干性相关基因在辐射诱导细胞干性转变中发挥核心调控作用，主要机制包括干性基因通路激活、表观遗传重编程及信号通路交互作用等^[1]。电离辐射还可能影响细胞的分化能力，干性相关基因如Nanog、Oct4、Sox2和LGR5等直接参与细胞的自我更新、多向分化和再生能力等，参与细胞干性转变的调节^[2-3]。

干性相关基因不仅可以提供关于细胞辐射敏感性和修复能力的直接信息，还可以作为评估辐射损伤和开发新治疗策略的重要工具。本文拟对国内外辐射对细胞干性转变的影响及机制相关研究进展进行综述，为电离辐射导致的细胞损伤的识别以及对人体健康效应产生的影响提供相应的策略与依据。

一、细胞干性转变的生物学特性

细胞干性(cell stemness)是指细胞具有保持未分化状态的能力，具有两个核心特性，即自我更新和多向分化潜能^[4-5]。细胞干性转变(stemness transition)是指细胞从一种相对分化的状态转变为具有干细胞特性的过程，这种转变涉及到细胞生物学行为的显著改变，包括细胞获得自我更新和多向分化潜能^[6]。自我更新能力是指干性细胞能够通过细胞分裂产生至少一个与自身相同的细胞，从而在不分化的情况下维持其干性状态^[7-10]。多向分化潜能是指干性细胞在适当的诱导条件下能够分化成多种不同类型的成熟细胞，如神经细胞、肌肉细胞、脂肪细胞等^[11]。细胞干性转变之后，通常细胞的增殖能力会增强，可以在细胞培养条件下快速扩增。此外，细胞干性转变后还会表达一些干性细胞特异细胞表面标志物和转录因子，这些标志物有助于识别和分离干性细胞，在一些研究中这些分子也常作为辐射损伤的生物标志物^[12]。细胞干性转变通常是由特定的外来因素刺激或微环境变化触发的，如电离辐射、机械创伤、细胞外基质的变化、细胞因子的作用等。这种转变对于组织修复、再生医学以及疾病治疗等领域具有重要的研究和应用价值。

细胞干性转变后，机械创伤和特定的创面微环境可以诱导成纤维细胞、毛囊细胞等表现出干性特征^[13]。有研究表明，细胞干性转变后可能对辐射等外界刺激具有更高的抵抗力，可能与其较强的DNA损伤修复能力和抗氧化能力有关^[14]。通过掌握和识别细胞干性转变的生物学特性，可为靶向干性基因干预辐射损伤提供理论依据。

二、辐射诱导细胞干性转变涉及的干性相关基因

辐射诱导细胞干性转变涉及到不同种类的干性相关基因，各自具有不同的特点和机制，辐射可诱导细胞干性表面标记蛋白表达，调控干性相关转录因子和信号通路，影响细胞干性转变相关基因组和表观遗传学等。

1. 辐射诱导细胞干性表面标记蛋白表达：在电离辐射诱导细胞干性转变后，细胞表面标记蛋白发生了变化，这些变化可以作为辐射损伤的生物标志物，用于判断损伤的发生以及严重程度等。Wang等^[15]研究发现，经过局部高剂量电离辐射后，干性细胞表面CD44表达增加，并参与细胞干性的维持。CD44的表达与细胞增殖、自我更新和迁移增加有关。CD44可以通过整合来自细胞外微环境的信号，激活细胞干性相关信号通路(如Hippo/YAP, Wnt等^[16-18])，驱动细胞重编程，获得并维持干细胞样特性。Chen等^[19]研究发现，在利用X射线照射胰腺癌细胞后，细胞发生了干性转变且干性细胞表面标记蛋白CD133发生显著增加，CD133+细胞的比例在24、48和72 h后均有所增加，尤其在48 h后达到峰值。CD 133通过稳定关键信号分子(如β-catenin)、调控核心干细胞通路和促进适应性代谢，主动参与建立和维持一种有利于细胞干性的状态。CD133及其相关通路被认为是消除肿瘤细胞干性转变、防止肿瘤复发和转移的有前途的治疗策略^[20-22]。CD 44常与CD133联合使用作为细胞干性转变的生物标志物，在肿瘤的放疗中，其作为肿瘤细胞干性转变的生物标志物，与肿瘤的迁移能力和远处转移相关^{[19, 23-24]}。LGR5是一种G蛋白偶联受体(GPCR)，在多种组织细胞表面表达，并在多个研究中作为细胞干性转变的表面标记物^[25-26]。LGR5的功能与其在细胞表面的定位有关，它可以作为Wnt信号通路的调节器，在调节Wnt信号通路中主要的作用包括结合R-spondin(RSPO)、稳定Frizzled和LRP受体以及放大Wnt信号。LGR5本身不直接发起Wnt信号，而是作为Wnt共受体，与Wnt受体Frizzled(FZD)和共受体LRP5/6形成复合物。细胞对微环境中的Wnt配体极度敏感，即使是很低的Wnt水平也能引发强烈的β-catenin信号传导。强大的Wnt信号是维持细胞自我更新、增殖和干性的最关键驱动力^[27]。Chen等^[19]研究发现，在受到高LET辐射后，小鼠肠道模型中，相比正常黏膜，辐射诱导肿瘤组织细胞的表达更高水平的LGR5，这可能与辐射诱导的干细胞特性变化有关。此外，在电离辐射诱导的细胞干性转变中，醛脱氢酶1(ALDH1)的表达水平也显著上升^[28]。这些细胞表面蛋白的表达变化反映了标志物在电离辐射诱导的细胞干性转变后的响应。

