第四节　修复的分子机制

各种促进和抑制损伤后修复因素之间的动态平衡，决定机体组织和细胞修复能力的强弱。首先，单个细胞再生受到自身基因程序化表达的制约，即不同的再生潜能（不稳定细胞、稳定细胞、永久细胞）是决定细胞损伤后修复能力的最根本因素。同时，即使是具有较强再生能力的不稳定细胞和稳定细胞，其细胞与组织的修复能力同时受到细胞周期、生长因子及其受体、抑素、接触抑制、细胞外基质、干细胞等诸多因素的影响。

一、细胞周期调节相关蛋白

细胞、组织损伤后的修复受到多种基因、多个环节、多种分子调控的复杂生物学过程的影响，这些因素共同决定再生细胞由静止期重新进入细胞周期的能力，其中细胞周期调节蛋白和校验点分子蛋白的作用最为重要。

（一）细胞周期调节蛋白

细胞有丝分裂周期的进程是由一系列调控因子有序的聚合和激活而调控。其中的核心是细胞周期蛋白（cyclin）、细胞周期依赖性激酶（cyclin dependent kinase，CDK）。细胞周期蛋白是一类相对分子量为45～60kDa的蛋白质家族，包括cyclin A、B、C、D等。在不同细胞周期时相，表达的细胞周期蛋白类型不同，并与不同类型CDK结合，形成cyclin-CDK蛋白复合物，调节不同CDK的活性。当cyclin-CDK复合物顺利形成时，细胞分裂增殖就得到促进；而当细胞周期依赖性蛋白激酶抑制蛋白（CDKI）通过竞争性结合周期素而抑制CDK活性时，细胞周期进展便停滞。CDK活性还受到自身磷酸化状态影响，其主要的生物学作用是启动DNA的复制和诱发细胞有丝分裂（图2-11）。

（二）校验点分子蛋白

细胞周期的正常运行还受到细胞周期检查点（checkpoint）的控制，保证DNA复制和染色体分配质量。当增殖细胞在DNA修复或染色体分离障碍时，校验点系统可通过促进或抑制激活通路，启动或中止细胞周期运行，修复或清除突变的不良细胞。

细胞周期校验点的两个关键时期分别是G1/S期和G2/M期，其中G1/S期校验点尤为重要。常见的校验点分子有Rb和P53等，其蛋白产物具有负调控细胞增殖的作用。在G1/S期校验点，DNA损伤或缺氧等因素可刺激活化P53，激活CDKIP21和DNA修复基因GADD45的转录，使细胞停滞在G1期等待DNA修复。若DNA修复成功，细胞可进入S期继续分裂；若DNA修复失败，细胞则活化凋亡相关基因Bax，促使细胞凋亡。另一个G1/S期校验点分子为去磷酸化的PRb通过阻断细胞S期基因的转录，从而制止细胞从G1期进入S期。当cyclin-CDK复合物形成后，可导致PRb磷酸化，推动细胞越过G1/S期校验点，进而完成细胞分裂（图2-12）。

二、生长因子及其受体

细胞损伤后释放一系列生长因子，调节局部组织同类细胞或其他细胞的再生分化，完成修复过程。有的生长因子作用于多种靶细胞，有的生长因子只作用于特定的靶细胞。此外，有些生长因子及其受体还在细胞迁徙和伤口收缩中发挥作用，参与损伤组织结构的重建。

（一）生长因子

当细胞受到损伤因素刺激后，可释放或分泌多种生长因子（growth factors），刺激同类细胞或同一胚层发育来的细胞增生与分化，促进修复过程。与激素的内分泌方式不同，生长因子主要以自分泌和旁分泌的方式作用于邻近靶细胞，发挥局部化学介质的作用。

细胞的增殖和分化受到生长因子促进和抑制两类作用的双向调节，或促进细胞增殖、抑制细胞分化，有利于受损伤组织早期的结构填充和修补；或者抑制细胞增殖、促进细胞分化，有利于受损伤组织的结构重建和成熟。其中以多肽类生长因子最为关键，多肽类生长因子结合于细胞表面的酪氨酸蛋白激酶受体，引起自身的二聚体化和自磷酸化，它们除了刺激细胞的增殖，还参与损伤组织的重建；化学因子和其他细胞因子则结合于细胞表面的G蛋白耦联受体，刺激增殖和分化基因的表达。

