活性氧对干细胞生物学特性的影响

(泸州医学院附属医院，四川泸州 646000)

氧化应激是许多疾病发生、发展的共同病理机制，如恶性肿瘤、冠心病、糖尿病、神经退行性疾病、椎间盘退行性并病变等［1～4］。随着对干细胞研究的深入，干细胞移植为上述疾病的治疗提供了新的方向。活性氧(Reactive Oxygen Species，ROS)为引起氧化应激的生物活性物质，在干细胞替代治疗中与干细胞有着密切联系。移植于体内的干细胞与机体受损细胞处于相似的微环境，常面临着宿主机体或者其自身产生的活性氧的作用。现将活性氧对干细胞生物学特性的影响综述如下。

1 概述

1.1 活性氧及其作用 活性氧是需氧细胞在代谢过程中产生的一类由氧形成的化学性质较基态氧活泼的含氧代谢物质;线粒体是产生活性氧的主要部位。生理情况下，细胞呼吸链的传递过程中有1%～2%的单电子没有通过细胞色素氧化酶复合体传递给O2，而是从呼吸链中漏出，生成包括超氧阴离子自由基(O·)，过氧化氢(H2O2)和羟自由基羟自由基(OH)等的活性氧。除此之外，内质网和NADPH氧化酶等各种氧化酶类也能产生部分活性氧。生理条件下产生的活性氧能参与多种信号转导，发挥重要的生理功能;而机体在各种有害刺激下线粒体呼吸链功能受损时产生的活性氧能引起细胞氧化损伤，即氧化应激。

1.2 干细胞及其生物学特性 干细胞是指存在于胚胎直至成体的，具有增殖、自我更新及多向分化潜能的原始细胞，增殖、自我更新和分化潜能为其三大生物学特征。干细胞区别于普通细胞的自我更新和多向分化潜能被称为干细胞的“干性”。干细胞根据分化潜能的不同可分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞;根据其来源不同，分为胚胎干细胞和成体干细胞，后者又称为组织干细胞。由于受来源和伦理学的限制，关于胚胎干细胞的研究多限于实验，而组织干细胞则是临床上较理想的种子细胞。在生理情况下，组织干细胞通常处于静息状态或慢周期状态，即处于细胞周期的G0/G1期［5］;在发育，损伤等刺激下，部分干细胞能从静息状态重返细胞周期，通过对称分裂和非对称分裂的方式实现增殖、自我更新和分化。

2 活性氧对干细胞生物学特性的影响

2.1 活性氧与干细胞的干性 干细胞的静息状态和自我更新能力是维持其“干性”的重要保证。静息状态存在的干细胞能在很大程度上保留其原始的特性，而自我更新对维持干细胞群有重要意义。活性氧能通过多种途径影响干细胞的静息状态和自我更新，这种作用在造血干细胞(HSCs)的研究较为深入。在机体内，由毛细血管扩张性共济失调症突变基因(ataxia-telangiectasia mutated，ATM)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K-AKT)或Mdm2-p53路径被破坏而产生的异常的活性氧常会导致HSCs功能的损害［6］。Foxo3a是PTEN/PI3K/AKT通路下游的转录因子，Miyamoto 等［7］发现，Foxo3a(-/-)模型小鼠造血祖细胞的增殖和分化功能正常，然而在其骨髓细胞和基质细胞的长期共培养中，集落形成细胞数目减少，Foxo3a(-/-)HSCs移植后其重建造血的功能受损;进一步的研究发现，Foxo3a(-/-)HSCs表现出p38MAPK磷酸化增加，活性氧水平增高及静息状态的维持缺陷。Ito等［8］则发现，ATM(-/-)模型小鼠活性氧水平增高能诱导HSCs特异性的p38MAPK磷酸化，并伴有HSCs静息状态维持的缺陷;抑制p38MAPK能弥补这种缺陷，失活p38MAPK通路则能保护HSCs的自我更新能力。由此可见，异常增高的活性氧通过p38MAPK途径损害HSCs的静息状态和自我更新能力。ROS-p38MAPK途径对自我更新的这一作用在脂肪源性干细胞也得以证实［9］。此外，P53是一种肿瘤抑制基因，其蛋白产物P53肿瘤抑制蛋白作为一种转录因子，在DNA损伤的情况下能诱导细胞周期停止及细胞分化、衰老和凋亡，并且与HSCs的静息状态和自我更新能力有关［10］。活性氧还能通过激活P53，损害HSCs静息状态的维持和自我更新能力［11］。

除了参与干细胞的信号转导外，活性氧还能通过抑制干细胞对微环境的黏附，从而改变干细胞的静息状态。干细胞生存在一个称为壁龛(Nich)的微环境中，这种微环境是干细胞维持其静息状态的必要条件。Hosokawa等［12］证实，5-Fu诱导 HSCs的活性氧增高能抑制N-钙黏蛋白表达。N-钙黏蛋白是一种黏附分子，能介导HSCs与壁龛的黏附。活性氧能抑制N-钙黏蛋白介导的细胞黏附，使HSCs脱离与其静息状态相适应的微环境，不利于静息状态的维持。

