基质细胞衍生因子-1(SDF-1)及其受体CXCR4在细胞中运输的调控机制的研究进展

基质细胞衍生因子-1(SDF-1)及其受体CXCR4在细胞中运输
的调控机制的研究进展
桂钰;葛健;夏瑞祥
【摘要】基质细胞衍生因子-1(SDF-1)主要表达在骨髓的基质细胞及内皮细胞中,能够特异性地引起表达CXCR4的相关细胞的生理及病理反应.既往的研究表
明,SDF-1及CXCR4在促进心脏,血管的稳态及造血干细胞的动员和分化中有着重要的作用,更进一步研究了二者在相关细胞中的表达,运输,相互作用的机制及其他影响因素等,进而对于二者在疾病的诊断,治疗中有了新的认识.在此基础上,该文对于SDF-1及其受体CXCR4在细胞中的表达及运输机制进行简要归纳和综述.
【期刊名称】《安徽医药》
【年(卷),期】2013(017)011
【总页数】3页(P1836-1838)
【关键词】SDF-1;CXCR4;Gα13;Rho;IL-21;CD63;造血干细胞;内皮细胞;淋巴细胞;细胞迁移;归巢;内化;转胞吞
【作者】桂钰;葛健;夏瑞祥
【作者单位】安徽医科大学第一附属医院血液内科,安徽,合肥,230022;安徽医科大学第一附属医院血液内科,安徽,合肥,230022;安徽医科大学第一附属医院血液内科,安徽,合肥,230022
【正文语种】中文
骨髓基质细胞和内皮细胞表达的SDF-1及其受体CXCR4之间的相互作用，参与
造血的生成，胚胎发育及组织再生等，目前的研究主要集中在SDF-1及CXCR4
的表达并分析其表达规律，调控机制，旨在能够提高和改善骨髓造血龛中细胞的增殖和迁移，进而对于改善骨髓造血干细胞的迁移和归巢起着重要作用。

然而，CXCR4的表达不仅存在于骨髓造血干细胞及造血龛中，一些细胞中的SDF-1和CXCR4的表达和运输，以及相关因子的介入，同样导致二者表达和运输的异常，
调控机制的改变以及疾病的发生。

因而，对于二者在细胞表达及运输中的机制研究对于相关疾病的发生，诊断和治疗有着巨大的研究意义和临床应用意义。

1 SDF-1及受体
SDF-1是一类具有趋化活性的细胞因子，属于CXC型趋化因子，由骨髓基质细胞及其他相关的间皮细胞和上皮细胞分泌，SDF-1的缺失会导致造血干细胞的动员，缺失，再植异常，它能够支持造血干细胞，间充质干细胞，淋巴细胞，内皮细胞等在骨髓中的作用［1］。

除此之外，SDF-1在许多生理和病理过程中发挥重要的作用，除了影响细胞的运输，存活，也能够影响各种类型细胞的相关因子在各自的微环境中的基因表达［2］。

SDF-1这种小肽介质能够发挥这些作用，均是通过其相关受体来实现的，其中包括已知的7次跨膜的G-蛋白偶联受体CXCR4［3］以及表达在活化的内皮细胞及多种肿瘤细胞系中的CXCR7/RDC1［4］。

SDF-1与CXCR4及 CXCR7之间除了配体和受体的结合特性外，三者之间的作用可以相互
影响，例如，用CXCR7的拮抗剂CCX733封闭 CXCR7能够削弱SDF-1/CXCR4介导的内皮细胞的黏附及转胞吞作用［5］。

CXCR7虽有与SDF-1的特异性结合
特性，但其作为SDF-1的受体仍有许多无法介导的生物学过程，而SDF-
1/CXCR4的存在却能够实现许多生理及病理过程。