本部分仅介绍几个较为重要的生长因子。

1.血小板源性生长因子

血小板源性生长因子以α颗粒形式储存于血小板，具有引起成纤维细胞、血管内皮细胞、平滑肌细胞和单核细胞增生和游走的作用，并能诱导成纤维细胞分泌其他细胞因子，促进细胞基质成分（胶原、透明质酸等）的合成、分泌，加速伤口的愈合。

2.成纤维细胞生长因子

成纤维细胞生长因子具有广泛的生物活性，几乎可刺激所有间叶细胞，但主要作用于内皮细胞。可刺激内皮细胞增殖、迁移和蛋白激酶产生，促进新血管的形成和发育，是重要的血管形成因子之一。其中，碱性FGF存在于很多器官，而酸性FGF（aFGF）仅存在于神经组织。

3.表皮生长因子

表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）是从颌下腺分离出的一种由53个氨基酸残基构成的单链多肽。对多种组织来源的上皮细胞具有较强的促分裂活性，可促进上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞的迁移，也可促进胶原酶的分泌和胶原的降解。

4.转化生长因子

转化生长因子来自血小板、内皮细胞、T淋巴细胞、巨噬细胞等多种细胞。TGF-α的氨基酸序列有33%～44%与EGF同源，可与EGF受体结合，故与EGF有相同作用。TGF-β由血小板、巨噬细胞、内皮细胞等产生，不同浓度对成纤维细胞和平滑肌细胞增生的作用不同。低浓度是可诱导PDGF合成、分泌，为间接有丝分裂原；高浓度时可抑制PDGF受体表达，而使细胞生长受到抑制。此外，TGF-β的含量与胶原的合成、伤口愈合时间、伤口愈合组织的张力及瘢痕的密度有一定关联。

5.血管内皮生长因子

血管内皮生长因子最初从肿瘤组织中分离提纯出来，可促进血管增生及创伤愈合，并明显增加血管通透性，是成人早期新生血管形成的主要诱导因子。VEGF提高局部血管通透性，丰富的血运为成纤维细胞的增殖及胶原的合成提供充足的营养物质和其他生长因子，进一步促进肉芽组织的生长。

6.肝细胞生长因子（HGF）

HGF由成纤维细胞、间质细胞、血管内皮细胞等产生，作用于肝、胆管、肺、乳腺、皮肤、肾小管等的上皮细胞，可促进胚胎发育、形态发生、细胞迁移，并提高细胞生存率。

7.具有刺激生长作用的其他细胞因子

白细胞介素-l（interleukin-1，IL-1）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）和干扰素（interferon，IFN）能刺激成纤维细胞增殖，TNF还能刺激血管再生。

（二）生长因子受体及信号转导系统

1.生长因子受体

生长因子受体大多是细胞表面受体。主要包括：①内源性激酶活性受体，其有完整的细胞外、跨膜和细胞质区段，发挥酪氨酸激酶活性和丝氨酸/苏氨酸激酶活性，如PDGF、FGF、EGF等绝大部分生长因子受体，以及连接蛋白家族成员、src家族成员、蛋白激酶C家族成员等。②无内源性激酶活性受体，虽也有完整的细胞外、跨膜和细胞质三个区段结构，但不具有酪氨酸激酶活性，大多数细胞因子受体属于此类。③G蛋白耦联受体，只有跨膜区段，本身并没有激酶活性，但可以激活细胞质内G蛋白复合物，增加细胞内第二信使效应，如神经递质、激素和肽类配体的受体等。

2.涉及的信号转导系统

信号转导系统是一系列由细胞外信号转变为细胞内信号的信息转导网络。细胞生长和分化涉及多种信号转导之间的整合及相互作用。某些信号来自于多肽生长因子、细胞因子和生长抑制因子，依赖酪氨酸蛋白激酶系统传递。另一些则来自于细胞外基质的组成成分，通过整合素依赖性信号转导系统进行传递。虽然某一信号转导系统可被其特异受体所激活，但其仍然存在信号转导系统之间的相互作用，形成互相调控、级联放大的复杂网络，从而调节细胞增殖及细胞的其他生物学行为。

对生长因子调节最重要的细胞内信号转导途径包括肌醇磷脂激酶（PI3-K）途径、磷脂肌醇（PKC）途径、Ras途径、Janus激酶（JAK）和丝裂原激活蛋白激酶（MAPK）信号途径等（图2-13）。这些信号转导系统分别通过激酶启动相应的激酶级联放大效应，提高G蛋白耦联水平，刺激静止细胞进入细胞周期，促进细胞的增殖与分裂。

