全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第2期
2009年4月
Vol. 21, No. 2
Apr., 2009
文章编号 ：1004-0374(2009)02-0295-04
收稿日期：2008-10-20；修回日期：2008-11-11
基金项目：国家自然科学基金(30828011, 30770645); 天
津市自然科学基金(08JCYBJC07300)；教育部新教师
基金课题 (20070023102)
*通讯作者：ai-min-meng@126.com
ROS 与造血干细胞损伤研究进展
张俊伶，孟爱民*
(中国医学科学院放射医学研究所，天津市分子核医学重点实验室，天津300192)
摘　要：辐射可以通过引起造血干细胞(hematopoietic stem cell，HSC)内活性氧(reactive oxygen species，
ROS)系统水平升高导致 HS C 损伤。HS C 损伤患者出现难治性血液系统疾病，严重影响患者生存质量，
甚至威胁患者生命。R O S 可以通过多种机制引起组织、器官和细胞损伤。R O S 的来源包括：线粒体、
NOX(NADPH oxidases)、细胞色素 P450 酶、黄嘌呤氧化酶、非偶联 NO 合酶。已证实 HSC 内 ROS 来
源于 N O X。R O S 升高后影响 H S C 在成骨细胞微环境定位，导致 H S C 与微环境相互作用减弱，从而影
响 HS C 功能。此外，RO S 升高后通过激活 P38MAPK- P1 6 I n k 4 途径，损伤 HSC 自我更新能力，并且
使HSC 定向分化产生更多的髓系克隆而不是红细胞系克隆；PI3K-Akt-mTOR 途径可能也是ROS 诱导HSC
损伤途径。R O S 对细胞周期影响为：促使 H S C 离开 G 0 期进入细胞周期，导致干细胞池的耗尽。基于
NOX 在氧化还原信号传递过程中的重要作用，证实辐射通过 NOX 产生的 ROS 以及鉴定产生 ROS 的 NOX
亚型，这一工作会为临床靶向治疗辐射诱发的血液系统疾病提供重要的价值。
关键词：辐射；造血干细胞损伤；活性氧；N A D P H 氧化酶
中图分类号：Q813; R691　　文献标识码：A
The role of ROS on hematopoietic stem cells damage
ZHANG Jun-ling, MENG Ai-min*
(The Key Laboratory of Molecular Nuclear Medicine in Tianjin, Institute of Radiation Medicine,
Chinese Academy of Medical Sciences, Tianjin 300192, China)
Abstract: Ionizing radiation(IR) exposure may increase ROS level in HSC and lead to irreversible damage on HSC.
ROS damages cells, tissues and organs through several pathways. Mitochondria, NADPH oxidases(NOX),
cytochrome P450-based enzymes, xanthine oxidase and uncoupled NO synthases can induce cellular ROS
production. It has been suggested that ROS produced partly by NOX in HSC and could affect HSCs localization
in their niche and reduce the interaction between the HSC and microenvironment. P38MAPK-P16Ink4 signaling
pathway is activated by elevation of ROS, which might destroy the long-term maintenance of self-renewal and
induce myeloid differentiation skewing. ROS have also been known to activate PI3K-Akt-mTOR signaling
pathway. It can also inhibit maintenance of HSC quiescent state. It is significant to elucidate the mechanisms
that ROS generated by NOX after HSC exposed to IR.