2.辐射调控干性相关转录因子：电离辐射可能会影响转录因子和信号通路蛋白的表达和功能，从而影响细胞的干性转变。转录因子能够结合到DNA特定序列上，通过调控一系列下游基因的表达，最终影响细胞的生存、增殖和分化。转录因子在细胞对辐射的响应中起着核心作用，Sox2与Oct4(POU5F1)、Nanog和Klf4共同构成一个核心转录调控网络，维持干性细胞的自我更新和多能性。Sox2与Oct4形成异二聚体，共同结合到大量靶基因的启动子和增强子区域，激活自我更新相关基因(如Itself、Oct4、Nanog)，并抑制分化基因的表达^[29-32]。Sox2是参与体细胞重编程经典因子(OSKM: Oct4、Sox2、Klf4、c-myc)之一，主要参与重编程过程、关闭体细胞特异性基因程序和开启多能性基因程序，它帮助细胞回归到一个未分化的、具有高度可塑性的状态^[25]。Wang等^[25]研究表明，Sox2是细胞干性转变表达的特异性转录因子，与细胞干性维持有关，Sox2的高表达与增强细胞球形成能力相关，这是细胞干性的一个重要指标。Sox2的上调增加了细胞的辐射抗性和DNA损伤修复能力，促进了细胞的去分化，从而增强了细胞干性；而Sox2的下调则降低了细胞的辐射抗性和DNA修复能力，减少了细胞干性，提高了细胞对辐射的敏感性。因此，Sox2可作为辐射损伤生物标志物之一，通过调控Sox2的表达或功能可改变细胞的辐射敏感性，为临床治疗提供策略与依据。Oct4基因是一种在早期胚胎阶段表达的转录因子，与Sox2和Nanog一起在细胞重编程中起作用，通过组建核心转录网络、精确调控基因表达和重塑表观基因组，主动驱动细胞获得并维持干性。Oct4是山中伸弥因子(OSKM)中唯一无法被其家族其他成员有效替代的因子，是体细胞重编程的绝对必要条件，负责启动并稳定多能性基因表达程序，关闭体细胞特异性基因程序^[29]。同时，与Oct4一起，Nanog是维持胚胎干细胞多能性的关键因子，有研究表明其在口腔癌干细胞中表达量较高，与放疗后引起的肿瘤细胞干性转变有关^[33]。Nanog用于稳定和强化由OCT4/SOX2建立的多能状态，并且可以显著提高重编程的效率和质量，将细胞锁定在一种稳定、高水平的干性状态^[34-35]。Feghhi等^[26]研究发现，电离辐射通过增加Sox2和Oct4的表达来诱导MCF-7细胞发生干性转变。同时，辐射通过激活p-STAT3来促进细胞存活和抑制凋亡，与细胞的辐射抗性相关^[25]。因此，辐射可能通过影响转录因子和改变细胞间通讯来影响细胞的干性和迁移能力。

