全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第4期
2010年4月
Vol. 22, No. 4
Apr., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)04-0377-05
收稿日期：2009-09-17；修回日期：2009-10-23
基金项目：国家自然科学基金项目(30828011；30770645)；
中国医学科学院放射医学研究所发展基金(SF0825)s
*通讯作者：Email：ai_min_meng@126.com Tel: 022-
85682353
TGF-β/Smad 通路对造血干细胞的调控作用
张　恒, 王月英, 孟爱民*
(中国医学科学院北京协和医学院放射医学研究所，
天津市分子核医学重点实验室，天津 300192)
摘 要：造血干细胞(hematopoietic stem cells, HSCs)是典型的成体干细胞，造血系统的稳定依靠造血干
细胞正确的自我更新、增殖和分化。TGF-β 超家族包括 TGF-β、骨生成蛋白(BMP)和激活素，可通过
Smad 蛋白对造血干细胞进行调节。TGF-β/Smad 通路可通过降低CDK4 的表达、增加p21 蛋白表达和改
变 p27 分布，将造血干细胞阻断于 G1 期；通过上调 CD34 表达，抑制造血干细胞的分化。但也有不同
的观点，认为TGF-β 对HSCs 的调节与Smads 无关，TGF-β 并非通过调控p21 和 p27 抑制HSCs 的增殖，
TGF-β/Smad 通路对维持HSCs 静止状态无关。
关键词：造血干细胞；转化生长因子 - β；S m a d s
中图分类号：Q 8 1 3　　文献标识码：A
TGF-β/Smad signaling pathway regulates hematopoietic stem cells
ZHANG Heng, WANG Yue-ying, MENG Ai-min*
(The Key Laboratory of Molecular Nuclear Medicine in Tianjin, Institute of Radiation Medicine, Peking Union Medical
College, Chinese Academy of Medical Sciences, Tianjin 300192, China)
Abstract: Hematopoietic stem cells (HSCs) are historically the most thoroughly characterized type of adult stem
cells, and homeostasis of the hematopoietic system is maintained by their accurate self renewal, proliferation
and differentiation. The TGF-β family of ligands, including TGF-β, bone morphogenetic protein (BMP) and
activin, signal through Smad pathways to regulate the fate of hematopoietic stem cells. TGF-β/Smad pathway may
cause transcriptional activation of CD34 and preserve haematopoietic stem/progenitor cells activity . Also, the
pathway may be involved in HSCs’ G1 arrest by down-regulating CDK4, up-regulating p21 and redistributing p27.
However, there are some conflicting opinions as whether TGF-β regulates HSCs through Smads, whether TGF-β
inhibits proliferation of HSCs by p21/p27, and whether the pathway is a control device of HSCs’ fate, et al.