Key words: ionizing radiation; hematopoietic stem cells damage; reactive oxygen species(ROS); NADPH oxidases
(NOX)
造血干细胞(hematopoietic stem cells，HSC)是
造血组织中一类特殊细胞，具有自我更新或自我复
制能力，并能够分化生成血液系统中各类成熟细胞
的原始细胞，即HSC具有自我更新与定向分化的能
力。H S C 在分裂时，进行不对称性有丝分裂，每
296 生命科学 第21卷
次干细胞分裂，一个细胞立即分化为早期祖细胞，
而另一个则维持不分化，HSC 在不断生成祖细胞的
同时，也使其本身的数量和质量保持终生不变。
HSC 绝大部分存在于骨髓组织，少量存在于外周血
循环中。HSC 损伤会导致造血功能持久性抑制，严
重影响患者的生存质量，甚至危及生命。多种因素
可导致 HSC 损伤，包括物理因素(如辐射) 、化学
因素(如肿瘤患者化疗、化学致癌物污染)和生物学
因素(如细菌和病毒等微生物感染)。本文主要讨论
物理因素辐射对 HS C 的损伤。
日常生活中人体不可避免地受到来自环境中的
各种辐射，长期接受小剂量电离辐射可能增强人体
免疫功能[1]，但是单次或多次接收较大剂量的辐射
可以引起大量的组织和器官损伤，辐射对细胞损伤
机制包括辐射导致 DNA 损伤、影响基因表达、激
发细胞凋亡程序[2]。骨髓是辐射敏感组织，电离辐
射可以导致 HSC 损伤。近年的研究显示，辐射可
以诱导HSC内活性氧(reactive oxygen species, ROS)
持续升高。本文对辐射通过诱导骨髓ROS持续升高
进而引起骨髓造血干细胞损伤机制最新研究进展作
一简述。
1　ROS 作用机制及来源
1.1　ROS作用机制　辐射可以诱导ROS产生[3]，辐
射诱导产生的 ROS 可以与 DNA 反应，导致 DNA 被
氧化、双链断裂和变异；也可以与细胞膜反应，引
起膜脂质反应，导致细胞或细胞核损伤，从而引起细
胞凋亡、坏死或有丝分裂细胞死亡[4]。ROS 具有高
化学反应活性并且作为重要信息物质在许多病理生
理过程中出现。ROS 包括诸如超氧化物和羟基的自
由基，还有非自由基，如 H2O 2。与 ROS 相关的生
物学行为主要有三种：第一，在氧化还原反应不平
衡(氧压力)的条件下，大量的自由基产生会导致氧
化作用和大分子、细胞膜和 DNA 损伤，对细胞功
能和活力是有害的；第二，R O S 过氧化物与信号
分子 NO 相互作用，导致 NO 生物利用度下降，并
且产生本身就有生物学活性的另一种反应性物质—
—亚硝酸盐；第三，对 ROS 产生的精密调控能够
调节细胞内分子的活性和信号转导通路，包括高特
异性急慢性的细胞表型的改变[5]。ROS 可触发多种
信号转导途径，如 P21R as、Smad s / sr c 激酶、
P38MAPK、ERK-1/2MAPK，最终造成细胞增殖、
分化或死亡等不同反应[6]。
1.2　ROS 来源　 一般情况下，ROS 由体内正常氧
代谢产物形成，并且在细胞信号转导过程发挥重要
作用。生理条件下，这些 ROS 主要在清除体内细
菌和异物，导致老化等过程中发挥重要作用，过多
的ROS可被体内一些抗氧化的酶和其他一些非酶途
径小分子物质中和。然而，在外界环境压力下，
RO S 剧烈增加导致组织、器官和细胞的损伤。大
多数细胞的 ROS 来源主要包括：线粒体、NADP H
氧化酶(NOX)、细胞色素P450 酶、黄嘌呤氧化酶、
非偶联 N O 合酶。其中，N O X 在氧化还原信号传
递过程中发挥着非常重要的作用。根据预测的结构
域可以将NOX 家族分为三类：(1)NOX1 — NOX4 有
60%的同源性并且被预测为含有6个跨膜的α-螺旋
和C- 端的NADPH 结合区域；(2)NOX5 与以上4 种
有相同的基本结构，但是在N-端有一个钙调蛋白样
的钙离子结合区域；( 3 ) D U O X 1 和 D U O X 2 域与
NOX5 结构基本相似，但是包含了N- 端的过氧化物
酶同源区域[5 ]。H S C 内 R O S 来源于 H S C 表面的
NOX，并非HSC内线粒体[7]。Piccoli等[8]实验发现，
CD3 4 造血干细胞表达相同水平的 NOX1、NOX2、
NOX4 转录产物和一定量的 NOX2s，还有极少量的
NOX5，然而并未发现 NOX3、DUO X1 和 DUO X2。
HSC 表面的 NOX 产生释放 ROS，通过相应的信号
转导通路引起 HSC 损伤。
2　ROS 对造血微环境中HSC 影响
2.1　造血微环境　造血微环境是指在成体组织中
HSC 定居及进行自我更新并能产生大量祖细胞的特
定场所，由一些维持HSC结构与功能的细胞及信号
分子组成。现已证实骨内膜区域的成骨细胞环境和
血管内皮细胞环境，即骨膜巢和管腔巢在造血微环