近年来的研究表明，SDF-1和CXCR4除了在骨髓造血及细胞支持中发挥重要的作
用外，仍能够存在并表达于不同的细胞中，如 B 淋巴细胞［6］，CD4+T 细胞［7］，肿瘤细胞［8］等，二者在这些细胞中的表达和运输能够影响相关细胞基
因的表达，细胞信号的调控，疾病的产生，因而近年来越来越得到研究者的关注，使二者在细胞中的表达和运输更加被清楚的认知，即便如此，这些介导细胞之间相互作用的因子如何分泌，运输及相互之间是否存在可调节的机制仍需进一步的研究。

2 SDF-1及其受体CXCR4在细胞中的运输机制
2.1 骨髓内皮细胞中依赖CXCR4的SDF-1的分泌以及SDF-1-CXCR4复合物的
转胞吞作用
2.1.1 CXCR4能够循环迁移SDF-1至骨髓使用免疫组化等实验方法对小鼠骨髓中SDF-1和CXCR4的表达进行分析，可以观察到二者在基质细胞及内皮细胞中能够双重表达，这就意味着可能存在着能够使SDF-1调节其自身分泌的反馈机制。

Dar等的研究表明，人类的骨髓基质细胞和内皮细胞的确能够双重表达SDF-1及
其受体CXCR4［9］，使用免疫电子标记技术，能够检测到在骨髓的内皮细胞的
内膜腔面和微绒毛上成簇的CXCR4反应，或许CXCR4能够调节SDF-1从内皮细胞的内膜腔面到细胞表面的方向性的迁移，从而使其能够跨过血—骨髓内皮细胞
屏障。

通过在不同的时间点检测SDF-1在骨髓组织中的聚集程度，可以观察到SDF-1是从内皮细胞的内膜腔面到细胞表面的方向进行迁移运输，为了进一步证实这种运输的机制是否是由CXCR4介导的，通过向小鼠静脉内注射CXCR4中和单克隆抗体，可以观察到SDF-1在骨髓中的分泌量减少。

Ayelet Dar又通过一系列实验证实了上述的猜想，得出了CXCR4能够介导骨髓基质细胞及内皮细胞中SDF-1的分泌
的结论。

2.1.2 内皮细胞的SDF-1-CXCR4复合物的转胞吞作用转胞吞作用是一种特殊的
内吞作用，受体和配体在此过程中未经任何加工处理，经细胞内转运到相反的方向，
然后通过胞吐作用，将内吞物再释放到细胞外。

CXCR4受体为7次跨膜的G-蛋白偶联受体，其所介导的配体的内化作用的两条途径已被认识，一条是通过网格蛋白覆盖凹［10］，另一条途径是通过质膜微囊［11］所介导，SDF-1的内化过程是
由网格蛋白介导，SDF-1早期主要分布在内皮细胞的顶端和细胞内，随着时间的
延长，能够观察到除了SDF-1-CXCR4复合物在细胞内和基底部增加外，SDF-1
也单独出现，这意味着在基底部单独出现的SDF-1可能是从其复合物中释放出来的，表明了SDF-1-CXCR4复合物的转胞吞作用的方向是从细胞的顶端到基底部，这种独特的转移运输方式，被认为是内皮细胞的SDF-1-CXCR4复合物的转胞吞
作用［9］。

2.2 CXCR4在造血祖细胞内的定位及组成性的内吞作用
2.2.1 CXCR4在CD34+细胞中的定位研究者们为SDF-1/CXCR4在造血细胞的
迁移和归巢过程中的相互作用提供各种实验依据，对于SDF-1的分泌和调控机制
也有了一定程度的了解，而CXCR4在细胞膜上表达的管理调节机制仍不甚清楚。

Zhang等使用抗体孵育实验来观察CXCR4在CD34+细胞中分布及亚细胞的定位，能够观察到独立来源的CD34+细胞被认为是一个大的CXCR4的细胞内池，细胞
内的CXCR4定位在早期和循环胞内体中［12］。

2.2.2 网格蛋白介导的CXCR4的配体—非依赖性的内化作用 CXCR4在细胞表面
和细胞内存储之间如何进行运输和循环需要进一步研究。

目前，已经确定了SDF-
1和佛波酯豆蔻醋酸盐介导的CXCR4胞吞作用的发生是通过覆盖凹并且通过高渗的蔗糖阻断［13］，因此可推论是否也存在这也一个CXCR4的内化过程。