Key words: haemopoietic stem cells; transforming growth factor-β; Smads
造血干细胞(hematopoietic stem cells, HSCs)主
要分布于成年脊椎动物骨髓中，数量少，具有多能
造血功能[1]。HSCs具有自我更新(self-renewal)和分
化 (differentiation) 能力，通过自我更新作用可以维
持HSCs 自身数量和遗传性状的稳定，通过分化作
用可以生成造血祖细胞并最终生成各种血液细胞[2]。
处于生态位(niche)中的HSCs受到多种内外部因素的
精确调控，其命运主要包括增殖、分化、凋亡、
休眠、恶化等，掌控HSCs 命运的相关信号传导通
路受到广泛的关注。
转化生长因子 TG F - β 超家族包括 TG F - βs、
Activins和骨生成蛋白(bone morphogenetic proteins,
BMPs)，对HSCs 具有广泛的调节作用，包括细胞
凋亡、增殖、分化等[3]。TG F-β 家族成员能够结
合细胞膜表面的丝氨酸/苏氨酸激酶受体TβR-II并
378 生命科学 第22卷
将其激活，活化的TβR-II激活细胞膜内受体TβR-I，
细胞内的Smad 蛋白家族与活化的TβR-I 结合后激
活。Smad蛋白家族可以分为3群：受体激活型Smads
(R-Smads)、通用配体型Smads(Co-Smads)和抑制型
Smads(I-Smads)。通常TGF-β先活化R-Smad2 和
(或)R-Smad3；R-Smads 磷酸化后与 Co-Smads
(Smads4)接合，生成信号传导复合体后入核调控靶
基因。I-Smads 中的Smad7 是 Smads 家族中主要的
抑制因素，其作用机理是与TβR-I结合阻止R-Smads
的活化，同时TGF-β对 Smad7 起正向调控作用，形
成反馈回路对细胞功能进行调控(图1)[4]。
造血组织中，TGF-β/Smad 通路被认为对维持
HSCs的相对静止性起到重要作用[5]，在造血系统受
到损伤时，TGF-β/Smad 通路的过度活化可以抑制
HSCs 的活性，从而抑制 HSCs 的增殖，影响其分
化[6]。研究TGF-β/Smad 通路对造血干细胞的调控
作用，可以明确以上作用的机理，为在应激条件下
预防和治疗造血系统损伤和防止血液病的发生提供
新的靶点。
1　TGF-β/Smad 通路对HSCs 调控作用的机制
1.1　影响HSCs的增殖能力
在胚胎形成、血管生成和肌形成中，TGF-β都
起到抑制细胞增殖的作用[3]。通常认为HSCs的一个
显著特征就是其相对的休止性，大量的体外细胞培
养实验证明体内TGF-β是使HSCs处于休止期的重要
因子[5]。体外对鼠和人细胞研究表明，TGF-β可以
直接抑制HSCs 的增殖和分化，抑制作用随TGF-β
聚集度增高而强化[7]。为了证明这一观点，有学者
在体外实验中将TGF-β失活，发现HSCs 和造血祖
细胞可以脱离休止期[6]。很多分子机制被认为与该
抑制作用有关，其中包括细胞因子受体的改变，细
胞周期依赖激酶抑制因子表达的上调[5]和骨髓细胞表
面细胞因子的持续下调等因素。在应激条件下，高
表达的 TGF-β 可以降低 CDK4 的表达，以及降低
D-CdK4和cyclin E-CdK2复合体的活性，将细胞周
期阻断于G1/S 检查点[3]，使细胞无法从G1 期进入S
期而无法增殖，并最终停滞于G0 期。Taiju 等[8]认
为 TGF-β是通过诱导HSCs凋亡而产生抑制作用的。
1.2　对p21/p27的影响
p21可以与cyclin D、CDK4和增殖细胞核抗原
(proliferating cell nuclear antigen, PCNA)组成四聚体，
是p53 介导的细胞周期抑制因子，在HSCs 中对细
胞周期起抑制作用。Ducos 等[9]将 TGF-β阻断抗体
应用到 HSCs，发现随着 TGF -β 的阻断，p21 的
m R N A 水平显著降低，细胞的增殖能力大幅度提
图1 TGF-β/Smad信号通路示意图
379第4期 张　恒，等：TGF-β /Smad 通路对造血干细胞的调控作用
高；当使用外源 TGF-β干预 HSCs 后 p21 的 mRNA
水平提高，细胞的增殖能力下降。过表达Smad3 和
Smad4[10]，可以增强TGF-β对p21 的诱导作用，而
