘革修（1968－），男，副研究员，医学博士，博士生导师，研究方向：血液疾病与干细胞应用基础；Tel：020－85220262；E-mail：tli-ugx@jnu．edu．cn
1前体脂肪细胞定向分化的调控机制
1．1TGFβ（transforming growth factor－β，TGFβ）超家族信号
转化生长因子β超家族对间充质干细胞的分化选择以及前脂肪细胞的成脂起着重要作用，但TGFβ的确切作用和其主要成员组成尚不清楚。在人体和动物模型研究中TGFβ与成脂分化呈正相关，但在体外实验中TGFβ却通过SMAD3抑制3T3-F442A的成脂［1］。体内外实验结果的差异可能是因为TGFβ-SMAD3的异常激活信号以及内生的TGFβ和SMAD3之间微妙的调节所造成的。另一种可能是TGFβ-SMAD3信号能够在白色脂肪细胞早期增殖时促进多潜能的前体细胞成脂，却抑制定向的前体脂肪细胞成脂。
骨形态发生蛋白（bone morphogenetic proteins，BMPs）是TGFβ超家族的成员，同其受体BMPR1A （BMP receptor1A）一样与成脂密切相关，可以通过激活多种SMADs和p38激酶途径促进成脂。当与PPARγ激动剂结合时BMP2能刺激成脂，而给予维甲酸时，BMP2却能促进成骨［2］。而过量表达BMP7的小鼠棕色脂肪细胞增加。这些研究提示了BMPs 可用于造血微环境调控及造血重建促进。
1．2WNT信号通路
WNT家族成员是细胞分泌的糖蛋白，在前体脂肪细胞定向分化过程中起着关键作用。WNT配体与细胞表面的异二聚体受体（由低密度脂蛋白相关受体5（lew-density lipoprotein receptor-related5，LRP5），LRP6和Frizzled构成）结合后激活经典WNT信号通路。然后诱导T细胞特有的转录因子（T cell-special transcription factors，TCFs）招募β-链蛋白（β-catenin）依赖的辅助激活复合物，激活靶基因的转录。WNT10B［3］是小鼠的主要WNT配体，在前体脂肪细胞的表达多于脂肪细胞，能促进MSCs 向成骨分化。经典的WNT信号通路抑制成脂，但是对脂肪前体细胞的生存是必须的，WNT1能通过表达胰岛素样生长因子（insulin growth factor1，IGF1）保护前体脂肪细胞免遭血清饥饿［4］。
WNT配体的非经典途径是指非β-catenin依赖的通路。WNT5A激活组蛋白甲基转移酶SETDB1（SET domain bifurcated1），SETDB1与CHD7（chro-modomain helicase DNA-binding7）和NLK（NEMO-like kinase）形成复合物，抑制PPARγ转录，促进间充质干细胞的成骨分化。相反，WNT非经典通路的配体WNT5B却能促进成脂分化，它能够阻止β-catenin的核内转录，从而抑制经典的WNT通路，达到促进成脂的作用［5］。
前体脂肪细胞细胞结构改变能够促进或者抑制成脂分化的WNT配体表达，从而调节成脂分化。WNT10B和WNT5A等抑制成脂分化的WNT配体，是否可以用于造血微环境调控研究及造血重建，尚需进一步的实验得到验证。
1．3转录因子的调控
胚胎干细胞和其他干细胞都需要多种转录因子间的相互合作才能维持其前体细胞的状态。锌指蛋白423（zinc-finger protein423，ZFP423）是成脂细胞里特有的，含有1个BMP4依赖的成脂途径必需的结合SMAD的结构域，另外，ZFP423和TCF7L1等因子的相互作用也维持着前体脂肪细胞的成脂能力［6］。其中，TCF7L1的主要功能是转录激活物，抑制经典WNT路径。但是，在骨髓MSCs成脂分化过程中，转录因子间的相互作用还有待进一步研究。1．4细胞间接触和细胞形态的影响
细胞的融合是指所培养的细胞彼此接触，是许多体外成脂分化模型必须的要求。散在的培养MSCs会显著的增加成骨分化，而融合的MSCs则易分化成脂肪细胞［7］。融合的前体脂肪细胞不再进入细胞周期，所以推测这种细胞接触能抑制细胞增殖，而为成脂分化做准备。然而3T3-L1细胞在给予成脂刺激后会经历一段时间的有丝分裂，这意味着在早期的成脂过程中，细胞增殖并不会改变终末分化［8］。