境中发挥了重要作用[9]。骨膜巢具有维持HSC 自我
更新和归巢作用，此外还与淋巴细胞发育分化密切
相关[10]；管腔巢可能能够刺激HSC 的增殖与分化，
两者对于维持HSC自我更新与定向分化功能起到相
辅相成的作用[11]。正常情况下，造血干细胞和支持
细胞主要定位于骨髓的低氧环境中，低氧环境限制
了ROS的产生，这使得造血干细胞能够免受长期的
氧化作用的损伤，维持造血微环境的稳定，保证正
常的造血功能[7,12]。
2.2 　ROS对微环境中的HSC损伤　成骨细胞是造
血微环境的重要组成部分，与HSC之间存在着精细
的调节。H S C 在成骨细胞定位时的特点包括：处
于静止期，高表达钙离子感受器(calcium-sensing
receptor, CaR)、N-钙黏蛋白(NCAD)、Notch1、 腺
苷三磷酸结合盒转运体 B c r p 、端粒逆转录酶
(telomerase reverse transcriptase，TERT)和P21。
297第2期 张俊伶，等：R O S 与造血干细胞损伤研究进展
CaR 在 HSC 在骨内膜表面定位过程中发挥了重要作
用； NCAD 在 HSC 与环境形成黏附性连接时起作
用；Notch1通过与成骨细胞环境中的 Notch配体相
互作用维持HSC 处于静止期； Bcrp 能够保护HSC
免受内外源性的毒性损伤；TERT 的活性与HSC 自
我更新的潜能相关[12]。P21是细胞周期抑制剂，能
够抑制 HSC 进入细胞周期，保护 HSC 免受细胞周
期依赖的骨髓毒性物质的损伤[13]。当 HSC内 ROS水
平升高时，这些表达在HSC表面且能够维持HSC正
常功能的信号分子都有不同程度的表达下调，导致
HSC 与造血微环境相互作用减弱从而影响HSC 功能。
3　ROS 对造血干细胞自我更新与定向分化平衡的
影响
3.1　ROS升高对HSC自我更新与定向分化的影响　HSC
内的 ROS 水平、相关的信号转导通路以及 HSC 在
成骨细胞内定位的特点对HSC长期的自我更新与定
向分化共同发挥作用[12]。连续的 HSC 移植是评价
HSC维持长期自我更新能力的可靠的方法[14]。将野
生型小鼠(CD45.2)未成熟造血细胞(c-Kit+Sca-1+
Lineage-, KSL)植入受到致死辐射剂量照射的小鼠
(CD45.1)骨髓中，在每次HSC 移植后ROS 水平都
有逐渐的但是很明显的增高，并且高于老龄化细胞
内的 ROS 水平，伴随着细胞内 ROS 水平升高，出
现了KSL 细胞再生能力减弱，可以证明细胞内ROS
水平升高后HSC的自我更新能力减弱[13]。ROS低水
平的HSC群体定向分化产生红细胞系克隆和粒细胞/
红细胞/ 单核细胞/ 巨核细胞集落形成单位(CFU-
G E M M )，当 H S C 内 R O S 水平升高时，HS C 则定
向分化产生更多的髓系克隆而不是红细胞系克隆[12]。
3.2　ROS升高影响HSC自我更新与定向分化的信号
转导途径　在探寻ROS 升高影响HSC 自我更新与定
向分化的信号转导途径之前，应先采用一定的方法
促使HSC 内 ROS 水平升高。有几种方法可以人工诱
导HSC内 ROS水平升高，包括应用BSO(buthionine
sulfoximine)法[15]、小鼠Atm(ataxia telangiectasia
mutated)基因敲除法[16]，以及小鼠Foxo3a敲除法[17]。
这几种方法均可以促使 HSC 内 ROS 升高，为实验
研究创造条件。
有报道显示，P38MAPK-P16Ink4 信号转导途径
在氧化压力诱导的HSC损伤中发挥重要作用[13,17,18]。
ROS 升高导致 P38MAPK 激活，从而引起造血干细
胞自我更新能力的下降。BSO 可以诱导的 HSC 内
ROS 升高，HSC 表达P16Ink4a 和 P19Arf 上调。P16Ink4
是通过MAPK 途径被调控的，包括ERK 和 P38MAPK
的激活。其他的Ink4家族包括P15 Ink4b和P18Ink4c也
是以P38MAPK 依赖的方式表达上调[13]。Atm 缺失
小鼠是分析在体内氧化压力下 HSC 功能的适宜模
型。Atm 缺失导致ROS 水平的增加，从而导致HSC
自我更新能力下降[16]。在体外，P38 MAPK 的激活
可以引起可见的 Atm 阴性的造血祖细胞再生障碍，
并且是再生障碍的主要原因。同时，在24 周Atm-/-
小鼠 KSL 细胞表面 Ink4 家族成员包括 P16 Ink 4a、
P19Arf、P15 Ink4b 和 P18Ink4c 均表达上调。p38 MAPK
被上游的 MAPK 酶(MKK3 和 MKK6)和 MAPK 酶激酶
[凋亡信号调控酶1(ASK1)，被MAP3K5编码]激活[19]。
Foxo3a敲除小鼠HSC内 ROS水平升高后同样可以引
起P38MAPK 激活，HSC 自我更新能力下降[17]。对