三、抑素与接触抑制

机体具有促进细胞增殖分裂机制的同时，也具有抑制细胞增殖分裂的相应机制。

（一）抑素

抑素（chalone）是组织中细胞产生的小分子蛋白质或多肽，部分可含有糖或RNA。具有组织特异性，似乎任何组织都可产生一种特异的抑素抑制本身的增殖。如对某些间叶细胞具有促进作用的TGF-β，对上皮细胞则具有抑素样作用。α-干扰素（IFN-α）、前列腺素E2和肝素在组织培养中对成纤维细胞及平滑肌细胞的增生都具有抑素样作用。此外，在对血管生成的研究中已发现多种抑制血管内皮细胞生长的因子，如血管抑素（angiostatin）、内皮抑素（endostatin）和血小板反应蛋白 1（thrombospondin l）等。

当抑素含量达到一定浓度时，可抑制同类细胞的增殖，若抑素浓度下降，则同类细胞增殖活跃。其作用机制为激活细胞膜腺苷环化酶可提高细胞内cAMP的浓度，降低细胞增殖所需的ATP供应；也可以通过cAMP依赖性蛋白激酶对蛋白质的磷酸化起作用。

（二）接触抑制

皮肤发生创伤时缺损局部周围上皮细胞分裂增生迁移将创面填充至相互接触时，细胞即停止生长，这种现象称为接触抑制（contact inhibition）（图2-14）。肝脏部分切除后，肝细胞增生使肝脏体积达到原有大小时，肝细胞停止生长而不致堆积起来，也表现出接触抑制。接触抑制的调节机制尚不太清楚，可能细胞缝隙连接（以及桥粒）参与接触抑制的调控。

四、细胞外基质及其相互作用

细胞外基质（extracellular matrix，ECM）在任何组织中都占有相当比例，它的主要作用是把细胞连接在一起，支撑和维持组织的生理结构和功能。近年来研究证明，尽管不稳定细胞和稳定细胞都具有完全的再生能力，但再生细胞可重新构建为正常组织结构依赖细胞外基质的调控，因此细胞外基质在调节细胞的生物学行为方面发挥着主动且复杂的作用。它可影响细胞的形态、分化、迁移、增殖和生物学功能。由其提供的信息可以调控胚胎发育、组织重建与修复、创伤愈合、纤维化及肿瘤的侵袭等。其主要成分如下：

1.胶原蛋白

胶原蛋白（collagen）是构成ECM的骨架，起着支持作用。胶原蛋白对细胞的生长、分化、细胞黏附及迁移均有明显影响。已知的胶原蛋白至少有19种。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原为间质性或纤维性胶原蛋白，体内分布较为广泛。Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型胶原为非纤维性胶原蛋白（无定形胶原蛋白），存在于间质和基底膜内。

2.弹力蛋白

弹力蛋白（elastin）是维持组织回缩力的主要成分，是弹力纤维的主要成分。分布于各种组织，如大血管、皮肤、子宫和肺等在结构上需要弹性以发挥特殊功能的部位。组织器官内的弹力纤维包括一个分子量为70kDa的弹力蛋白构成其中轴，周围由微丝形成的网状结构围绕。成熟的弹力蛋白还含有交联结构，可调节弹性。

3.蛋白多糖和透明质酸

蛋白多糖（proteoglycan）和透明质酸（hyaluronan）是构成细胞外基质的另一重要成分。蛋白多糖是由氨基葡聚糖（glycosaminoglycan），包括硫酸肝素（heparan sulfate）、硫酸软骨素（chondroitin sulfate）和硫酸皮肤素（dermatan sulfate）等与蛋白质结合形成，其结构形态类似于试管刷上的猪鬃毛，在调控结缔组织的结构和通透性中具有重要的作用。透明质酸是一种酸性黏多糖，是大分子蛋白聚糖复合物的骨架，可结合大量的水分子形成高度水合的凝胶，使许多类型的结缔组织尤其是关节软骨，具有膨胀、抗压、反弹及润滑的能力。透明质酸亦存在于发生迁移和增殖细胞周围的细胞外基质中，抑制细胞间的黏附作用促进细胞迁移。