细胞融合能够改变细胞的结构来调节细胞的成脂，细胞形态的改变调节了RHO GTPase-RHO-asso-ciated kinase信号，在融合的或者圆形的人类MSCs 上主要是失活形式-RHO·GDP，而激活RHO后，RHO·GTP抑制成脂。最新的研究阐明了活化的RHO能够通过促进转录因子YAP（Yes-associated protein）和TAZ（transcriptional co-activator with PDZ-binding motif）表达，抑制成脂分化［9］。那么，RHO GTPase激活剂是否对骨髓脂肪形成具有抑制作用？能否改善造血重建？
1．5细胞外基质的调节作用
在成脂过程中细长的纤维母细胞转变成圆形的
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第2期刘革修，等：脂肪细胞分化机制与骨髓造血微环境调控
脂肪细胞，细胞内和细胞外结构改变是最主要的特征。细胞外基质（extracellular matrix，ECM）主要通过其密度和张力的改变调节成脂。如3T3-F442A 向脂肪细胞的分化能被纤连蛋白抑制，这种现象又能被肌动蛋白的作用扭转［10］。α5整合素与纤连蛋白连接，在前体脂肪细胞上有表达，但是成熟的脂肪细胞却未见其表达，其异常表达能维持RHO-family GTPase高水平的活化形式，阻断脂肪细胞的分化［11］。
ECM的硬度也参与人类MSCs62-64的定向分化［12］，在低浓度的聚丙烯酰胺凝胶上培养时，比培养于相对高浓度的基质中更趋向于成脂。ECM的硬度使组织具有张力，而张力能导致肌动蛋白和肌球蛋白的形成增加以及细胞的伸展，调节MSCs的分化方向。尽管给予成脂刺激后肌细胞能够转分化为脂肪细胞，但是延伸的肌细胞却不能成脂。
细胞能够通过基质金属蛋白酶家族（matrix metalloproteinase，MMP）吸收周围的ECM从而调节细胞外环境的硬度和构成。完全的抑制MMP的活性能够阻断前体脂肪细胞的分化，MMPs和MMPs 抑制剂（tissue inhibitors of MMPs，TIMPs）之间的平衡能够决定成脂分化的潜能［13］。
目前存在的一个关键问题是如何测量前体脂肪细胞的张力和基质的硬度，很多相关的技术手段正日趋完善，能为测量基质硬度及如何调节成脂定向的信号路径找到正确的分子机制，并将有利于在体外深入研究骨髓MSC向脂肪细胞分化机制及其调节。
2终末分化
一旦前体脂肪细胞启动了成脂分化程序，一个转录级联反应就被激活了。信号级联能够诱导代谢基因和脂肪因子的表达，比如：脂肪酸结合蛋白4（fatty acid-binding protein4，FABP4）、葡萄糖转运因子4（glucose transporter4，GLUT4）、瘦素和脂联素，这就是我们常说的终末分化阶段。在对定向前体脂肪细胞研究中，很多调节此阶段的分子机制已经被发现。尤其是糖皮质激素调节的糖皮质激素受体激活路径和cAMP激动剂调节的PKA依赖和非依赖的信号通路已经被证实。尽管很多的转录因子参与了成脂，但PPARγ和C/EBPs（CCAAT/enhan-cer-binding protein），以及相互的表观遗传学作用才是终末分化过程中的主要驱动者［14］。
2．1PPARγ激活的表观遗传学调节
核内受体PPARγ是核内受体转录因子超家族成员，也是终末分化必不可少的，有两种亚型：PPARγ1主要表达于脂肪细胞，但是前体脂肪细胞和其他MSC来源的细胞等也有表达；PPARγ2是脂肪细胞特有的。通过与维甲酸受体（retinoic acid re-ceptor，RXR）结合成异二聚体（PPAR-RXR），PPAR-RXR通过招募辅因子而改变染色质结构，使组蛋白修饰（乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、拓扑化、ADP 核糖基化和脯氨酸异构化），促进脂肪细胞终末分化。虽然内源性的PPARγ配体还没有被发现，但在3T3-L1细胞终末分化的最初48个小时内，cAMP激动剂能够促进PPARγ配体的产生［15］。
