活性氧對(duì)干細(xì)胞生物學(xué)特性的影響

(瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，四川瀘州 646000)

氧化應(yīng)激是許多疾病發(fā)生、發(fā)展的共同病理機(jī)制，如惡性腫瘤、冠心病、糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、椎間盤(pán)退行性并病變等［1～4］。隨著對(duì)干細(xì)胞研究的深入，干細(xì)胞移植為上述疾病的治療提供了新的方向。活性氧(Reactive Oxygen Species，ROS)為引起氧化應(yīng)激的生物活性物質(zhì)，在干細(xì)胞替代治療中與干細(xì)胞有著密切聯(lián)系。移植于體內(nèi)的干細(xì)胞與機(jī)體受損細(xì)胞處于相似的微環(huán)境，常面臨著宿主機(jī)體或者其自身產(chǎn)生的活性氧的作用。現(xiàn)將活性氧對(duì)干細(xì)胞生物學(xué)特性的影響綜述如下。

1 概述

1.1 活性氧及其作用 活性氧是需氧細(xì)胞在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的一類(lèi)由氧形成的化學(xué)性質(zhì)較基態(tài)氧活潑的含氧代謝物質(zhì);線粒體是產(chǎn)生活性氧的主要部位。生理情況下，細(xì)胞呼吸鏈的傳遞過(guò)程中有1%～2%的單電子沒(méi)有通過(guò)細(xì)胞色素氧化酶復(fù)合體傳遞給O2，而是從呼吸鏈中漏出，生成包括超氧陰離子自由基(O·)，過(guò)氧化氫(H2O2)和羥自由基羥自由基(OH)等的活性氧。除此之外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和NADPH氧化酶等各種氧化酶類(lèi)也能產(chǎn)生部分活性氧。生理?xiàng)l件下產(chǎn)生的活性氧能參與多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，發(fā)揮重要的生理功能;而機(jī)體在各種有害刺激下線粒體呼吸鏈功能受損時(shí)產(chǎn)生的活性氧能引起細(xì)胞氧化損傷，即氧化應(yīng)激。

1.2 干細(xì)胞及其生物學(xué)特性 干細(xì)胞是指存在于胚胎直至成體的，具有增殖、自我更新及多向分化潛能的原始細(xì)胞，增殖、自我更新和分化潛能為其三大生物學(xué)特征。干細(xì)胞區(qū)別于普通細(xì)胞的自我更新和多向分化潛能被稱(chēng)為干細(xì)胞的“干性”。干細(xì)胞根據(jù)分化潛能的不同可分為全能干細(xì)胞、多能干細(xì)胞和單能干細(xì)胞;根據(jù)其來(lái)源不同，分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞，后者又稱(chēng)為組織干細(xì)胞。由于受來(lái)源和倫理學(xué)的限制，關(guān)于胚胎干細(xì)胞的研究多限于實(shí)驗(yàn)，而組織干細(xì)胞則是臨床上較理想的種子細(xì)胞。在生理情況下，組織干細(xì)胞通常處于靜息狀態(tài)或慢周期狀態(tài)，即處于細(xì)胞周期的G0/G1期［5］;在發(fā)育，損傷等刺激下，部分干細(xì)胞能從靜息狀態(tài)重返細(xì)胞周期，通過(guò)對(duì)稱(chēng)分裂和非對(duì)稱(chēng)分裂的方式實(shí)現(xiàn)增殖、自我更新和分化。

