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编号:10499218
造血生长因子与红细胞的生成
http://www.100md.com 《解剖学报》 2000年第2期
     作者:陈思颖 周明华

    单位:陈思颖 周明华(香港大学医学院 解剖学系,香港)

    关键词:

    解剖学报000225 【中图分类号】 Q462 【文献标识码】 A

    【文章编号】 0529-1356(2000)02-191

    HEMOPOIETIC GROWTH FATORS AND ERYTHROPOIESIS

    哺乳动物的血细胞生成是在骨髓腔复杂的造血环境中进行的,其各有形成分是由造血组织的干细胞和祖细胞(progenitor cell)增殖、分化而成的。但成熟的各类血细胞(淋巴细胞除外)只有几小时到几天的寿命。适应这种特性的骨髓造血细胞,以自我更新和增殖的方式每小时生成1010红细胞和108~109白细胞,以保持血液各有形成分的动态平衡。从Medvinsky和Dziezak[1]采用新的器官培养法研究了小鼠胚卵黄囊、前肝期的背主动脉(A)-生殖嵴腺(G)-原/中肾(M)(AGM)区域中胚层和肝的造血活性,提出哺乳动物成年造血干细胞起源于AGM区域的新见解。而且大量的实验证明维持和促进红系造血谱系细胞的存活、增殖和分化也象其他各型血细胞谱系一样是依赖其特异造血生长因子(hematopoietic growth factors,HGFs)与其相应的受体[2](附表)。从80年代以来,许多HGFs基因的分子克隆和重组其产物的成功,有效地推进了造血与HGFs的分子遗传学和分子生物学的综合研究,并且在临床上应用了一些HGFs对某些白血病或贫血病的治疗[3],收到令人鼓舞的效果。我们将主要从HGFs特别是促红细胞生成素(erythropoietin,Epo)对红细胞生成的效应及结合本实验室的研究进行综述。
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    附表 人造血生长因子与其生物学效应

    Table Human hematopoietic growth factors and their biological effects(Sieff CA, Williams DA.1995) 因 子

    factor

    同义词

    synonym

    染色体

    chromosome

    核糖核酸

    RNA kb

    蛋白质
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    protein kD

    生物学的活性

    biological activities

    核心

    core

    糖基化

    glycosylated

    祖细胞

    progenitors

    成熟细胞

    mature cells

    白细胞介素-3
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    IL-3

    多效-集落刺激因子

    multi-CSF

    5q23-31

    1.0

    15.4

    15~30

    全部集落生成细胞

    all CFC

    嗜伊红粒-,嗜碱粒细胞

    eosinophil-,basophil

    中性粒-/巨噬细胞集落刺激因子
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    GM-CSF

    α集落刺激因子

    CSF α

    5q23-31

    0.8

    14.4

    14~34

    全部集落生成细胞

    all CFC

    中性粒-,单核-,嗜伊 红粒细胞

    neutrophil-,monocyte,-eosinophil-

    中性粒细胞集落刺激因子
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    G-CSF

    β集落刺激因子

    CSF β

    17q11.2-21

    1.6

    18.6

    20

    中性粒细胞集落生成单位

    CFU-G

    中性粒细胞

    neutrophil

    单核细胞集落刺激因子
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    M-CSF

    集落刺激因子-1

    CSF-1

    1p13-21

    4.0

    26

    70~90

    35~45二体

    dimer

    单核-/巨噬细胞生成单位

    CFU-M

    单核细胞

, http://www.100md.com     monocyte

    1.6

    16

    40-50

    20~25二体

    dimer

    促红细胞生成素

    Epo

    —

    7q11-22

    1.6

    18.4

    34~39
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    红系细胞爆发生成单位BFU-E

    红系细胞集落生成单位

    CFU-E

    白细胞介素-5

    IL-5

    嗜伊红粒细胞分化因子

    EDF

    B细胞生长因子

    -ⅡBCGF-Ⅱ;

