走在最前沿中国科学家突破干细胞分化观点

　　来自中科院健康科学研究所，上海交通大学瑞金医院等处的研究人员发现一种以往认为是促凋亡因子的细胞因子能在胚胎干细胞早期分化过程中发挥着抗凋亡作用，这揭示了胚胎干细胞分化过程中的凋亡活动与胚层分化命运决定之间的关联和其调控新机制。这一研究成果公布在《Cell Death and Differentiation》杂志上。

　　领导这一研究的是杨黄恬研究员，其早年毕业于南通医学院，之后获得日本山形大学医学部博士学位，研究方向包括利用基因的突变并结合药理学研究策略，探讨了胚胎干细胞向心肌细胞和神经细胞分化及成体干细胞向心肌细胞分化的调控因素和基因及胚胎干细胞移植对心肌梗塞的治疗作用和可能的机制等。

　　胚胎干细胞(embryonic stem cells, ESCs)自我更新和分化命运的决定受胞内外信号分子共同精细地调控。钙信号对细胞的多种生理活动，例如细胞的增殖、凋亡和分化都具有重要的调控作用。内质网三磷酸肌醇受体(IP3R)是胞内重要的钙离子释放受体，在ESCs中存在着三种IP3R亚型，但它们在胚胎干细胞中的作用并不清楚。

　　三磷酸肌醇受体(IP3R)是一种重要的细胞因子，除了在兴奋收缩耦联中起关键作用外，还参与了神经释放与突触效能改善、细胞周期调控与细胞间通讯、激素分泌、基因表达等活动。钙信号失常也会导致一系列病理过程。 以往认为IP3R3介导的钙信号是一种促凋亡因子，在这篇文章中，研究人员证明在胚胎干细胞早期分化过程中IP3R3介导的钙信号发挥着抗凋亡作用，IP3R3通过控制早期胚层细胞的凋亡在胚胎干细胞的中胚层和部分内胚层分化命运的决定中发挥着重要的调控作用。

　　这一研究发现丰富了对IP3R调控的钙信号参与胚胎干细胞分化命运决定的认识，揭示了胚胎干细胞分化过程中的凋亡活动与胚层分化命运决定之间的关联和其调控新机制。

　　杨黄恬研究组不仅在干细胞关键细胞因子方面获得了一些成果，而且在其它细胞因子的研究方面也屡获突破，其研究组曾证明了α1肾上腺素受体激动剂phenylephrine可通过兴奋α1B-AR引起蛋白激酶C(PKC)e转位和线粒体ATP敏感钾通道开放，从而抑制缺血再灌引起的线粒体钙超载，进而减轻胞浆钙超载以及线粒体细胞色素C的释放和ATP含量的减低，从而改善细胞钙瞬变和细胞收缩。

　　这项研究表明线粒体钙超载在缺血再灌注引起的心功能损伤中可能起着重要作用，而维持线粒体功能及其结构的完整性在缺血后心功能恢复中起着决定性作用, 提示了保护线粒体及抗线粒体钙超载的靶点在开发有效对抗心肌血损伤药物中的重要价值。

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　　原文检索：

　　Type 3 inositol 1,4,5-trisphosphate receptor negatively regulates apoptosis during mouse embryonic stem cell differentiation

　　Ca2+ signals generated by inositol 1,4,5-trisphosphate receptors (IP3Rs) are crucial for cellular processes such as apoptosis and differentiation. However, the exact roles of IP3Rs and their contributions to Ca2+ signals in pluripotent embryonic stem (ES) cell behaviors remain largely unknown. In this study, we showed that the expression of type 3 IP3R (IP3R3) was transiently downregulated with a concomitant increase in apoptosis at the early differentiation stage of murine ES cells. Knockdown of IP3R3 by small interfering RNA increased apoptosis in differentiating cells but not in undifferentiated ES cells. Moreover, IP3R3 overexpression had the opposite effect. Consistently, IP3R3 knockdown altered Ca2+ oscillations in differentiating cells but not in undifferentiated ES cells. The apoptosis in differentiating IP3R3-knockdown cells was decreased by chelating intracellular Ca2+ with BAPTA-AM and increased in control ones. Furthermore, IP3R3 knockdown led to a suppression of the expression of mesodermal and mesoendodermal but not ectodermal markers. The differentiation suppressions were further confirmed by the impaired differentiation of mesodermal and some of the endodermal but not ectodermal derivatives. Such defects were partially because of the increased apoptosis in Flk-1+ cells. These findings provide the first demonstration of the important role of IP3R3 in the regulation of apoptosis in early differentiating ES cells and subsequent lineage commitments through modulation of Ca2+ signals.