2 活性氧對(duì)干細(xì)胞生物學(xué)特性的影響

2.1 活性氧與干細(xì)胞的干性 干細(xì)胞的靜息狀態(tài)和自我更新能力是維持其“干性”的重要保證。靜息狀態(tài)存在的干細(xì)胞能在很大程度上保留其原始的特性，而自我更新對(duì)維持干細(xì)胞群有重要意義。活性氧能通過(guò)多種途徑影響干細(xì)胞的靜息狀態(tài)和自我更新，這種作用在造血干細(xì)胞(HSCs)的研究較為深入。在機(jī)體內(nèi)，由毛細(xì)血管擴(kuò)張性共濟(jì)失調(diào)癥突變基因(ataxia-telangiectasia mutated，ATM)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K-AKT)或Mdm2-p53路徑被破壞而產(chǎn)生的異常的活性氧常會(huì)導(dǎo)致HSCs功能的損害［6］。Foxo3a是PTEN/PI3K/AKT通路下游的轉(zhuǎn)錄因子，Miyamoto 等［7］發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxo3a(-/-)模型小鼠造血祖細(xì)胞的增殖和分化功能正常，然而在其骨髓細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞的長(zhǎng)期共培養(yǎng)中，集落形成細(xì)胞數(shù)目減少，F(xiàn)oxo3a(-/-)HSCs移植后其重建造血的功能受損;進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxo3a(-/-)HSCs表現(xiàn)出p38MAPK磷酸化增加，活性氧水平增高及靜息狀態(tài)的維持缺陷。Ito等［8］則發(fā)現(xiàn)，ATM(-/-)模型小鼠活性氧水平增高能誘導(dǎo)HSCs特異性的p38MAPK磷酸化，并伴有HSCs靜息狀態(tài)維持的缺陷;抑制p38MAPK能彌補(bǔ)這種缺陷，失活p38MAPK通路則能保護(hù)HSCs的自我更新能力。由此可見(jiàn)，異常增高的活性氧通過(guò)p38MAPK途徑損害HSCs的靜息狀態(tài)和自我更新能力。ROS-p38MAPK途徑對(duì)自我更新的這一作用在脂肪源性干細(xì)胞也得以證實(shí)［9］。此外，P53是一種腫瘤抑制基因，其蛋白產(chǎn)物P53腫瘤抑制蛋白作為一種轉(zhuǎn)錄因子，在DNA損傷的情況下能誘導(dǎo)細(xì)胞周期停止及細(xì)胞分化、衰老和凋亡，并且與HSCs的靜息狀態(tài)和自我更新能力有關(guān)［10］。活性氧還能通過(guò)激活P53，損害HSCs靜息狀態(tài)的維持和自我更新能力［11］。

除了參與干細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)外，活性氧還能通過(guò)抑制干細(xì)胞對(duì)微環(huán)境的黏附，從而改變干細(xì)胞的靜息狀態(tài)。干細(xì)胞生存在一個(gè)稱(chēng)為壁龕(Nich)的微環(huán)境中，這種微環(huán)境是干細(xì)胞維持其靜息狀態(tài)的必要條件。Hosokawa等［12］證實(shí)，5-Fu誘導(dǎo) HSCs的活性氧增高能抑制N-鈣黏蛋白表達(dá)。N-鈣黏蛋白是一種黏附分子，能介導(dǎo)HSCs與壁龕的黏附。活性氧能抑制N-鈣黏蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞黏附，使HSCs脫離與其靜息狀態(tài)相適應(yīng)的微環(huán)境，不利于靜息狀態(tài)的維持。

2.2 活性氧與干細(xì)胞增殖 活性氧能通過(guò)參與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)促進(jìn)細(xì)胞的增殖已經(jīng)被證實(shí)。一方面活性氧能激活蛋白激酶B(protein kinase B，PKB，又稱(chēng)AKT)，促進(jìn)細(xì)胞增殖;另一方面可激活MAP激酶家族，促進(jìn)細(xì)胞的有絲分裂;還能激活轉(zhuǎn)錄因子NF-kB，從基因水平調(diào)控細(xì)胞增殖。研究表明，適量的活性氧也能促進(jìn)干細(xì)胞增殖。

在脂肪源性干細(xì)胞，低氧誘導(dǎo)NADPH氧化酶產(chǎn)生增多的活性氧，后者誘導(dǎo)血小板源性生長(zhǎng)因子受體-B的磷酸化，激活細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)和 AKT 信號(hào)通路，促進(jìn)脂肪源性干細(xì)胞的增殖和遷移［13］。ERK激酶是MAP激酶家族中的一員，能接受來(lái)自生長(zhǎng)因子、絲裂原等的信號(hào)而激活，并經(jīng)過(guò)一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)激活與細(xì)胞增殖相關(guān)的核轉(zhuǎn)錄因子;在某些細(xì)胞類(lèi)型中，還通過(guò)影響細(xì)胞周期調(diào)控增殖。Huang xin等［14］研究證實(shí)ERK1/2在小鼠神經(jīng)干細(xì)胞增殖中具有重要作用，阻斷ERK1/2信號(hào)通路后可抑制神經(jīng)干細(xì)胞增殖。AKT信號(hào)通路的活化可通過(guò)磷酸化周期素依賴性激酶(cyclin dependent kinase，CDK)抑制劑P21C IP1和P27KIP1、磷酸化負(fù)性調(diào)節(jié)forkhead家族的轉(zhuǎn)錄因子AFX從而降低P27KIP1基因的轉(zhuǎn)錄、增加Cyclin D1轉(zhuǎn)錄及磷酸化GSK3使其失活，加速細(xì)胞周期進(jìn)程［15］。除了脂肪源性干細(xì)胞外，抑制神經(jīng)干細(xì)胞內(nèi)生性的活性氧，亦能負(fù)性調(diào)控PI3K/AKT信號(hào)通路，減弱神經(jīng)干細(xì)胞增殖［16］。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核受體過(guò)氧化體增殖活化受體-δ被激活后產(chǎn)生的活性氧能激活P38MAPK和Wnt/B-catenin途徑，增加細(xì)胞周期蛋白E/cdk2、cyclind1/cdk4表達(dá)，促進(jìn)胚胎干細(xì)胞增殖［17］。