    置换T细胞因子

    TRF

    5q31
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    13.2

    15.0

    46

    嗜伊红粒细胞集落生成单位

    CFU-Eo

    白细胞介素-6

    IL-6

    B细胞激活因子-2

    BSF-2;α2干扰素26kD蛋白质

    IFN-α2 26kD protein

    7p15
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    1.3

    20.8

    26

    与IL-3或SF相协同的对母细胞集落生成起作用

    synergistic with IL-3 or SF on blast CFC

    白细胞介素-1α

    IL-1α,p15

    —

    2q13

    31.0

    17

    诱导生产HGF
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    induces HGF production

    白细胞介素-1β,p17

    IL-1β,p17

    —

    2q13-21

    1.6

    31-0

    17

    白细胞介素-4

    IL-4

    B细胞激活因子-1

    BSF-1
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    5q23.2-31.2

    15

    15~19

    与Epo,G-CSF,M-CSF相协同的对祖细胞起作用

    synergistic with Epo, G-CSF, M-CSF on progenitors

    白细胞素-8

    IL-8

    —

    —

    —

    中性粒细胞趋化性
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    neutrophil chemotaxis

    白细胞介素-9

    IL-9

    —

    —

    —

    16

    20~30

    红系细胞爆发生成单位

    BFU-E

    白细胞介素-10

    IL-10

, http://www.100md.com     小鼠细胞因子合成抑制因子

    mouse cytokine synthesis inhibitory factor

    —

    —

    —

    17~21

    —

    抑制γ-干扰素的合成

    inhibits sythesis of IFN-γ

    白细胞介素-11

    IL-11

, http://www.100md.com     —

    —

    —

    20

    —

    与IL-3或SF相协同对母细胞集落生成起作用

    synergistic with IL-3 or SF on blast CFC

    白细胞介素-12

    IL-12

    —

    —

    —
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    —

    75

    (40+35

    二体 dimer)

    (与SF和IL-3一同)支持干细胞

    supports stem cells(with SF and IL-3)

    诱发γ-干扰素

    induces INF-γ

    白细胞介素-13

    IL-13

    —

, http://www.100md.com     5q23-31

    —

    —

    12

    —

    增加单核-和B细胞CD23及Ⅱ型抗原表达;增加Ig合成

    increases monocyte and B-cell CD23 and class Ⅱ antigen expression; increases Ig synthesis

    Steel因子

    肥大细胞因子

    mast cell GF;
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    干细胞因子

    stem cell factor); c-kitL

    12

    5.4~6.5

    3.5

    20

    —

    与IL-3,GM-CSF,G-C

    SF,Epo,相协同的对母细胞集落生成和祖细胞生成起作用

    synergistic with IL-3, GM-CSF, G-CSF, Epo on blast CFC and progenitors
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    1.造血生长因子调控红细胞的生成

