美国明尼苏达大学研究人员领导的一个研究小组提出一种机制。该机制控制胚胎干细胞是继续增殖并保持干细胞状态还是分化为诸如脑细胞、肝细胞或皮肤细胞之类的成体细胞。
这项研究影响两个领域。在癌症治疗方面，人们应当抑制细胞增殖。但如果培养成体干细胞是为了移植到受伤或患病的人们身上，人们应当维持细胞增殖直到产生足够的细胞数量以便制造有用的器官或组织。
这一研究也让研究人员掌握如何可能控制这两个相互竞争的过程。该研究是在位于明尼苏达州奥斯汀市的明尼苏达大学霍梅尔研究所(Hormel Institute)完成的，研究对象为小鼠干细胞。2012年2月5日，霍梅尔研究所常务主任Zigang Dong和副主任Ann M. Bode领导的研究小组在《自然-结构与分子生物学》期刊上在线发表了他们的研究成果。
Dong说，“这是一项突破性研究，为开发再生性药物提供分子基础。这项研究将有助于开发下一代药物以便在诸如癌症、衰老、心脏病和糖尿病或者创伤性损伤导致的瘫痪之类的因素导致损伤发生后修复和再生身体受损部位。”
这种机制的核心在于一种称作Klf4的蛋白。Klf4是在胚胎干细胞中发现的，它的作用包括维持这些胚胎干细胞分裂和增殖同时阻止它们分化。这就是说Klf4维持这些干细胞的性质，这种过程被称作自我更新。研究人员发现两种导致Klf4失活的酶ERK1和ERK2，而Klf4失活就允许这些干细胞分化为成体细胞。
这两种酶是信号“水桶传递队(bucket brigade)”的一部分。当化学信使从胚胎干细胞外面到达时，这种信号队列便开始产生。化学信息被传送到细胞内部，与其他因素一起导致这两种酶迅速发挥作用。
研究人员也发现这两种酶如何控制Klf4。它们附着一个磷酸基团到Klf4上。这种“标签”给它打上摧毁的标记，这样它将被循环利用蛋白的细胞装置(cellular machinery)降解。
再者，他们发现抑制这两种酶的活性就允许这些干细胞维持自我更新并阻止分化。归纳在一起，他们的发现描绘出一种情景：ERK1和ERK2在决定胚胎干细胞命运方面发挥着关键性作用，而且它们潜在性地在癌细胞上也发挥着重要作用，因为癌细胞快速生长类似于胚胎干细胞的行为。
Klf4是用来将成体皮肤细胞重编程为诱导性多功能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPSCs)的几种因子之一。此外，很多研究已证实Klf4激活或抑制基因发挥功能，而且在某些情形下它能够作为一种癌基因(促进癌症产生)或者肿瘤抑制基因。鉴于这些发现和他们自己在这项研究中的发现，霍梅尔研究所研究人员认为癌细胞的自我更新程序可能类似于胚胎干细胞。
Bode说，“尽管Klf4在癌症上所起的功能充满争议，但是几项研究报道提示着Klf4参与人类癌症发生。” (生物谷：towersimper编译)
doi:10.1038/nsmb.2217
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PMID:
ERK1 and ERK2 regulate embryonic stem cell self-renewal through phosphorylation of Klf4
Myoung Ok Kim, Sung-Hyun Kim, Yong-Yeon Cho, Janos Nadas, Chul-Ho Jeong, Ke Yao, Dong Joon Kim, Dong-Hoon Yu, Young-Sam Keum, Kun-Yeong Lee, Zunnan Huang, Ann M Bode & Zigang Dong
Understanding and controlling the mechanism by which stem cells balance self-renewal versus differentiation is of great importance for stem cell therapeutics. Klf4 promotes the self-renewal of embryonic stem cells, but the precise mechanism regulating this role of Klf4 is unclear. We found that ERK1 or ERK2 binds the activation domain of Klf4 and directly phosphorylates Klf4 at Ser123. This phosphorylation suppresses Klf4 activity, inducing embryonic stem cell differentiation. Conversely, inhibition of Klf4 phosphorylation enhances Klf4 activity and suppresses embryonic stem cell differentiation. Notably, phosphorylation of Klf4 by ERKs causes recruitment and binding of the F-box proteins βTrCP1 or βTrCP2 (components of an ubiquitin E3 ligase) to the Klf4 N-terminal domain, which results in Klf4 ubiquitination and degradation. Overall, our data provide a molecular basis for the role of ERK1 and ERK2 in regulating Klf4-mediated mouse embryonic stem cell self-renewal.