4.黏附性糖蛋白和整合素

黏附性糖蛋白（adhesive glycoprotein）和整合素（integrin）两者结构并不相同，但共同特性为既能与其他细胞外基质结合，又能与特异性的细胞表面蛋白结合。这样，它们就把不同的细胞外基质与细胞联系起来。

（1）纤维粘连蛋白（fibronectin）：

为分子量接近450kDa的大分子糖蛋白，是一种多功能的黏附蛋白，可由成纤维细胞、单核细胞、内皮细胞及其他细胞产生，其主要作用是能使细胞与各种基质成分发生粘连。纤维粘连蛋白与细胞黏附、细胞伸展和细胞迁移直接相关。另外，纤维粘连蛋白还可增强某些细胞如毛细血管内皮细胞对生长因子的敏感性，从而促进其增殖。

（2）层粘连蛋白（laminin）：

是基底膜中含量最为丰富、分子质量约为820kDa的大分子糖蛋白，由三个不同的亚单位共价结合形成交叉结构跨越基底膜。层黏连蛋白既可与细胞表面的特异性受体结合，又可与基质成分如硫酸肝素和Ⅳ型胶原结合，还可介导细胞与结缔组织基质黏附。层黏连蛋白在调节细胞生长、增殖、分化及迁移中起重要作用。

（3）整合素：

是细胞表面受体的主要家族，可介导细胞与细胞外基质的黏附。其某些类型在白细胞黏附过程中尚具有诱导细胞与细胞间相互作用的功能。整合素在体内表达广泛，多数细胞表面都可表达一种类型以上的整合素，可调节多种生命活动，如在白细胞游出、血小板凝集、发育过程和创伤愈合中发挥关键作用。此外，某些细胞仅通过黏附才可发生增殖，若通过整合素介导的细胞与细胞外基质黏附发生障碍就可导致细胞凋亡。

5.基质

细胞蛋白是一类能与基质蛋白、细胞表面受体、生长因子等相互作用的分泌蛋白家族，包括血小板反应蛋白、富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白（又称骨连接蛋白，SPARC）、细胞黏合素等。基质细胞蛋白可抑制血管新生，促进损伤后组织重建，并在白细胞游出中发挥作用。

五、干细胞

干细胞（stem cell）是机体发育过程中产生的具有持续自我更新、多向分化潜能的一类细胞。大部分干细胞每次分裂后，子代细胞之一（子代干细胞）仍保持上述干细胞特性，另一子代细胞（定向祖细胞）则定向分化为某种成熟类型细胞（终末分化细胞，图2-15）。当机体受到损伤时，为更好地适应机体修复的需要，干细胞的分裂方式也会发生改变，如可以直接分裂为两个子代干细胞或者两个定向祖细胞。尽管组织中的干细胞仅占不到细胞总数的3%且散在分布，但干细胞是组织细胞更新修复的必要条件。

（一）干细胞的类型

根据分化潜能和分化方向，大致可将干细胞分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞等（表2-3）；根据发育时间和组织来源，可将干细胞分为胚胎干细胞和成体干细胞等。

胚胎干细胞起源于着床前期胚胎内细胞群，后来分化为成体组织器官中各种类型的细胞，体现全能干细胞特性。成体干细胞是存在于成体不同组织器官中的未成熟细胞，可以向自身胚层类型中的一类或几类细胞分化，有些也可多向分化为其他胚层类型的细胞，体现单能干细胞或多能干细胞特性。

目前认为，以往认识的储备细胞、未分化细胞、不成熟细胞、多向分化细胞等，可能都是干细胞在不同器官、不同组织中的表现形式，如表皮基底细胞、胃肠道隐窝细胞、肝脏卵圆细胞、间质肌上皮细胞等。因此损伤和衰老引起的细胞丧失，大多是通过不稳定细胞或稳定细胞群体中成体干细胞的增殖分裂来再生补充的。同时由于具有分化成为一种或多种不同胚层细胞的潜能，成体干细胞及其衍生物的临床应用为组织器官的生物再造奠定了基础，现已应用于器官修复、肿瘤、不孕、脱发、糖尿病等许多疾病的临床治疗。此外，转导了胚胎干细胞转录因子的成体干细胞可以重新编程转分化为胚胎干细胞样多潜能细胞，称为诱导多能干细胞。随着以促进组织再生和自我修复为目的的干细胞研究的兴起，现代医学将从切除、修补和替代进入再生的崭新阶段。