    人外周血液的红细胞总是在生成和死亡的动态中维持在309×109/kg体重数量的水平。新生儿第1d的红细胞与骨髓细胞的比例为1∶1.2,两周龄为1∶4~1∶6,到了健康的成年人为1∶3~3.5。成年红细胞谱系生成的基本过程,也象血液的其他有形成分一样,包括在形态及细胞化学上尚不能识别的多能造血干细胞(pluripotential hemopoietic stem cell, PHSC)及定向或红系造血祖细胞(committed or erythroid progenitor cell)和依据形态特点在显微镜下可以识别的红系成熟中6个阶段的细胞。基于对细胞表面抗原的识别,将人的类似小鼠CFU-S的细胞定名为CD34(+)33(-)细胞(1982年a、b,Nakahata等)。在成年人骨髓中多能造血干细胞的数量很少,而且其中只有少量周期中的干细胞进行自我更新的分裂,以维持干细胞库的水平,或增殖分化生成定向祖细胞;干细胞突出的性能是随年龄增加而不减低其自我更新和增殖分化的能力,从而保障了对血细胞的补充。祖细胞随着进行性的增殖和不可逆的分化,其更新机率由0.47~0.5逐渐降减至完全停止(1995年,Kurint等),离开自我更新的祖细胞进入G1期定向分化的途径。红细胞谱系中早期的祖细胞是BFU-E祖细胞,晚期的是CFU-E祖细胞。后者通过增殖、分化生成最早能够依其形态、特点可以识别的红细胞谱系的原红细胞。它的细胞质含少量铁蛋白,附于质膜的膜收缩蛋白(spectrin)。继后增殖分化的早幼红细胞开始合成血红蛋白,胞质有了嗜酸性反应。随着红系细胞成熟的进展,细胞进入不再分裂的终端分化期,形成晚幼红细胞。实验显示此期细胞在结构和形态上发生一系列的改变:细胞核染色质急剧的固缩、偏位,核主动地排出胞外,形成网织红细胞;在此期DNA、RNA、LDH同功酶急剧降减,膜收缩蛋白α-、β-亚单位增多,血红蛋白、酸性磷酸酶水平增高。在Epo诱导下,感染FVA病毒的BALB/c小鼠脾成红细胞同步地在自动排核过程中骨架蛋白的波形纤维蛋白降解到消失,肌动蛋白、微管蛋白有集聚,在排核过程中的这些变化可能与内在的排核因子有关[4,5]。网织红细胞在骨髓被释放入血窦,其胞质失去RNA和被泛素清除所有的细胞器,转变成为成熟的红细胞。通常随着细胞增殖的进行,细胞分裂是超过细胞生长的,因此细胞变小。如果红细胞谱系早期的增殖期很少分裂,将产生巨大的红细胞(macrocyte);反之,多次地分裂或生长不足将导致产生小红细胞(microcyte)。如果在红细胞生成过程中意外地过速合成血红蛋白,将使中幼红细胞提早失去增殖能力和排除细胞核,直接转变成为成熟的红细胞,即所谓直接造血;如果幼稚红细胞在增生发育中死亡了,即所谓无效造血。此外,血红蛋白合成的失调将产生贫血病和其他的病理变化,而维生素B12、叶酸和铁对红细胞正常形态的形成有直接的影响。当然,HGFs在调控红细胞生成中起关键作用(后述)。
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    从培养鼠的原始造血祖细胞/干细胞(原则上适用于人)的实验证明需要多种HGFs及其多重受体的刺激,活化其静止细胞进入细胞周期,维持和促进其存活、自我更新及增殖、分化。这些HGFs(包括细胞因子)有:KL及FL,GM-CSF及G-CSF,TPO、IL-1、IL-3、IL-4、IL-6、IL-9、IL-11、IL-12、LIF。实验显示它们的协同效应强过单个因子的效应,不同家族成员之间的协同效应胜过同一家族成员之间的协同效应,而有的因子之间是没有协同效应的;并随着祖细胞由多向性向单一定向型分化,分化的早期或晚期的不同对HGFs的需要也不同。但是,不与HGFs相接触的造血细胞是要凋亡的[6~8]