2.3 活性氧與干細(xì)胞分化 干細(xì)胞能向目的細(xì)胞分化是其臨床應(yīng)用的理論基礎(chǔ)之一。活性氧通過(guò)參與干細(xì)胞及其相關(guān)祖細(xì)胞分化的調(diào)控而影響干細(xì)胞移植治療的臨床療效。

哺乳動(dòng)物的HSCs含有低水平的活性氧，與之相比，髓系祖細(xì)胞產(chǎn)生的活性氧明顯較多。果蠅的多能造血祖細(xì)胞在很大程度上類(lèi)似哺乳動(dòng)物的髓系祖細(xì)胞。研究表明，清除果蠅多能造血祖細(xì)胞內(nèi)的活性氧會(huì)阻礙血細(xì)胞的成熟，增加活性氧的水平則會(huì)激活JNK和FOXO，下調(diào)多梳基因(Polycomb of gene)的表達(dá)，促進(jìn)造血祖細(xì)胞向三種血細(xì)胞分化［18］。JNK即c-Jun氨基末端激酶，在鼠類(lèi)又稱(chēng)為應(yīng)激激活蛋白激酶，其也是MAP激酶家族中的成員之一。在應(yīng)激、分化因子等刺激下，經(jīng)過(guò)一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)，JUK能被激活，參與細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和凋亡的調(diào)控。Maike Schmelter等［19］發(fā)現(xiàn)在機(jī)械力的作用下，胚胎干細(xì)胞的NADPH氧化酶產(chǎn)生活性氧，后者激活MAPK，MAPK通過(guò)激活ERK1、2/JNK路徑，促進(jìn)胚胎干細(xì)胞向血管細(xì)胞分化;通過(guò)激活ERK1、2/JNK/p38路徑促進(jìn)胚胎干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化。除此之外，體外動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)活性氧還能作為第二信使，參與神經(jīng)干細(xì)胞向少突膠質(zhì)細(xì)胞的分化和成熟［20］。由此可見(jiàn)，活性氧對(duì)干細(xì)胞分化的作用可表現(xiàn)為兩個(gè)方面:通過(guò)不同的途徑促進(jìn)干細(xì)胞向某種或多種祖細(xì)胞分化;促進(jìn)某種祖細(xì)胞的分化成熟。

綜上所述，活性氧對(duì)干細(xì)胞的生物學(xué)特性有著廣泛的影響:異常增高的活性氧不利于干細(xì)胞靜息狀態(tài)的維持和自我更新;適量的增加活性氧則有利于部分類(lèi)型干細(xì)胞的增殖和分化。這種影響大多是活性氧通過(guò)參與干細(xì)胞不同的信號(hào)通路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同類(lèi)型干細(xì)胞的同一種生物學(xué)特性可能由活性氧參與的相似的信號(hào)通路來(lái)調(diào)控，活性氧參與的信號(hào)通路在調(diào)節(jié)干細(xì)胞不同的生物學(xué)特性時(shí)也出現(xiàn)部分重疊，例如HSCs和脂肪源性干細(xì)胞的自我更新均受ROS-MAPK通路的調(diào)控作用;ROS-MAP激酶通路不僅影響干細(xì)胞的自我更新，還能影響其靜息狀態(tài)和增殖分化。另外，活性氧的濃度也是重要的影響因素之一。干細(xì)胞內(nèi)活性氧濃度較低，是維持其靜息狀態(tài)的重要保證，適當(dāng)增高活性氧的濃度則可促進(jìn)干細(xì)胞的增殖與分化成熟，更大濃度的活性氧則能損傷細(xì)胞的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。充分認(rèn)識(shí)活性氧對(duì)干細(xì)胞生物學(xué)特性的影響有助于對(duì)干細(xì)胞進(jìn)行更好的調(diào)控，提高臨床干細(xì)胞替代治療的療效。

［1］楊吉鋒，陶松桔，張亞萍，等.初診2型糖尿病患者氧化應(yīng)激狀況及與糖尿病發(fā)病的相關(guān)性［J］.醫(yī)學(xué)信息，2011，24(6):3343-3345.

