肝脏作为人体的重要器官,具有合成、解毒、代谢、分泌、生物转化以及免疫防御等功能。当肝脏受到各种因素(如病毒、酒精、药物等)作用引起严重损害后,会造成肝细胞大量坏死,导致上述功能发生严重障碍而出现肝衰竭(liverfailure),其原因在亚洲国家以病毒(尤其是HBV)感染多见,而在欧美国家则以药物和毒性物质中毒为主。肝衰竭的形成机制有细胞代谢紊乱学说、免疫反应学说、内毒素二次打击学说、微循环障碍学说等等,部分解释了肝功能衰竭的发病机理,但无论是哪一种学说,在肝衰竭的治疗过程中,如何促进肝细胞再生是挽救肝功能的关键。肝细胞生长因子(hepatocytegrowthfactor,HGF)为一种小分子多肽物质,具有促进肝细胞再生和抑制肝细胞凋亡的功能,作用机制是通过与其受体c-Met形成信号通路,影响着肝细胞再生的微环境(microenvironment)形成。肝细胞受损时,HGF的合成和分泌会增加,血清HGF的升高,可作为肝脏受损的检测指标之一。肝再生(liverre-generation,LR)是一个受精密调控、非常复杂的多重细胞进程,部分肝切除(partialhepatectomy,PH)或肝损伤后,肝细胞数量急剧减少,各种反馈信号刺激处于G0期的肝细胞进行增殖,残肝细胞通过细胞增殖由基本不生长状态转变为快速生长状态,以补偿丢失、损伤的肝组织和恢复肝脏的生理功能。但肝再生并非是切除的肝脏重新生出,而是由剩余的肝叶代偿性的增大直至恢复原有肝的质量和体积,恢复后肝细胞的再生根据肝脏的重量与个体体重比例来决定再生是否停止。因此肝再生被分为启动、增殖和终止三阶段,各个阶段参与调控的细胞因子均不同,其再生的启动是由于肝损伤后肝微环境发生了改变,启动了再生的分子调控机制和多条信号通路,包括HGF与其受体c-Met形成的信号HGF/c-Met,参与调控对死亡受损细胞的清除和对损伤较轻细胞的修复以及通过存活细胞的增殖来实现肝的再生。因此,促进肝再生的细胞内、外信号的研究,对于如何将已损害的肝微环境转变成有利于其再生的微环境,从而能够促进肝再生,减少对肝移植的需求来挽救更多的功能严重受损和衰竭的肝脏,是目前肝再生的研究趋势和热点。
1、HGF及受体c-Met的分子结构和生物学特性
1.1HGF的结构和生物学特性
HGF由位于人类第7号染色体长臂(7q21.1)的hgf基因编码,其结构实质是含728个氨基酸的肝素结合糖蛋白。
HGF包含了6个结构域:氨基末端结构域、4个Kringle结构(扣环结构)域、类丝氨酸蛋白酶结构域(SPH)。HGF在体内以单链前体被合成,在蛋白水解酶作用下水解成有活性的双链分子,成熟的HGF(活性形式)在非还原状态下由30kD的α链和60kD的β链经一对二硫键连接而成的异二聚体,具有活化c-Met的功能。其中,4个Kringle结构域与纤溶酶原结构相似;而类丝氨酸蛋白酶结构域(SPH)与扩散因子(ScatterFactor,SF)有同源性,由同一基因编码,这种结构的特异性可能与HGF的促细胞运动作用有关。
HGF最早是1984年由Nakamura等人发现从肝脏70%切除后的小鼠模型血浆中提取出来的一种能促进肝细胞DNA合成与增殖的细胞因子,因其能刺激原代培养中肝细胞的生长和合成,故将其命名为HGF。多种器官组织如肝、肺、肾等都可以产生HGF,但主要由间质细胞产生。在肝内,HGF可由Kupffer细胞、血窦内皮细胞和肝星状细胞产生,而肝实质细胞不产生HGF。HGF能刺激肝细胞的DNA合成,且在肝再生过程中起重要作用,它是目前已知的最强的肝再生促进剂(Promoterofliverregeneration),具有促进细胞增殖和细胞保护作用。
1.2c-Met受体的结构和生物学特性
c-Met位于人类7号染色体长臂(7q31)。c-Met胞外域具有1个SEMA域和1个花柄样结构,前者由β螺旋组成,后者由4个Ig区构成,二者被一个小的富含胱氨酸的区域(CR)分离。此外,c-Met还有一个富含半胱氨酸的模体(motif)和1个羧基末端的序列构成,称为c-Met相关序列(MRS),组成了该传导信号的下游。