    2.调控红系祖细胞的增殖和分化

    实验表明向红细胞谱系分化的细胞关闭flt3基因的表达,并在其分化中逐渐下调c-kit基因的表达(1995年,Gabbianelli等)。哺乳动物红细胞谱系的原始BFU-E祖细胞是不表达Epo受体(EpoR)的,对Epo也不应答。但其自我更新、增殖和分化则依赖于SCF、IL-3[9]、GM-CSF多种HGFs相互协调的调控。这类细胞在有SCF和IL-3、GM-CSF培养48~72h后表达EpoR,对Epo有弱反应,1993年Youssoufian等认为它是“成熟”的BFU-E细胞。从置换EpoR氨基酸R(精氨酸)129C(半胱氨酸)或其胞质结构域用F(苯丙氨酸)替代其8个Y(酪氨酸)的定位定点突变的实验,证明EpoR对细胞起作用的关键氨基酸为胞内结构域的Y,而且近胞膜的Y1(343)和Y8(479)支持BFU-E细胞的发生[10],实验证明只要有1/8Y磷酸化激活EpoR就足以促进细胞的增殖[11];培养4~5d的BFU-E细胞增殖、分化成为小集落的CFU-E即晚期的红系祖细胞,它失去了对IL-3、GM-CSF,或许也有SCF应答的能力,转变成为主要地依赖Epo进行增殖和分化*,并生成原红细胞(1993年,Youssoufian)。人的CFU-E和小鼠胎肝的CFU-E象感染脾脏生成病毒(SFFV)的红系前体细胞一样,Epo促进其增殖和分化(1998年,Sawada等),EpoR-/-无效细胞增殖时需要的Epo比表达野生型Epo的细胞多5~10倍(1997年,Damen等),所以人和小鼠的CFU-E细胞加了Epo培养后分别在7d和2d增殖、分化成为红细胞集落,而这些成红细胞去除Epo后2h即可检测到Apopain/Caspase-3,几个小时后几乎所有CFU-E细胞凋亡,显示Epo促进CFU-E细胞分化和防止DNA裂解来阻止细胞凋亡(1990年,Koury和Bondurant);在体内Epo水平低时降减了CFU-E的数量,反之,水平高时CFU-E的数量增多,表明CFU-E依赖Epo的关系;如果输血过多,使Epo水平降低于正常水平,体内正常依赖Epo的祖细胞减少了,导致红细胞生成减少(1985年,DelRizzo等;1995年,1997年,Gregoli和Bondurantl)。但是,随着红系前体细胞的成熟进程,从早幼红细胞开始下调了EpoR的含量,相应地降低了对Epo的敏感性(1997年,Hara和Ogawa)。在正常成人骨髓细胞的培养中IL-3明显地增多BFU-E内亚集落的数量,即促进其自我更新,降低细胞分化;SCF促进其亚集落细胞数量增多,亚集落增大[9];IL-9选择性地调整BFU-E生长,增多红系祖细胞,但不如IL-3、GM-CSF效应显著(1990年,Donahue等),而IL-6在SCF协同下促进不依赖Epo的BFU-E细胞的生长(1996年,Sui等)。这表明外在因子对BFU-E亚集落生成率(0.5~0.65)和自我更新机率(0.47~0.5)是可以调整的。换言之,BFU-E的形成依其生存环境而发生变化(1985年,Kurnit等)。
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    胎肝细胞Epo-/-和EpoR-/-突变的杂合子动物是正常的,纯合子动物由于胎肝不能生成红细胞,胎儿约在E13 d死亡;但其BFU-E、CFU-E集落数量是正常的,但聚集在胎肝的CFU-E祖细胞停止分化成为原红细胞(1995年,Wu等)培养感染了表达野生型EpoR的逆转录病毒的EpoR-/-胎肝细胞,必需要有活化的SCF促进BFU-E增殖、分化生成CFU-E细胞;缺失SCF或KIT缺陷的小鼠发生严重的贫血(1991年,Berstein等),胎肝有正常的BFU-E祖细胞,CFU-E细胞明显减少(1995年,Wu等;1996年,Lin等;1996年,Kierin等)。所以,SCF/KIT和Epo/EpoR对红细胞生成起着开关的作用;而KIT和EpoR之间可以通过胞质结构域物理性联合磷酸化EpoR的Y而被激活[11]。脾脏生成病毒(SFFV)表达的膜表面蛋白gp55-A和gp55-P均能诱导胎肝CFU-E细胞分化,因为EpoR-/-胎肝细胞不表达gp55,所以两型糖蛋白的效应是通过EpoR介导的;gp55-A、gp55-P嵌合体实验证明其跨膜结构域激活了EpoR胞质结构域的Y活化EpoR[12],这样的结果导致宿主细胞非应答Epo的生长,而且这样的结合不干扰Epo与EpoR的结合(1990年,Li等)。
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    新近报道的人红细胞生成的新模型CD34(+)红系祖细胞[13],在HGFs作用下促进其增殖分化,生成去核的网织红细胞样细胞到成熟的双凹盘状的红细胞,而且含有β-珠蛋白和微量γ-珠蛋白,被视为研究先天贫血病的良好模型。其他的细胞株如人的UT-7和AS-E2,人和鼠红白血病细胞株K562和MEL,J2E、R11、R24、GIE多种红细胞株等。下面主要介绍UT-7、AS-E2和MEL细胞株在红细胞谱系生成实验的主要结果。