在成脂的终末分化过程中，各种激素如糖皮质激素和胰岛素等和多种炎症因子前列腺素和白介素1等都可通过调节PPARγ的表达来促进或抑制成脂。也有研究表明［16］。C/EBPβ和C/EBPδ的主要功能为诱导PPARγ的表达，表达的PPARγ再诱导C/EBPα的产生。C/EBPα和PPARγ可以协同作用，激活相关基因表达，促进脂肪分化。分化所需的多种因素都是直接或者间接的汇聚到C/EBPα和PPARγ上发挥作用。
2．2C/EBP在成脂刺激下的激活
C/EBPs是一种广泛表达的转录因子，在多种细胞的形成过程中发挥着作用。前体脂肪细胞在给予成脂刺激之前，C/EBPβ处于低表达状态，而在给予成脂刺激的几小时内，C/EBPβ的表达在cAMP激动剂作用下，显著的上升。cAMP反应结合元件（cAMP-responsive element-binding，CREB）在cAMP 激动剂的作用下磷酸化，调节C/EBPβ，因而CREB 是成脂分化早期时C/EBPβ的直接激动剂［17］。JAK2（Janus kinase2）和STAT3共同参与的信号级联也能直接促进C/EBPβ的表达。Krüppel-like fac-tor4（KLF4）也能在终末分化的早期，直接激活C/ EBPβ转录，从而促进成脂。另外，转录因子KROX20在分化开始的最初6个小时开始表达，也能促进C/EBPβ的表达，但并非是直接的影响，KROX20可能诱导了其他未知的C/EBPβ转录激活物［18］。有趣的是，删除C/EBPβ能够增加KLF4和KROX20在3T3-L1细胞的表达，这种现象表明这在早期成脂分化过程中存在着一个负反馈。
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在成脂过程中，C/EBPβ也经过转录后修饰，在丝裂原蛋白激酶和糖原合成激酶3作用下被磷酸化，这是C/EBPβ与DNA结合所必须的［19］。也有研究表明糖皮质激素通过其受体的作用，使C/ EBPβ乙酰化，干涉C/EBPβ与转录辅助调节物组蛋白脱乙酰酶1（histone deacetylase1，HDAC1）的相互作用，调节C/EBPβ的表达［20］。
在糖皮质激素的成脂刺激诱导下C/EBPδ能急剧增加，但对于C/EBPδ调节的认识很少。有可能同C/EBPβ一样在脂肪细胞发展中起着重要作用，因为研究发现C/EBPβ-缺失的小鼠和C/EBPδ缺失的小鼠都存在轻微的脂肪组织形成障碍。而同时缺失这两种蛋白的MEFs以及小鼠则表现出显著的成脂及脂肪组织发展障碍［21］。相反，C/EBPα是C/EBPβ的直接作用目标，在终末分化的最后阶段表达。
3成熟脂肪细胞基因表达的维持
脂肪细胞的基因谱研究显示［22］，在分化终末期，PPARγ和C/EBPα在60%的基因中表达。基因敲除技术也表明，PPARγ、C/EBPα和C/EBPβ是维持成熟脂肪细胞中靶基因（如：脂联素、FABP和激素敏感性酯酶）表达所必须的；PPARγ和这些C/ EBPs之间相互作用所形成的正反馈环，也是终末分化的中心步骤。
体内外实验得到证实［23］，PPARγ是维持成熟脂肪细胞功能的基本因素。通过小干扰RNA技术，删除成熟3T3-L1脂肪细胞中的PPARγ，会导致脂肪细胞特有的代谢基因表达减少，同时对胰岛素的反应能力也下降，而对脂肪细胞的形态无任何影响。研究表明成熟的脂肪细胞只有在表达少量的PPARγ时，才能生存并维持其脂滴含量，完全去除PPARγ时，已经分化的细胞就不能存活。对维持成熟脂肪细胞因素的研究，将对再生障碍性贫血等骨髓脂肪化为特点疾病的临床治疗有重要意义。
4总结
尽管成脂分化仍有很多关键的争论，如缺少有意义的标记物、调节成脂定向和终末分化的路径是如何进行生理性的协调的呢？然而，成脂分化研究的最新进展，为研究体内前体脂肪细胞的能力、基因的重组以及各种通路之间的关系提供了更开阔的视野。细胞结构、信号通路和表观遗传学的改变，为针对成脂定向和终末分化的新治疗方案，提供了更有潜能的靶点。目前对于骨髓脂肪细胞分化研究还比较少。对骨髓造血微环境及其脂肪化研究具有重要意义，将为再生障碍性贫血和骨质疏松等骨髓脂肪化疾病和骨髓移植治疗研究提供新思路。
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［责任编辑：朱颖嫄］
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