于HSC 进行连续的移植也可导致ROS 水平的增加，
在连续的HSC 移植后，ROS 诱导ASK1 激活从而使
P38 MAPK 被活化[12,13]。此信号转导的通路可概括
为：ROS 水平升高后诱导 ASK1 激活，通过激活后
者下游的MAPK 酶引起P38 MAPK 活化，P38 MAPK
活化后HSC表面P16Ink4a 表达上调，其他的Ink4家
族成员也有表达上调，从而诱导 H S C 损伤。
此外，有人应用抗氧化剂N-acetyl-L-cysteine
(NAC)、P38 抑制剂 SB203580 或是 mTOR 抑制剂
rapamycin 都能保存ROS高水平HSC 细胞群体的细
胞活性，暗示 P38MAPK 和 mTOR 的激活都与 ROS
高水平细胞群体的干细胞功能衰退有关。已知ROS
也能激活PI3K-Akt-mTOR 通路，并且该通路可以
被rapamycin 抑制[12]。该通路激活后其下游因子
Foxo 失活，可能会使 HSC 内 ROS 水平更高[17]。
4　ROS 对造血干细胞细胞周期的影响
细胞周期通常被分为 S 期、G 1 期、G 2 期和 M
期。正常情况下HSC 处于静止状态，被称为G0 期。
相对的静止期是HSC重要特性，对于保护骨髓免受
骨髓毒性物质损伤和压力条件下保护干细胞池内的
细胞数量都是至关重要的[14]。ROS水平升高后，处
于 G0 期 HSC 细胞比例下降，S 期、G2 期和 M 期细
胞比例无变化这也支持了这种观点：ROS 水平较低
时，HSC 多处于静止期，RO S 水平升高后，更多
的HSC 被激活[12,13]。HSC 内的ROS 水平升高能够特
异性的激活P38 MAPK-P16INK4a途径从而使HSC离
开 G0 期进入细胞周期，导致 HSC 静止期缺陷，使
得HSC 被消耗[13,16] 。
5　总结
综上可述，ROS 可以通过多种途径对造血干细
胞造成损伤，导致骨髓不可逆性抑制，严重威胁患
298 生命科学 第21卷
者生命。辐射可以引起骨髓环境中 ROS 水平升高，
证实辐射通过 NOX 产生的 ROS 引发 HSC 损伤，鉴
定产生 ROS 的 NOX 亚型，这些可以作为今后工作
研究的重点。
[参　考　文　献]
[1] Fang SP, Tago F, Tanaka T, et al. Repeated irradiations with
γ-rays at a dose of 0.5 Gy may exacerbate asthma. J Radiat
Res, 2005, 46(2): 151-6
[2] Dainiak N. Hematologic consequences of exposure to ioniz-
ing radiation. Exp Hematol, 2002, 30(6): 513-28
[3] Rugo RE, Secretan MB, Schiestl RH. X radiation causes a
persistent induction of reactive oxygen species and a de-
layed reinduction of TP53 in normal human diploid
fibroblasts. Radiat Res, 2002, 158(2): 210-9
[4] Michael W, Epperly Ph D, Anatoli N, et al. Ascorbate as a
“redox sensor” and protector against irradiation-induced
oxidative stress in 32d CL 3 hematopoietic cells and
subclones overexpressing huamn manganese superoxide
dismutase. Radiat Oncol Biol Phys, 2004, 58(3):851-61
[5] Dworakowski R, Anilkumar N, Zhang M, et al. Redox sig-
nalling involving NADPH oxidase-derived reactive oxygen
species. Biochem Soc Trans, 2006, 34(pt5): 960-4
[6] Thannickal VJ, Fanburg BL. Reactive oxygen species in cell
signaling. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2000, 279(6):
L1005-28
[7] Piccoli C, Ria R, Scrima R, et al. Characterization of mito-