 

　　作者简介：

 

　　杨黄恬 研究员 研究组长 htyang@sibs.ac.cn

　　学习经历

　　1978-1982 南通医学院 医学学士

　　1985-1988 苏州医学院 医学硕士

　　1992-1994 日本山形大学医学部 医学博士

　　工作简历

　　1982-1985 南通医学院 药理教研室助教

　　1989-1992 南通医学院 药理教研室讲师

　　1992-1997 日本山形大学医学部药理教研室客座研究员、助手

　　1997-2001 美国国立卫生研究院/老年研究所(NIH/NIA)心血管研究室/分子心脏学室访问学者

　　2000-至今 中科院上海生命科学院/上海交通大学医学院 健康科学研究所研究员、课题组组长

　　2003-2004 中科院上海生命科学院/上海交通大学医学院 健康科学研究所所长助理

　　2005-至今 中科院上海生命科学院/上海交通大学医学院 健康科学研究所副所长

　　荣誊(证书、称号、会员)

　　1990 中华医学会心血管病学会会员

　　1992-1993 日本世川医学奖学金

　　1993-1995 日本Weihala奖学金

　　1993 日本药理学会会员

　　2000 中国科学院“百人计划”

　　2000 中华医学会高原医学分会委员会委员

　　2001 NIH 研究者优秀研究奖

　　2001 国际心脏研究学会中国分会会员

　　2001 上海生理学会理事

　　2003 中国生理学会理事

　　2003 中国细胞生物学学会会员

　　2004 国际心脏研究学会中国分会执委会委员

　　2004 中国病理生理学会心血管专业委员会执委会委员

　　2004 上海市科教系统“三八红旗手”

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　　主要成果

　　证明了心肌存在着不同密度和亲和力的a1肾上腺素受体亚型和内皮素受体亚型，揭示了其耦联的IP3信号通路调控心肌收缩力的分子机制;

　　建立了Ca2+ 释放通道ryanodine受体2基因剔除小鼠模型和胚胎干细胞系， 向心肌细胞和神经元体外分化、及成体干细胞体外分化的体系和分析手段，从基因水平直接证明了心肌ryanodine受体参与了心肌细胞搏动频率的调控，提示了该受体在心律失常和心脏卒死中的重要性。

　　研究组建立了研究胚胎和成体干细胞、尤其是胚胎干细胞向心肌细胞及神经细胞分化的一系列平台;揭示了由胚胎干细胞分化的不同发育期心肌细胞的基因表达和功能特征;利用心肌ryanodine受体剔除的胚胎干细胞，证明了肌浆网在胚胎干细胞早期分化的心肌细胞对Ca2+信号和收缩功能的关键调控作用，为移植胚胎干细胞分化的心肌细胞治疗心肌梗塞的可能性提供了实验依据;利用基因的突变并结合药理学研究策略，探讨了胚胎干细胞向心肌细胞和神经细胞分化及成体干细胞向心肌细胞分化的调控因素和基因及胚胎干细胞移植对心肌梗塞的治疗作用和可能的机制。