    UT-7细胞株是人依赖Epo的细胞株。实验表明在红细胞生成的早期依赖于SCF和IL-3或GM-CSF,在其晚期UT-7表达高水平EpoR mRNA,它完全依赖Epo的刺激生长分化。通过血型糖蛋白A(GPA)和联苯胺阳性细胞的检测,2U/ml Epo足以诱发红细胞分化,而且不发生凋亡;去除生长因子之后SCF促进其存活,并增加其对Epo或GM-CSF的敏感;TGF-β诱导其凋亡(1997年,Zermati等)。

    AS-E2细胞株是人依赖Epo的细胞株,在无Epo培养AS-E2停止增殖并凋亡,但血红蛋白阳性细胞增多2倍。Epo对AS-E2的效应可能是通过激活蛋白激酶(PKC)正向上调Bcl-xL、GATA-2、c-myc、c-fos、c-jun表达,保持和促进AS-E2细胞存活和增殖;并负向下调GATA-1、c-myb、α-珠蛋白、β-珠蛋白和γ-珠蛋白,抑制AS-E2细胞分化(1997年,Tsushima等)。
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    MEL细胞株是脾脏生成病毒(SFFV)转化的红系祖细胞,有贫血型SFFV-A和红细胞增多型SFFV-P,总称为小鼠红白血病MEL细胞株,它与正常小鼠的CFU-E相似。MEL细胞表面有300~1 000个Epo结合位点,其中20%是高亲和性的,80%为低亲和性的(1989年,Landschutz等),但在人从BFU-E到网织红细胞的分化细胞的EpoR只有单一的亲和性(1991年,Broudy等),所以MEL细胞也表达EpoR(1998年,O’Prey等);其次,它不同于正常祖细胞的是它可以没有Epo而只要有化学诱导剂,如二甲基亚砜(DMSO)、六甲撑双乙酰胺(HMBA)便能成功地诱向红系细胞分化(1989年,Landschutz等);但是如果没有Epo培养MEL细胞8h,其DNA破坏,而加了Epo培养的MEL细胞抑制了DNA的破坏,阻止了细胞死亡;红系细胞分化相关NF-E2转录因子使MEL细胞活性增强,也表明MEL细胞向红系细胞的分化(1998年,Nagai等);使其丧失增殖、形态和生物化学等改变,出现红系终端分化的特点均说明MEL细胞向红系细胞的分化(1994年,李碧英等)。MEL细胞表达正常和截短型EpoR,SFFV env基因表达gp55,均可以激活EpoR胞质结构域的Y残基磷酸化,调控细胞的分化(1997年,Fujita等)。
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    此外,小鼠细胞株的实验表明,Epo诱导红细胞分化尚需有“赞助因子”(commitment factor)激动素A(activin A)。实验表明单独的Epo不能诱导该细胞的分化,而单独用激动素A能够诱导该细胞死亡;但两者联合使用时细胞不死亡,而且进行分化;经激动素A预先处理的细胞,Epo促进其分化。换言之,激动素A是通过Epo来抑制细胞的凋亡,促进其分化(1998年,Shizaki等)。

    3.红细胞谱系的造血生长因子

    3.1 促红细胞生成素(Epo)[14]:是高度糖基化多肽,其分子量为30~34kD,是非储存于分泌颗粒的内分泌激素,因此免疫组织化学是难于定位的。最近用原位分子杂交法显示EpoR mRNA在成年个体主要定位于肾皮质迷路肾小管外周的成纤维细胞(或成纤维细胞样Ⅰ型间质细胞,1993年,Bachmann等;1993年,Maxwell等);胎儿主要定位于肝细胞和血窦外周的储脂(Ito)细胞(1994年,Maxwell等)。肾小管上皮型肾癌细胞和肝癌细胞均表达Epo mRNA。此外,在培养的大鼠星状细胞、鼠胎盘、仓鼠卵黄囊、人脐带静脉内皮细胞、牛肾上腺毛细血管内皮细胞均表达Epo。人Epo探针由白细胞文库分离全长为9.3kb的基因,其表达具有发育阶段特异性、组织特性和分泌诱导性的特点,在缺氧或失血时Epo mRNA的表达提高几百倍。
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    EpoR为I型膜表面糖蛋白,小鼠EpoRcDNA编码507个氨基酸的蛋白,有82%的序列与人的完全一致(1989年,D′Andrea等)。序列分析其胞外结构域的特点为含5个半胱氨酸,近膜的WSXWS模体为配体结合区。EpoR盒-1是促进细胞增殖和抑制细胞凋亡信号的功能域。EpoR与Epo的自然结合会触发其增殖信号,而其胞外结构域R129C点突变和在MEL细胞与逆转录病毒env基因表达gp55均可触发EpoR通过其胞内结构域的Y残基磷酸化,其信号可以通过磷脂酸酶C-γ、磷脂酰肌醇3-激酶、SHIP、Shc、Grb2、Cbl、HCP、Syp、STAT-5信号中分子调控细胞(1997年,Joneja和Wojchowski)。