细胞在蔗糖丰富的培养基上孵育3～15 min能够检测CXCR4的膜的表达增加，然而在
普通培养基上维持的细胞检测不到有意义的变化，因而推测高渗的蔗糖阻断了网格蛋白覆盖凹的组装，从而抑制了CXCR4的胞吞作用，使CXCR4的表达增加，这
一过程就是网格蛋白介导的CXCR4的配体—非依赖性的内化作用［12］。

2.3 Gα13和Rho介导CXCR4进入Rab11+囊泡胞内体中的运输过程 CXCR4作为一种G蛋白偶联受体，是细胞在其配体SDF-1的刺激下所表达的，CXCR4的信号转导能够调节T细胞的增殖［14］和迁移［15］，细胞因子和细胞介质的分泌和基因表达，以及刺激T淋巴细胞的免疫活动［15-18］等。

在SDF-1的刺激下，CXCR4与T淋巴细胞抗原受体(TCR)能够组成免疫应答复合物［16］。

CXCR4通过其在细胞表面的表达，循环，运输，内吞及基因表达调控来实现其在细胞中的几乎所有的功能。

在Kumar等前期的研究中，已经证实了CXCR4和TCR的生物相关性，在SDF-1刺激T细胞时，二者组成了一个异源二聚体，这样会延长ERK通路的激动时间以及下调基因的表达和细胞素的分泌［16-17］。

在后续的研究中［19］，使用SDF-1同时刺激PBMC T细胞(人类外周血单个核T细胞)以及Jurkat T细胞(来源于T淋巴细胞瘤的细胞系的T细胞)，通过免疫组化，质粒转染等技术，以及激光共焦显微镜的的观察，能够看到在SDF-1的刺激下，T细胞表达的CXCR4内化并且聚集在靠近细胞的MTOC(微管组织中心)和高尔基体的Rab11+循环的胞内体群中，并且大约近似一半的内化的CXCR4能够再次循环到细胞表面。

除此之外，可以观察到TCR同样聚集在Rab11+胞内体中，与CXCR4形成的异源二聚体共同参与到CXCR4的内化和运输过程。

因为CXCR4内化过程中所参与的肌动蛋白聚合是通过Gα13所介导的Rho的激动实现的［20］，通过抑制 Rho的激动或者消耗Gα13，会抑制 CXCR4内化进入Rab11+胞内体中，这就意味着CXCR4在Rab11+胞内体中的循环运输的调控是通过G13-Rho信号通路的激动实现的，同时实验表明，Gα13的耗尽会降低未受SDF-1刺激的细胞表面的CXCR4的水平，意味着Gα13同时调节CXCR4组成性的表达和循环运输。

2.4 在激活的B淋巴细胞中，IL-21和CD63能够下调CXCR4的表达生发中心是高亲和力的记忆B细胞和浆细胞的定位点［21-22］，经过抗原刺激后的B淋
巴细胞能够迅速的增殖分化形成生发中心。

这些增殖B细胞及中心母细胞经过体
细胞突变组成了生发中心的暗区，而中心母细胞继续分化成中心细胞并迁移至暗区附近的生发中心亮区。

研究表明，CXCR4在中心母细胞中表达水平显著高于中心
细胞［23-24］，并在亮区和暗区的分离中起着重要作用。

既往的研究能够提供一个方向，即在CD4+T细胞中，由网格蛋白所介导的CXCR4受体的内化作用［25-29］，实现这个过程同时需要一些与内化相关的分
子参与，其中包括CD63，它在CD4+T细胞的CXCR4内化作用中起着负调控的
作用［30-31］。