　　在发现间歇性低氧可有效对抗致死性Ca2+超载导致的心肌损伤的基础上，结合分子生物学、细胞生物学、基因工程、生化、生理、药理学研究手段及基因芯片和蛋白质组学分析方法，对其抗心肌缺血的保护作用机制和调控在提出了新发现，揭示了转录因子、应激蛋白的新功能和肌浆网Ca2+调控蛋白及Ca2+调蛋白激酶的保护作用。这些发现不仅对深入认识低氧适应的内在的细胞分子基础和对应激的防御体系有重要的科学价值， 也为探讨防治缺血性心肌损伤的新靶点和治疗方式提供了实验依据。

　　主要论文

　　Gao H, Chen L, Yang HT. Activation of alpha(1B)-adrenoceptors alleviates ischemia/reperfusion injury by limitation of mitochondrial Ca(2+) overload in cardiomyocytes. Cardiovasc Res. 2007 Apr 21; [Epub ahead of print]

　　Li J, Zhang H, Zhu WZ, Yu Z, Guo A, Yang HT, Zhou ZN. Preservation of the pHi during ischemia via PKC by intermittent hypoxia. Biochem Biophys Res Commun 2007 May 4;356(2):329-33.

　　Yang WW, Wang ZH, Zhu Y, Yang HT. E2F6 negatively regulates ultraviolet-induced apoptosis via modulation of BRCA1. Cell Death Differ. 14, 807–817, 2007

　　Ji-Dong Fu, Jun Li, David Tweedie, Hui-Mei Yu, , Le Chen, Rong Wang, Daniel R. Riordon, Sheryl A. Brugh, Shi-Qiang Wang, Kenneth R. Boheler, Huang-Tian Yang. Crucial role of the sarcoplasmic reticulum in the developmental regulation of Ca2+ transients and contraction in cardiomyocytes derived from embryonic stem cells. FASEB J. 20: 181-183; 2006.

　　Ji-Dong Fu, Hui-Mei Yu, Rong Wang, Ji Liang, Huang-Tian Yang. Developmental Regulation of Calcium Transients during Cardiomyocyte Differentiation of Mouse Embryonic Stem Cells. Acta Pharmacologica Sinica. Special Issue: Calcium Signaling. 27 (7): 901–910, 2006

　　Le Chen, Xi-Yuan Lu, Jun Li, Ji-Dong Fu, Zhao-Nian Zhou, Huang-Tian Yang. Intermittent hypoxia protects cardiomyocytes against I/R-induced alterations in Ca2+ homeostasis and contraction via the SR and Na+/Ca2+ exchange mechanisms. Am J Physiol Cell Physiol. 290(4):C1221-C1229, 2006

　　Fa-Bao Zhang; Li Li; Bo Fang; Ding-Liang Zhu; Huang-Tian Yang; Ping-Jin Gao. Passage-restricted differentiation potential of mesenchymal stem cells into cardiomyocyte-like cells. Biochemical and Biophysical Research Communications 336: 784-792. 2005

　　Yan Xie, Zhu Yi,Wei-Zhong Zhu, Le Chen, Zhao-Nian Zhou, Huang-Tian Yang Contribution of phospholamban phosphorylation to the cardioprotection of intermittent hypoxia in ischemia-reperfused rat heart. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 288(6):H2594-602，2005

　　Yan Xie, Wei-Zhong Zhu, Zhao-Nian Zhou, Zhu Yi, Huang-Tian Yang Intermittent high altitude hypoxia protects the heart against lethal Ca2+ overload injury. Life Science 76:559-572, 2004

　　Huang-Tian Yang , David Tweedie, Su Wang, Antonio Guia, Tatiana Vinogradova, Konstantin Bogdanov, Paul D. Allen, Michael D. Stern, Edward G. Lakatta and Kenneth R. Boheler. The ryanodine receptor modulates the spontaneous beating rate of cardiomyocytes during development. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99: 9225-9230, 2002

　　专著与综述

　　Huang-Tian Yang， Zhao-Nian Zhou， Le Chen:

　　Effects and mechanism of hypoxia on cardiovascular function.

　　In Cardiovascular Physiology: Basic Science and Clinical Relevance. High Education Press，

　　China， 2004