    实验显示放线菌素D和/或放线菌素酮、IL-1、IL-6、TNF-α可以抑制Epo对红系细胞的增殖效应,而血管紧张素转化酶抑制剂可以阻止Epo的合成。据报道EpoR基因外显子8内5 985和5 991之间7个核苷酸缺失,可能是家族性红细胞增多病的病因(1997年,Arcasoy等)。自1986年开始在临床上用rEpo治疗肾衰贫血病以来收到了积极效果,同时也发现了影响rEpo效应的因素,如继发性甲状腺亢进、过量荷铁、缺少B12或叶酸。在透析治疗中有的也产生了动脉性高血压,新近报道的1例65岁男性黑人,用rHuEpo治疗肾病两年,出现继发性高血压和进行性贫血,经检查确诊为Epo抗拒性贫血(1997年,Prabhakar等)。早年啮齿动物接种Epo抗体的实验同样产生了致命的贫血。
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    3.2 EDF和EDDF:EDF,红细胞终端分化因子(erythroid differentiation factor,EDF)或去(抑)核调节因子(erythroid denucleation regulatory factor,EDRF)80年代中期薛社普等[4]根据哺乳动物红细胞终端分化期细胞核停止分裂、固缩、自动排核,以及胞内分子一系列生物化学的变化,设想在红细胞可能存在一种始动细胞由增殖期转入终端分化的调控物质。他们经过大量的实验证实这种物质存在的可能性,并进一步纯化鉴定了EDF的分子量为1.5kD(1992年,费仁仁等)。这种红系细胞源的EDF能够抑制MEL-、L929-、KB细胞的生长和增殖,诱导细胞分化。

    EDDF,红系细胞分化去核因子(erythroid differentiation and denucleation factor,EDDF)[15]是周明华等采用细胞钓蛋白带方法分离的,经cDNA文库分离、分子克隆制备,鉴定1个288bp基因序列,表达96个氨基酸,约10kD肽,即HuREDDF。它的生物学活性检测表明它抑制MEL细胞增殖、启动细胞的分化;在裸鼠严重失血或注入苯肼的实验,明显增加受试动物的血细胞比容;经HuREDDF处理的MEL细胞注入裸鼠,受试动物血细胞比容稳定增高,而且减缓MEL细胞的生长和增殖,并延长了动物的生命,与Epo处理的相比较效果更明显。
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    4.结束语

    正常造血过程中各血细胞谱系按照固有的规律和程序,在造血生长因子等多种生物活性分子正向和负向调控下,保障了血细胞在形态结构和数量上维持动态平衡。Epo受体3种激活机制加深了人们对其生理病理变化的认识,其氨基酸的点突变可能成为家族性红细胞增多病的病因。分子模拟生物技术突破性的成功合成Epo(14~20个氨基酸)(1994年,Setoguchi等;1995年,Hamamuri等),EDF和EDDF相继分离成功,使它们在生物制药这个领域的合成成为可能,为造血缺陷病人培养待植的造血干或祖细胞带来了广阔的前景。

    作者简介 陈思颖(1970—),女(汉族),广东南海县人,美国加州大学(Berkeley)分子生物学学士,香港大学医学院博士后

    参考文献

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    【收稿日期】1998-12-29

    【修稿日期】1999-06-02, http://www.100md.com