2.2 活性氧与干细胞增殖 活性氧能通过参与细胞信号转导促进细胞的增殖已经被证实。一方面活性氧能激活蛋白激酶B(protein kinase B，PKB，又称AKT)，促进细胞增殖;另一方面可激活MAP激酶家族，促进细胞的有丝分裂;还能激活转录因子NF-kB，从基因水平调控细胞增殖。研究表明，适量的活性氧也能促进干细胞增殖。

在脂肪源性干细胞，低氧诱导NADPH氧化酶产生增多的活性氧，后者诱导血小板源性生长因子受体-B的磷酸化，激活细胞外信号调节激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)和 AKT 信号通路，促进脂肪源性干细胞的增殖和迁移［13］。ERK激酶是MAP激酶家族中的一员，能接受来自生长因子、丝裂原等的信号而激活，并经过一系列级联反应激活与细胞增殖相关的核转录因子;在某些细胞类型中，还通过影响细胞周期调控增殖。Huang xin等［14］研究证实ERK1/2在小鼠神经干细胞增殖中具有重要作用，阻断ERK1/2信号通路后可抑制神经干细胞增殖。AKT信号通路的活化可通过磷酸化周期素依赖性激酶(cyclin dependent kinase，CDK)抑制剂P21C IP1和P27KIP1、磷酸化负性调节forkhead家族的转录因子AFX从而降低P27KIP1基因的转录、增加Cyclin D1转录及磷酸化GSK3使其失活，加速细胞周期进程［15］。除了脂肪源性干细胞外，抑制神经干细胞内生性的活性氧，亦能负性调控PI3K/AKT信号通路，减弱神经干细胞增殖［16］。有学者发现细胞核受体过氧化体增殖活化受体-δ被激活后产生的活性氧能激活P38MAPK和Wnt/B-catenin途径，增加细胞周期蛋白E/cdk2、cyclind1/cdk4表达，促进胚胎干细胞增殖［17］。

2.3 活性氧与干细胞分化 干细胞能向目的细胞分化是其临床应用的理论基础之一。活性氧通过参与干细胞及其相关祖细胞分化的调控而影响干细胞移植治疗的临床疗效。

哺乳动物的HSCs含有低水平的活性氧，与之相比，髓系祖细胞产生的活性氧明显较多。果蝇的多能造血祖细胞在很大程度上类似哺乳动物的髓系祖细胞。研究表明，清除果蝇多能造血祖细胞内的活性氧会阻碍血细胞的成熟，增加活性氧的水平则会激活JNK和FOXO，下调多梳基因(Polycomb of gene)的表达，促进造血祖细胞向三种血细胞分化［18］。JNK即c-Jun氨基末端激酶，在鼠类又称为应激激活蛋白激酶，其也是MAP激酶家族中的成员之一。在应激、分化因子等刺激下，经过一系列级联反应，JUK能被激活，参与细胞生长、分化和凋亡的调控。Maike Schmelter等［19］发现在机械力的作用下，胚胎干细胞的NADPH氧化酶产生活性氧，后者激活MAPK，MAPK通过激活ERK1、2/JNK路径，促进胚胎干细胞向血管细胞分化;通过激活ERK1、2/JNK/p38路径促进胚胎干细胞向心肌细胞分化。除此之外，体外动物实验证实活性氧还能作为第二信使，参与神经干细胞向少突胶质细胞的分化和成熟［20］。由此可见，活性氧对干细胞分化的作用可表现为两个方面:通过不同的途径促进干细胞向某种或多种祖细胞分化;促进某种祖细胞的分化成熟。

综上所述，活性氧对干细胞的生物学特性有着广泛的影响:异常增高的活性氧不利于干细胞静息状态的维持和自我更新;适量的增加活性氧则有利于部分类型干细胞的增殖和分化。这种影响大多是活性氧通过参与干细胞不同的信号通路来实现的。不同类型干细胞的同一种生物学特性可能由活性氧参与的相似的信号通路来调控，活性氧参与的信号通路在调节干细胞不同的生物学特性时也出现部分重叠，例如HSCs和脂肪源性干细胞的自我更新均受ROS-MAPK通路的调控作用;ROS-MAP激酶通路不仅影响干细胞的自我更新，还能影响其静息状态和增殖分化。另外，活性氧的浓度也是重要的影响因素之一。干细胞内活性氧浓度较低，是维持其静息状态的重要保证，适当增高活性氧的浓度则可促进干细胞的增殖与分化成熟，更大浓度的活性氧则能损伤细胞的脂质、蛋白质和核酸，导致细胞凋亡。充分认识活性氧对干细胞生物学特性的影响有助于对干细胞进行更好的调控，提高临床干细胞替代治疗的疗效。

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