（二）干细胞的应用

由于成熟个体出生后，器官组织中只存在成体干细胞，因此干细胞的临床应用实际上是指成体干细胞的临床应用。成体干细胞主要包括造肝脏干细胞、造血干细胞、间充质干细胞、表皮干细胞、肌肉干细胞、神经干细胞等，它们可以在EGF、FGF、IL及其他诱导剂（如地塞米松）等人工干预因子作用下，分别分化为肝细胞、血细胞、脂肪细胞、骨细胞、软骨细胞、心肌细胞、甚至神经细胞等，实现损伤后不同细胞、组织的修复。

1.肝脏干细胞

肝脏干细胞主要位于肝脏的赫令管（小胆管上皮卵圆细胞），可双向分化为肝细胞和胆管上皮细胞，对肝硬化、肝癌和慢性肝炎损伤后肝细胞的修复有益。

2.造血干细胞

造血干细胞起源于胚胎时期卵黄囊血岛，随胚胎血液循环至肝脏，最后定居骨髓。造血干细胞可以增殖、分化和成熟，形成各种具有功能的血细胞，维持机体终生造血。造血干细胞是各种血细胞的共同来源，同时在一定诱导因素作用下，还可以分化为骨骼肌细胞、心肌细胞、肝细胞甚至神经细胞。造血干细胞是迄今为止研究最为深入的成体干细胞，通过从脐带血、外周血或骨髓中分离，造血干细胞移植已在白血病、贫血、淋巴瘤、先天性免疫缺陷症、小细胞性肺癌等疾病的治疗中发挥重要作用。

3.间充质干细胞

间充质干细胞包括骨髓基质细胞和组织多能间质细胞等，是最具多向分化潜能的一种干细胞，存在于骨髓、脐带血、外周血、骨骼肌、脂肪及骨膜中，具有向骨、软骨、脂肪及肌腱组织分化的潜能，也可分化成为心肌、真皮和神经组织等，在创伤愈合、心肌梗死、烧伤治疗中发挥了重要作用。

造血干细胞和间充质干细胞是骨髓干细胞的主要成分。因骨髓取材方便，进行自体移植可避免免疫排斥反应，其目前是造血干细胞和间充质干细胞最为广泛的获取源。

4.表皮干细胞

表皮干细胞多位于与真皮乳头顶部相连的表皮基底层、表皮滤泡间细胞区、皮脂腺及毛囊隆突部等，是皮肤发生、发育、修复和改建的重要细胞来源。

5.肌肉干细胞

骨骼肌干细胞主要是位于骨骼肌肌膜的卫星细胞。当骨骼肌损伤后，骨骼肌干细胞可在Dll配体激活Notch信号刺激下增殖分化形成骨骼肌细胞。研究表明，体外培养的小鼠肌肉干细胞与骨髓间充质干细胞一起植入到接受致死辐射量的小鼠中，会分化为各种血细胞。

6.神经干细胞

位于室管膜下区、海马齿状回、纹状体。在生长因子作用下，神经干细胞可分化为神经细胞、星形胶质细胞和少突胶质细胞。神经干细胞在隔区、脊髓及大脑皮层也有少量分布。此外，神经干细胞经诱导也可分化为平滑肌细胞和血细胞，对脑卒中、阿尔茨海默病、帕金森病和脊髓损伤等疾病有一定治疗作用。

7.角膜干细胞

角膜缘基底部存在角膜缘干细胞，可以增殖分化为角膜上皮细胞，并阻止结膜细胞移行至角膜表面，对保持角膜透明性和角膜生理环境有重要意义，可用于角膜不透明症等退行性角膜疾病的治疗。

8.肠上皮干细胞

小肠上皮干细胞主要定位在小肠隐窝基底部以及小肠潘氏细胞部位，已知Wnt和BMP信号途径对于调节小肠干细胞的增殖和分化具有重要作用。

综上所述，如果在适当微环境下激活不同类型成体干细胞的组织特异性基因表达程序，它们能够选择性地分化为不同类型的组织细胞，以维持人体发育和新陈代谢的平衡。干细胞经细胞因子、激素等人工干预，也可诱导分化为不同的组织细胞，其分化方向具有“环境依赖性”，说明组织微环境对干细胞分化起着重要作用。

（王娅兰）