通过基因突变失活Smad3/4 的作用可以阻断TGF-β
对p21的诱导；用Smad7 过表达阻断TGF-β/Smads
通路，p21 的表达水平降低且与Smad4 蛋白入核水
平下降相关。以上研究表明，TGF-β/Smad 通路的
活化可以通过上调p21的表达抑制HSCs的增殖，同
时明确了TGF-β是通过Smads 蛋白的活化影响p21
表达水平的。
p27的羧基端与p21不同，它与cyclin-CDK具
有广泛交互作用，不受p53的调节，是分布最为广
泛的cdk抑制因子，在增殖和分化的细胞中有广泛
表达。过表达p27可以终止细胞周期[11]，p27能够
插入cdk2催化位点形成cyclin-cdk2-p27复合物，从
而阻断ATP 的结合，而TGF-β可以通过降低cdk2
的表达而减少cdk2-p27复合体的形成并减少cdk2和
cyclin E的结合。TGF-β对cyclin E的表达没有直
接影响[12]，但能够促进cyclin E与P27的结合，过
多的cyclin E-P27复合体可以影响cyclin E-cdk2复
合体的稳定性。通过以上机制， TGF-β可以通过改
变p27 的分布对细胞增殖进行调控。
1.3　对CD34蛋白的调控
CD34 蛋白表达于人类骨髓或脐带HSCs的细胞
膜，是HSCs 的重要标志，随着造血干细胞的成熟
其表达逐渐消失，其确切功能还未完全得知，仅有
少量研究认为CD34 高表达可以阻止HSCs 的分化。
Pierelli等[13]对CD34+Lin-细胞进行了半定量研究，在
mRNA 水平和蛋白水平，TGF-β 均可以促进 CD34
蛋白的表达且与细胞生长无关，TGF-β还能通过上
调CD34表达维持CD34+/Lin-细胞的未分化状态，这
一效应与TGF-β对细胞周期的影响无关。研究还表
明，以上作用伴随着Smad-2/3蛋白的活化及P38磷
酸化作用的阻断，利用SB202190 阻断P38 磷酸化
后发现 CD34 的 mRNA 水平增高，但 CD34 蛋白的
表达量未增加。可见 TGF-β/ S m a d s 通路是上调
CD34 表达核心因素，这一作用与HSCs 保持未分化
状态相关，TGF-β/Smads 通路功能的异常可以影响
HSCs 的正常分化。为验证该结论，该实验室还用
TF-1和 DG1a细胞系进一步研究[14]，得出了完全相
同的结论，同时发现在比CD34+/Lin- 成熟的CD34-
细胞系HL-60 和 K-562 中，TGF-β不能上调CD34
蛋白的表达。
2　对 HSCs 中 TGF-β/Smad 通路的深入研究
2.1　TGF-β
多数研究认为TGF-β/Smads 通路对HSCs 的影
响是呈剂量效应的[ 7 ]，但也有不同的研究结论。
Fuchs[15]的研究表明，随 TGF-β 聚集度不同以及
HS C s 所处微环境不同，TG F - β 可以促进或抑制
HSCs的增殖、分化、凋亡。Kale和 Vaidya[16]利用
由ATCC(american type culture colletion)提供的与HSCs
高度相似的KG1a 细胞系，对TGF-β/Smads 通路及
其相关的MAPK 相关通路进行了系统研究。结果表
明，TGF-β 高聚集度时可以促使 Smad3 蛋白磷酸
化，通过Smad3-TAB2-TAK1 通路激活P38 通路，
最终激活与细胞抑制相关的ATF-2(activation tran-
scription factor 2)和c-Jun；在TGF-β低聚集度时，
其作用则与Smad3 无关，是通过直接激活p44/42
MAPK通路而上调STAT(signal transducers and acti-
vators of transcription)蛋白-3/5/6表达，最终达到增
殖效应。
通常认为TGF-β通过影响p21、p27 能够抑制
HSCs 的增殖；但Cheng 等[17]对 32D(Cell-cycle-
synchronized)细胞株进行研究后发现TGF-β对细胞
起到抗增殖作用时， p21和p27的mRNA水平和p21
的蛋白水平没有改变。他们构建了p21 缺陷小鼠和
p27缺陷小鼠，将缺陷小鼠(p21p27-/-)和野生小鼠
(p21p27+/+)进行同窝对照研究。CAFC实验结果为10
ng/ml 的 TGF-β1 在两种基因型的HSCs 均可以抑制
细胞增殖，结果没有显著差异，证实了TGF-β1 对
HSCs 的抗增殖作用不是通过调控p21和 p27。还有
