人体具有非凡的自愈能力，机体内存在的专用干细胞确保许多器官可不断地进行自我更新。当某一器官受到损伤时，器官内的干细胞即被激活生成新细胞促使器官组织再生。然而在机体内这种干细胞活性却受到了严格地调控，因为过度的干细胞活性也可能导致疾病发生比如癌症。当前科学家们纷纷将干细胞生物学的研究转向揭示维持有效再生和适当干细胞功能之间平衡的调控机制。值得注意的是越来越多的数据表明氧化应激在这一调控中发挥了核心作用。
近日罗切斯特大学的研究人员在新研究中发现了一个调控干细胞氧化应激的基因开关，证实其具有调控干细胞功能的作用。相关研究成果发表在最新一期的《细胞干细胞》（Cell Stem Cell）杂志上。
这一研究工作是由罗切斯特大学的生物学家Heinrich Jasper、Christine Hochmuth、Benoit Biteau以及罗切斯特大学医学中心遗传学家Dirk Bohmann共同完成的。科学家们在果蝇肠干细胞中研究了Nrf2 和Keap1基因的功能。过去的研究表明Nrf2 和Keap1是细胞氧化应激反应中的重要调控因子。在新研究中，研究人员惊讶地发现不同其他的细胞类型，干细胞中的Nrf2甚至在缺乏压力的情况下仍可保持活性。这一研究发现表明Nrf2有可能在干细胞功能调控中发挥了不同寻常的作用。
在进一步的试验中，研究人员证实Nrf2具有抑制干细胞分裂的作用。而当果蝇肠道受到损伤时，受损细胞分泌信号蛋白激活干细胞。负调控因子Keap1在此时抑制干细胞中Nrf2的功能从而促使干细胞分裂，肠道组织再生。
此外，研究人员还发现Nrf2对干细胞活性的调控作用受到这些细胞中活性氧簇（ROS）水平的影响。活性氧簇是一类自然存在于细胞中的高活性反应分子，当其浓度显著增高时可损伤细胞结构。研究人员发现只有当ROS水平增高时，肠道干细胞才会发生分裂。Nrf2可通过降低细胞中ROS的水平从而抑制肠道干细胞增殖。当研究人员利用Keap1抑制Nrf2时，观察到ROS水平增高，干细胞分裂，并启动再生。从而表明这一基因开关在肠道干细胞活性调控中发挥了关键性的压力感受器作用。相一致地，研究人员还证实当Nrf2功能受到破坏时，由于干细胞过度生成新细胞导致了果蝇肠道的退化。
Jasper期望其他的科学家们一同开展研究以确定在一些小脊椎动物和人类中是否存在相同的干细胞调控机制。“如果情况确是如此，这些研究发现或将推动开发出新的治疗方法。科学家们亦可最终了解到如何通过控制干细胞的功能安全地置换人类受损组织。”Jasper说。
现在罗切斯特大学的研究人员正在致力于解析隐藏在Keap1和 Nrf2活性下的相关过程。“例如Keap1是如何获得来自损伤组织的信号的？”Jasper说道：“我们正致力去了解Keap1激活前后上游以及下游发生的事件。”（生物谷Bioon.com）
生物谷推荐原文出处：
Cell Stem Cell doi:10.1016/j.stem.2010.12.006
Redox Regulation by Keap1 and Nrf2 Controls Intestinal Stem Cell Proliferation in Drosophila
Christine E. Hochmuth1, Benoit Biteau1, Dirk Bohmann2 and Heinrich Jasper1, ,
1 Department of Biology, University of Rochester, River Campus Box 270211, Rochester, NY 14627, USA
2 Department of Biomedical Genetics, University of Rochester Medical Center, 601 Elmwood Avenue, Rochester, NY 14620, USA
Highlights
? CncC, a homolog of the redox regulator Nrf2, is constitutively active in ISCs ? CncC repression by the negative regulator Keap1 is required for ISC proliferation ? Redox control by CncC/Keap1 is critical for regulating ISC proliferation ? CncC limits age-related oxidation of ISCs, maintaining intestinal homeostasis
Summary
In Drosophila, intestinal stem cells (ISCs) respond to oxidative challenges and inflammation by increasing proliferation rates. This phenotype is part of a regenerative response, but can lead to hyperproliferation and epithelial degeneration in the aging animal. Here we show that Nrf2, a master regulator of the cellular redox state, specifically controls the proliferative activity of ISCs, promoting intestinal homeostasis. We find that Nrf2 is constitutively active in ISCs and that repression of Nrf2 by its negative regulator Keap1 is required for ISC proliferation. We further show that Nrf2 and Keap1 exert this function in ISCs by regulating the intracellular redox balance. Accordingly, loss of Nrf2 in ISCs causes accumulation of reactive oxygen species and accelerates age-related degeneration of the intestinal epithelium. Our findings establish Keap1 and Nrf2 as a critical redox management system that regulates stem cell function in high-turnover tissues.