同样的，研究也表明，用 IL-21体外刺激淋巴B细胞，能够观察到细胞中中CXCR4的高表达或者低表达。

这样就提供了一个新的思路，在这些中心母细胞及记忆B细胞中，是否也存在着IL-21和CD63两种调节CXCR4表达的途径。

最终通过Yoshida等一系列的实验证明［31］，IL-21在激活的B细胞中
能够通过增加GPK6的表达来促进CXCR4的内化，而CD63通过Bcl-6的介导下调CXCR4的表达，最终导致CXCR4表达减少，这两种途径就解释了在生发中心
中暗区的CXCR4表达量更少的原因。

3 结束语
SDF-1及其受体CXCR4参与造血干细胞的归巢、增殖及分化以及疾病的发生过程，二者的分泌，表达，运输以及信号传导机制在这一过程中有着重要的作用，目前仍需进一步的研究阐明。

只有进一步了解二者的分泌，运输调节机制，我们才能够对其过程进行干预，将研究成果投入临床，指导其在干细胞移植，抗肿瘤等治疗中广泛应用，促进移植后造血干细胞归巢和增殖，使移植后的病人造血能够早日重建，同时在其他疾病的诊断治疗中发挥重要作用。

参考文献:
【相关文献】
［1］ Greenbaum A，Hsu YM，Day RB，et al.CXCL12 in early mesenchymal progenitors
is required for haematopoietic stem-cell maintenance［J］.Nature，2013，495(7440):227-230.
［2］ Hattermann K，Mentlein R.An Infernal Trio:The chemokine CXCL12 and its receptors CXCR4 and CXCR7 in tumor biology［J］.Ann Anat，2013，195(2):103-110. ［3］ Strieter RM，Burdick MD，Mestas J，et al.Cancer CXC ehemokine networks and tumour angiogeneais［J］.Eur J Cancer，2006，42(6):768-778.
［4］ Balabanian K，Lagane B，Infantino S，et al.The chemokine SDF-1/CXCL12 binds to and signals through the orphan receptor RDC1 in T lymphocytes［J］.Biol Chem，2005，280(42):35760-35766.
［5］ Yan X，Cai S，Xiong X，et al.Chemokine receptor CXCR7 mediates human endothelial progenitor cells survival，angiogenesis，but not proliferation［J］.Cell Biochem，2012，113(4):1437-1446.
［6］ Caron GS，Le Gallou T，Lamy K，et al.CXCR4 expression functionally discriminates centroblasts versus centrocytes within human germinal center B cells［J］.Immunol，2009，182(12):7595-7602.
［7］ Tarasova NI，Stauber RH，Michejda CJ，et al.Spontaneous and ligand-induced trafficking of CXC-chemokine receptor 4［J］.Biol Chem，273(26):15883-15886.
［8］ McIver SC，Loveland KL，Roman SD，et al.The chemokine CXCL12 and its receptor CXCR4 are implicated in human seminoma metastasis［J］.Andrology，2013，1(3):517-529.
［9］ Dar1 A，Goichberg P.Chemokine receptor CXCR4-dependent internalization and resecretion of functional chemokine SDF-1 by bone marrow endothelial and stromal cells ［J］.Nature Immunology，2005，6(10):1038-1046.
［10］ Signoret N.Phorbol esters and SDF-1 induce rapid endocytosis and down modulation of the chemokine receptor CXCR4［J］.Cell Biol，1997，139(3):651-664. ［11］ Minshall RD，Sessa WC，Stan RV，et al.Caveolin regulation of endothelial function［J］.Physiol Lung Cell，2003，285(3):1179-1183.
［12］ Zhang YY，Foudi A.Intracellular Localization and Constitutive Endocytosis of CXCR4 in Human CD34+Hematopoietic Progenitor Cells［J］.Stemcells，2004，
22(6):1015-1029.
［13］ Zhu SJ，Hatcher LI，Brown JC，et al.Effects of hypertonic sucrose and potassium depletion on the binding properties of beta and alpha 1 adrenergic receptors measured
on intact cells［J］.Recept Signal Transduct，1996，6(3/4):131-140.
［14］ Trampont PC，Tosello-Trampont AC，Shen Y，et al.CXCR4 acts as a costimulator
during thymic beta-selection［J］.Nat Immunol，2010，11(2):162-170.