研究认为TGF-β对HSCs 的影响与细胞周期没有直
接关系，是通过调控抗凋亡基因Bcl-2 实现或调控
分化转录因子GATA-1 和 PU1 实现的[18]。
2.2　TβRI
为了在体内实验中阻断TGF-β/Smads通路用来
研究其功能，Larsson 等[19]对传统基因敲除技术进
行了改进，成功构建了条件 TβRI 缺陷小鼠。研究
表明，阻断TGF-β/Smads 通路后并未对HSCs 细胞
的增殖能力产生影响；将TβRI 缺陷小鼠的HSCs移
植到其他小鼠后，实验结果与上相同。Larsson等[20]
还对TβRI缺如小鼠使用细胞周期特异的细胞毒性药
物5-Fu 干预并进行系列骨髓移植实验，发现TβRI
缺如小鼠和对照组对5-Fu 的敏感性相同，且发现
TβRI缺如的小鼠在应激状态下对维持干细胞库无作
用，表明体内环境中 TGF-β/ S m a d s 通路对维持
380 生命科学 第22卷
HSC s 静止状态无关，与体外实验结果相反。
2.3　Smad4
一般认为，Smads 是 TGF-β最重要的下行传导
通路，但有研究指出，Smad 通路远较原先研究的
复杂[21]。为了在Smad4 环节阻断TGF-β/Smads 信
号传导通路，有学者构建了Smad4 基因敲除小鼠模
型，并将Smad4 基因缺陷HSCs 进行异体移植，原
代和次代受体内的Smad4 缺陷HSCs 在体内的增殖
能力均显著降低，充分证明Smad4 对体内HSCs 的
自我更新能力起重要作用[22]。因为过表达Smad7和
敲除Smad4 对 HSCs 应该起到相同的作用，所以上
述实验可以认为Smad4 对 HSCs 的增殖起正向调控
作用，这一研究结果与原先认定的TGF-β/Smads 信
号传导通路的功能相矛盾。Smad4 对 HSCs 的调控
作用似乎独立于TGF-β/Smads 通路发生的，其确切
的分子机理还不得而知，也许是Smad4 与其他的信
号传导通路发生了交互作用，比如Wnt 和 Notch。
2.4　Smad7
Smad7 是 TGF-β/Smad 信号传导通路的主要抑
制因素，通常其表达上调可以通过阻断TGF-β/Smad
通路促进HSC 的自我更新，可以通过对R-Smad 和
MAPK 的作用影响红系和巨系细胞的分化。Blank
等[23]利用逆转录病毒基因转染技术使体外培养的小
鼠HSCs 中的Smad7 过表达，Smad 通路被完全阻断
后，HSCs 的自我更新能力大幅度提高并与 Smad4
的作用相关，通过对骨髓中淋巴系和骨髓系细胞进
一步研究发现Smad 通路与HSCs 的分化作用无关。
与此结论相反，Chadwick等[24]利用逆转录病毒基因
转染技术将 Smad7 基因导入人脐带血细胞获高表
达，植入联合免疫缺陷病(severe combined immu-
nodeficient disease, SCID)模型小鼠骨髓中，发现再
植入的细胞过表达Smad7 后造血系统由B 淋巴细胞
主导变为髓样细胞主导，也就是说TGF-β/Smads 通
路对 HSCs 的分化起到了重要作用。
3　总结
综上所述，TGF-β/Smad 通路对HSCs 调控的
研究逐渐成为热点，体外实验的技术手段已经比较
成熟，对 HSCs 具有周期阻断和抑制增殖的作用，
但体内实验中一些结论与体外实验存在较大差异，
原因主要在于：(1)TGF-β/Smad 通路与其他信号传
导通路存在广泛的交互作用，包括 MAPKs 相关通
路、Wnt、Notch、p53 等，TGF-β超家族的各成
员间也存在交互作用，目前的研究难以考虑所有的
交互因素；(2)HSCs 在体内所处的环境较为复杂，
TGF-β能够调控基质细胞分泌的细胞因子IL-1β1、
肿瘤坏死因子 TNF-α和 SCF，而这些因子也能对
HSCs 进行间接的调控，这使体外实验很难模拟体
内环境；(3)体外实验中，HSCs 的筛选、长期培养
和指标检测是公认的难题，因其研究周期长、成本
高很难在普通研究机构有效开展。
在今后的研究中，需要进一步改进体内和体外
实验的方法，进一步阐明在各种应激条件下TGF-β/
Smad 通路对HSCs的调控作用，阐明其调节作用的
关键环节和主要交互影响因素。该领域的深入研
究，预期将为临床上预防和治疗HSCs 功能异常的
疾病提供新的靶点。
[参　考　文　献]
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