［2］瑪爾孜亞·達(dá)尼亞爾，許晨波，楊梅，等.高唐環(huán)境對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖和氧化應(yīng)激的影響［J］.新疆醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(11):1237-1240.

［3］潘靜，陳生弟.氧化應(yīng)激與神經(jīng)退行性疾病［J］.國(guó)際神經(jīng)病學(xué)神經(jīng)外科學(xué)雜志，2008，35(2):143-145.

［4］Kim KW，Chung HN，Ha KY，et al.Senescence mechanisms of nucleus pulposus chondrocytes in human intervertebral discs［J］.Spine，2009，9(8):658-666.

［5］胡火珍.干細(xì)胞生物學(xué)［M］.四川:四川大學(xué)出版社，2005:23.

［6］Naka K，Hirao A .Maintenance of genomic integrity in hematopoietic stem cells［J］.International Journal of Hematology，2011，93(4):434-439.

［7］Miyamoto K，Araki KY，Naka K ，et al.Foxo3a is essential for maintenance of the hematopoietic stem cell pool［J］.Cell Stem Cell，2007，1(1):101-112.

［8］Ito K，Hirao A，Arai F，et al.Reactive oxygen species act through p38 MAPK to limit the lifespan of hematopoietic stem cells［J］.Nature Medicine，2006，12(4):446-451.

［9］Kim BS，Jung JS，Jang JH，et al.Nuclear Argonaute 2 regulates adipose tissue-derived stem cell survival through direct control of miR10b and selenoprotein N1 expression［J］.Aging Cell，2011，10(2):277-291.

［10］Abbas HA，Maccio DR，Coskun S，et al.Mdm2 is required for survival of hematopoietic stem cells/progenitors via dampening of ROS-induced p53 activity［J］.Cell Stem Cell，2010，7(5):606-617.

［11］Abbas HA，Pant V，Lozano G .The ups and downs of p53 regulation in hematopoietic stem cells［J］.Cell Cycle，2011，10(19):3257-3262.

［12］Hosokawa K，Arai F，Yoshihara H，et al.Function of oxidative stress in the regulation of hematopoietic stem cell-niche interaction［J］. Biochemical and Biophysical Research Communications，2007，363(3):578-583.

［13］Kim JH，Park SH，Park SG，et al.The pivotal role of reactive oxygen species generation in the hypoxia-induced stimulation of adiposederived stem cells.［J］.Stem Cells and Development，2011，20(10):1753-1761.

［14］Huang X，Zhao T，Zhao H，et al.Extracellular signal-regulated kinase 1/2 is essential for the proliferation of neural stem cells derived from embryonic cortex［J］.Acta physiologica Sinica，2008，60(3):437-441.

［15］陳培，張欽憲.PTEN-PI3K/AKT細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與腫瘤［J］.癌變 畸變 突變，2010，22(6):484-487.

［16］Le Belle JE，Orozco NM，Paucar AA，et al.Proliferative neural stem cells have high endogenous ROS levels that regulate self-renewal and neurogenesis in a PI3K/Akt-dependant manner［J］.Cell Stem Cell，2011，8(1):59-71.

［17］Jeong AY，Lee MY，Lee SH，et al.PPARdelta agonist-mediated ROS stimulates mouse embryonic stem cell proliferation through cooperation of p38 MAPK and Wnt/beta-catenin［J］.Cell Cycle，2009，8(4):611-619.

［18］Owusu-Ansah E，U Banerjee.Reactive oxygen species prime Drosophila haematopoietic progenitors for differentiation［J］.Nature，2009，461(7263):537-541.

［19］Schmelter M，Ateghang B，Helmig S，et al.Embryonic stem cells utilize reactive oxygen species as transducers of mechanical strain-induced cardiovascular differentiation［J］.Faseb，2006，20(8):1182-1184.