chondrial and extra-mitochondrial oxygen consuming reac-
tions in human hematopoietic stem cells. Biol Chem, 2005,
280(28): 26467-76
[8] Piccoli C, DAprile A, Ripoli M, et al. Bone-marrow derived
hematopoietic stem/progenitor cells express multiple isoforms
of NADPH oxidase and produce constitutively reactive oxy-
gen species. Biochem Biophy Res Commun, 2007, 353(4):
965-72
[9] Kiel MJ, Yilmaz OH, Iwashita T, et al. SLAM family
receptors distinguish hematopoietic stem and progenitor cells
and reveal endothelial niches for stem cells. Cell, 2005, 121
(7):1109-21
[10] Wu JY, Purton LE, Rodda SJ, et al. Osteoblastic regulation
of B lymphopoiesis is mediated by Gs α-dependent signaling
pathways. Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105(44): 16976-81
[11] Cancelas JA,Williams DA. Stem cell mobilization by β2-
agonists. Nat Med, 2006, 12: 278-9
[12] Jang YY, Sharkis SJ. A low level of reactive oxygen species
selects for primitive hematopoietic stem cells that may re-
side in the low-oxygenic niche. Blood, 2007, 110(8): 3056-63
[13] Ito K, Hirao A, Arai F, et al. Reactive oxygen species act
through p38 MAPK to limit the lifespan of hematopoietic
stem cells. Nat Med, 2006, 12(4):446-51
[14] Cheng T, Rodrigues N, Shen H, et al. Hematopoietic stem
cell quiescence maintained by p21cip1/waf1. Science, 2000,
287 (5459): 1804-8
[15] Griffit OW. Depletion of glutathione by inhibition of
biosynthesis. Methods Enzymol, 1981, 77: 59-63
[16] Ito K, Hirao A, Arai F, et al. Regulation of oxidative stress
by ATM is required for self-renewal of haematopoietic stem
cells. Nature, 2004, 431(7011): 997-1002
[17] Miyamoto K, Araki KY, Naka K, et al. Foxo3a Is Essential
for maintenance of the hematopoietic stem cell pool. Cell
Stem Cell, 2007, 1(1): 101-12
[18] Hosokawa K, Arai F, Yoshihara H, et al. Function of oxida-
tive stress in the regulation of hematopoietic stem cell-niche
interaction. Biochem Biophy Res Commun, 2007, 363(3):
578-83
[19] Tobiume K, Matsuzawa A, Takahashi T, et al. ASK1 is
required for sustained activations of JNK/p38 MAP kinases
and apoptosis. EMBO Rep, 2001, 2(3): 222-8