c-Met受体是其编码的跨膜蛋白,由50kD的α链和145kD的β链经二硫键相连形成的异二聚体蛋白,α链位于细胞外,β链跨膜存在,并有酪氨酸激酶位点,属Ⅱ型酪氨酸激酸酶受体,通过酪氨酸磷酸化诱发信息传导。1984年,Cooper等在研究人骨肉瘤Hos细胞系时,克隆出了一个具有转化活性的片段,定名为c-Met。1987年,Park等报道了c-Met的cDNA序列,并确定c-Met属于酪氨酸激酶家族。1991年,Bottaro等研究证实了HGF和c-Met的关系:受体c-Met为HGF特异性膜表面受体,介导HGF所有的生物学作用,具有酪氨酸激酶活性,参与细胞信息传导、细胞骨架重排的调控,是细胞增殖、分化、形态发生和侵袭运动的重要因素。Huh等通过敲除c-Met基因小鼠研究发现,c-Met基因在肝脏缺失会严重影响肝细胞的存活和肝组织的修复。
2、HGF及受体c-Met信号通路在肝再生中的作用机制
作为肝再生重要的信号调控,HGF的生物学作用不是直接发挥的,而是通过原癌基因c-Met编码的跨膜酪氨酸激酶受体的磷酸化实现的。HGF与c-Met受体结合引起c-Met胞质内酪氨酸残基的自身磷酸化,酪氨酸残基(Tyr1234,Tyr235)的磷酸化激活了c-Met胞质内蛋白激酶结构域中酪氨酸激酶(PTK),激活的PTK可引起c-Met羧基末端Tyr349和Tyr356的自身磷酸化,随后,使胞浆信使蛋白质磷酸化,从而启动包括Ras/MAPK和PI32K/PKB在内的多条信号传导通路的激活,将增殖信号传至细胞核内,通过调节特定基因的表达而促进肝细胞的再生。
c-Met信号途径的激活诱导大量肝细胞出现有丝分裂、形态学改变和抗凋亡活性,从而在肝脏再生中发挥重要作用。其次,HGF通过与其受体c-Met的结合后引起酪氨酸磷酸化来提高肝细胞内游离钙离子浓度,进而影响肝细胞游走、生长及表型变化,促进肝细胞的生长。
D'ErricotA等研究认为,肝细胞再生取决于肝细胞表面细胞膜上c-Met的激活,而不是单纯HGF分泌的增加。研究发现,HGF及其受体c-Met在肝衰竭和肝大部切除两种动物模型肝组织中存在着表达差异。肝大部切除大鼠模型血清中HGF水平和肝细胞表面c-Met表达都升高,而肝衰竭大鼠模型仅有血清HGF水平的升高,其肝细胞c-Met表达无显著性变化,表明肝细胞再生需要c-Met的激活。HGF分泌或c-Met蛋白表达的减少都不利于肝细胞的再生,肝衰竭患者体内HGF水平持续升高,而残存肝细胞c-Met蛋白表达的“失代偿”为肝细胞再生障碍的主要原因之一。
3、HGF及受体c-Met信号在肝再生中的调控机制及作用
HGF是一种具有多重功能的细胞生长因子,与其受体c-Met结合后可激发多种生物学反应,从而调节肝细胞的增殖、分化、形态发生和侵袭运动等。目前已经证实,HGF在肝再生中的调控作用包括:启动肝再生。肝再生是一个相当复杂的过程,大量的细胞因子参与了肝再生的调节,许多研究结果证明,HGF/c-Met信号参与了肝再生的启动并在肝细胞增殖过程中起重要调控作用;促进肝细胞分裂。在对HGF生物活性测定的观察中发现,HGF对肝细胞DNA的合成具有刺激作用,HGF在原代肝细胞无血清培养中可刺激肝细胞DNA合成,从而促进肝细胞分裂。
HGF通过门静脉注射,可在体内刺激肝细胞DNA合成;促肝细胞运动作用。HGF与SF结构具有同源性,因此,HGF具有类似SF的“扩散”功能。研究发现,在一些上皮细胞和内皮细胞培养体系中加入不同浓度的HGF均可促进细胞扩散和迁移。一般而言,HGF对一种细胞若有促分裂作用则无促运动作用,但肝细胞例外,HGF既可促进肝细胞分裂又可促进肝细胞运动。HGF的这种不同作用可能是通过不同受体而实现的,这方面的资料还有待进一步探索研究。
