Accumulation of oxidative DNA damage restricts the self-renewal capacity of human hematopoietic stem cells

DNA损伤 干细胞 氧化应激 造血 生物 细胞生物学 衰老 造血干细胞 DNA修复 移植 免疫学 DNA 遗传学 生物化学 医学 内科学
作者
Takashi Yahata,Tomomi Takanashi,Yukari Muguruma,Abd Aziz Ibrahim,Hideyuki Matsuzawa,Tomoko Uno,Yin Sheng,Makoto Onizuka,Mamoru Ito,Shunichi Kato,Kiyoshi Ando
出处
期刊:Blood [Elsevier BV]
卷期号:118 (11): 2941-2950 被引量:298
标识
DOI:10.1182/blood-2011-01-330050
摘要

Stem cells of highly regenerative organs including blood are susceptible to endogenous DNA damage caused by both intrinsic and extrinsic stress. Response mechanisms to such stress equipped in hematopoietic stem cells (HSCs) are crucial in sustaining hematopoietic homeostasis but remain largely unknown. In this study, we demonstrate that serial transplantation of human HSCs into immunodeficient mice triggers replication stress that induces incremental elevation of intracellular reactive oxygen species (ROS) levels and the accumulation of persistent DNA damage within the human HSCs. This accumulation of DNA damage is also detected in HSCs of clinical HSC transplant patients and elderly individuals. A forced increase of intracellular levels of ROS by treatment with a glutathione synthetase inhibitor aggravates the extent of DNA damage, resulting in the functional impairment of HSCs in vivo. The oxidative DNA damage activates the expression of cell-cycle inhibitors in a HSC specific manner, leading to the premature senescence among HSCs, and ultimately to the loss of stem cell function. Importantly, treatment with an antioxidant can antagonize the oxidative DNA damage and eventual HSC dysfunction. The study reveals that ROS play a causative role for DNA damage and the regulation of ROS have a major influence on human HSC aging.
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