［15］ Patrussi L，Baldari CT.Intracellular mediators of CXCR4-dependent signaling in T cells［J］.Immunol Lett，2008，115(2):75-82.
［16］ Kumar AT，Humphreys D，Kremer KN，et al.CXCR4 physically associates with the T cell receptor to signal in T cells［J］.Immunity，2006，25(5):213-224.
［17］ Kremer KN，Kumar A，Hedin KE，et al.Haplotype-independent costimulation of
IL-10 secretion by SDF-1/CXCL12 proceeds via AP-1 binding to the human IL-10 promoter ［J］.Immunol，2007，178(3):1581-1588.
［18］ Contento RL，Molon B，Boularan C，et al.CXCR4-CCR5:a couple modulating T cell functions［J］ Proc Natl Acad Sci USA，2008，105(29):10101-10106.
［19］ Ashok Kumar HG，Venkatesh YP.In silico analyses of structural and allergenicity features of sapodilla(Manilkara zapota)acidic thaumatin-like protein in comparison with allergenic plant TLPs［J］.Mol Immunol，2013，57(2):119-128.
［20］ Tan WD，Gutkind JS.The Galpha13-Rho signaling axis is required forSDF-1-induced migration through CXCR4［J］.Biol Chem，2006，281(51):39542-39549.
［21］ Manz RA，Thiel A，Radbruch A.Lifetime of plasma cells in the bone marrow ［J］.Nature，1997，388(6638):133-134.
［22］ Han S，Hathcock K，Zheng B，et al.Roles of CD40 ligand and B7-2 in established germinal centers［J］.Immunol，1995，155(2):556-567.
［23］ Allen CD，Ansel KM，Low C，et al.Germinal center dark and light zone organization is mediated by CXCR4 and CXCR5［J］.Nat Immunol，2004，5(9):943-952. ［24］ Caron G，Le Gallou S，Lamy T，et al.functionally discriminates centroblasts versus centrocytes within human germinal center B cells［J］.Immunol，2009，182(12):7595-7602.
［25］ Allen CD，Ansel KM，Low C，et al.Germinal center dark and light zone organization is mediated by CXCR4 and CXCR5［J］.Nat Immunol，2004，5(9):943-952. ［26］ Fong AM，Premont RT，Richardson RM，et al.Defective lymphocyte chemotaxis
in beta-arrestin2-and GRK6-deficient mice［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2002，
99(11):7478-7483.
［27］ Woerner BM，Warrington NM，Kung AL，et al.Widespread CXCR4 activation in astrocytomas revealed by phospho-CXCR4-specific antibodies［J］.Cancer Res，2005，
65(24):11392-11399.
［28］ McCormick PJ，Segarra M，Gasperini P，et al.Evaluation of a rapid microbiological method with a mixed culture biofilm model［J］.PLOS ONE，2013，
67(5):512-532.
［29］ Marchese A，Raiborg C，Santini F，et al.The E3 ubiquitin ligase AIP4 mediates ubiquitination and sorting of the G protein-coupled receptor CXCR4［J］.Dev Cell，2003，
5(5):709-722.
［30］ Yoshida T，Kawano Y，Sato K，et al.A CD63 mutant inhibits T-cell tropic human immunodeficiency virus type 1 entry by disrupting CXCR4 trafficking to the plasma membrane［J］.Traffic，2008，9(4):540-558.
［31］ Yoshida T，Ebina H，Koyanagi Y.N-linked glycan-dependent interaction of CD63 with CXCR4 at the Golgi apparatus induces downregulation of CXCR4［J］.Microbiol Immunol，2009，53(11):629-635.
［32］ Yoshida N，Kitayama D，Arima M，et al.CXCR4 expression on activated B cells is downregulated by CD63 and IL-21［J］.Immunol，2011，186(5):2800-2808.。