4、HGF与受体c-Met信号调控肝再生作用的临床应用
4.1部分肝切除(partialhepatectomy,PH)术后
PH仍是目前治疗肝癌的有效方法之一。因残余肝组织的功能和生理活性明显降低,术后患者往往较难恢复,因此如何促进肝组织再生对肝癌切除后的临床治疗有较高价值。HGF是一种有效的肝细胞有丝分裂原(Livercellmitogen),已成为当今PH术后肝组织再生和功能恢复研究的热点。
PH能有效诱导残余肝组织HGF基因表达和细胞源性HGF含量增加,其作用膜受体c-Met(靶位)的激活参与HGF诱导的肝再生调控,介导细胞内下游信号级联反应(Intracellularsignalingcascade),启动残余肝组织DNA合成和再生调控,从而促进PH术后肝再生。
4.2肝移植
活体肝移植的临床应用及技术上的日趋成熟在一定程度上缓解了供肝匮乏的矛盾。但是临床资料表明,成人间活体肝移植的生存率远低于儿童。供肝与受体比例的不匹配,是导致成人间活体肝移植后移植肝功能损害的关键原因。研究发现,建立大鼠小体积肝移植模型,输注表达人肝细胞生长因子(humanhepatocytegrowthfactor,hHGF)的骨髓间充质干细胞(mesenchymalstemcells,MSCs),HGF/MSCs在移植早期对小移植肝具有促再生作用,其促肝再生作用包括:改善小体积肝移植大鼠的肝功能,促进小体积肝移植肝再生;改善肝功能经由产生hHGF和上调其受体c-Met途径;促进肝细胞的增殖,抑制其凋亡,从而提高小体积肝移植大鼠的生存率。
4.3肝硬化(livercirrhosis)等各种慢性肝病
肝硬化是临床上常见的慢性进行性肝病,由一种或多种病因长期或反复作用形成的弥漫性肝损害。在我国大多数肝硬化患者为肝炎后肝硬化,少部分为酒精性肝硬化和血吸虫性肝硬化。肝纤维化是多种慢性肝病发展至肝硬化的共同病理基础,在药物、病毒、酒精、自身免疫等各种致病因素作用下所致的持续或反复的肝实质炎症、坏死,同时引起间质细胞及细胞间质增多,尤其是细胞外基质蛋白合成增加,而其降解活性相对或绝对不足,导致肝纤维结缔组织大量增生,形成肝纤维化(Liverfibro-sis)。肝纤维化是可逆性病变,但一旦发展到肝硬化阶段,将是一个不可逆过程,目前临床上缺乏有效的临床治疗药物。研究已经证明,HGF可以促进肝细胞增殖,抑制肝纤维化的形成。目前对肝纤维化的研究已从细胞水平进入到了分子水平。研究结果证实,肝损伤发生后,肝脏间质细胞分泌HGF并激活原癌基因c-Met的表达,通过增加HGF/c-Met系统的表达水平,可以拮抗肝纤维化、诱导新生血管形成、促进肝组织细胞的再生。因此,肝硬化时血清中HGF/c-Met的水平明显高于正常水平。外源性的给予重组的HGF或促进HGF的基因表达可以促进肝硬化肝功能恢复,同时HGF还可改善肝硬化的血小板减少,因此HGF是治疗肝硬化具有较好应用前景的重要细胞因子。
5、展望
HGF/c-Met信号传导通路广泛存在于各种细胞中,HGF在促进肝细胞再生的同时还参与正常组织的损伤后修复、细胞的运动以及肿瘤的形成、浸润和转移、分化及肿瘤血管形成中都发挥重要的作用。因HGF能促进新生血管形成,其对创伤愈合等与血管生成的其他疾病也存在着很好的治疗作用。近年来的实验研究已经发现,HGF除了用于肝脏疾病治疗外,还可应用于肾、肺、心血管、中枢神经系统、消化系统等方面的疾病治疗。总之,HGF是一个对多种系统器官疾病进行细胞生物学治疗有着很大潜能的细胞因子,但在这方面的研究深度和广度还有待进一步深入,尤其是HGF的分子调控机制可能存在着通过与不同受体结合而存在有不同的通路,目前仍然不清楚。随着对HGF/c-Met信号研究的进一步深入,HGF在临床治疗的应用将会越来越广。
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