3. 辐射诱导细胞干性转变相关信号通络：在辐射诱导的细胞干性转变过程中，涉及多种信号通路，包括Wnt/β-catenin通路、Notch通路、Hedgehog通路，以及PI3K/Akt信号通路等^[36]。细胞干性相关信号通路在辐射诱导的细胞干性转变中的作用详见图 1。PI3K/Akt信号通路主要通过抑制凋亡蛋白以及激活促存活相关信号通路，来促进辐射后细胞存活与抵抗凋亡。PI3K/Akt信号通路还可直接调控干性相关转录因子，Akt可以通过磷酸化作用稳定Sox2和Oct4蛋白，防止其被泛素化降解，从而增强其转录活性，维持自我更新能力^[37-38]。激活的PI3K/Akt通路使干性细胞能够更有效地修复辐射引起的DNA双链断裂(DSBs)，从而缓解细胞受到电离辐射的杀伤效应^[39]。Akt通过激活NRF2通路，上调抗氧化基因的表达，帮助干性细胞清除辐射产生的大量活性氧(ROS)，减轻氧化应激损伤^[39]。Akt的活化状态(p-Akt)是一个具有重要价值的、调控干性转变的生物标志物，通过检测到辐射后p-Akt水平持续升高，可以说明细胞正在启动一个倾向于获得干性的程序^[40]。

Wnt/β-catenin信号通路在细胞周期调控和干性细胞自我更新中扮演着关键角色，其异常激活与细胞干性状态的维持密切相关。β-catenin直接上调c-Myc、Cyclin D1和Sox2等基因的表达。c-Myc可以进一步激活Oct4和Nanog的表达，维持干性状态。Wnt的靶基因c-Myc和Cyclin D1是驱动细胞周期进展和增殖的关键因子，他们作用于干性细胞池的扩增和维持，防止进入分化或静息状态^[41-42]。

Notch信号通路则在细胞分化、增殖以及干性细胞自我更新中发挥重要作用，其异常激活与细胞干性特征的形成紧密相关^[33]。Notch信号通路通过调控凋亡相关蛋白和激活NF-κB通路增强细胞存活与抵抗凋亡。Notch通路的激活主动抑制细胞分化程序并强化干性基因网络，将细胞重编程为具有自我更新能力的干细胞样状态。上述转信号通路相关蛋白的变化可以作为细胞发生干性转变的标志^[43]。

4.辐射影响干性相关基因组和表观遗传学：辐射可以诱导细胞去分化，获得干细胞样的特性，这一过程涉及到基因组和表观遗传学的复杂变化。基因组标志物能够反映出细胞在辐射后的遗传变化。例如，辐射可以导致DNA损伤，从而引起基因突变，影响细胞的干性^[27]。

(1) miRNA的作用：多个研究表明，miRNA在辐射诱导的细胞干性转变中起调节作用。miRNA调控细胞干性转变的流程图详见图 2。miRNA在辐射诱导的细胞干性转变中可能通过影响DNA损伤修复、细胞周期检查点、凋亡、信号转导、组织细胞微环境等因素参与细胞辐射敏感性的调控^[44]。辐射通过诱导miRNA-21表达上调，miRNA-21抑癌基因如PTEN(磷酸酶和张力蛋白同源物)、PDCD4等，解除对Akt/mTOR、NF-κB等促生存和增殖信号通路的抑制促进辐射后的细胞存活、侵袭、迁移和干细胞标志物(如CD133和Oct4)的表达^[43]。miRNA-181增强细胞的辐射抗性和自我更新能力，辐射后上调的miR-181a/b可靶向抑癌基因如ATM(共济失调毛细血管扩张突变基因)。ATM是DNA损伤应答的核心传感器，其抑制会损害DNA修复的保真度，导致基因组不稳定，从而筛选出具有更强生存能力的干细胞样细胞。He等^[45]发现miRNA-455-5p在辐射诱导的细胞干性转变中起到了重要的调节作用，通过影响JAK/STAT3通路的活性，参与了细胞对辐射损伤的响应和修复过程。

通过miR-455-5p的调节，可以激活STAT3信号通路，进而促进细胞增殖、抑制细胞凋亡，并改善炎症环境。Ma等^[46]在胶质瘤干细胞的外泌体中含有一些特定的miRNA，这些miRNA可能通过影响PTEN/Akt通路，来诱导受体细胞的表型变化，进而在辐射诱导的细胞干性转变中发挥作用。Miyoshi等^[14]通过检测特定的miRNA表达变化，评估辐射诱导的细胞干性转变。例如，电离辐射能够引起肾癌细胞中miR-185的表达下调，抑制了电离辐射诱导的细胞凋亡并增强了细胞的增殖，促进了细胞的干性转变，而过表达miR-185能够增加细胞的辐射敏感性。Seok等^[47]发现，miR-5088-5p作为一种潜在的生物标志物，不仅可以反映辐射诱导的细胞干性转变，还可以作为治疗剂来改善癌症治疗效果。放射治疗可以诱导miR-5088-5p的表达增加，这种增加与细胞的干性转变相关。同时，miR-5088-5p抑制剂与放射治疗联合使用，以抑制辐射诱导的肿瘤恶性变化，减少癌症的复发和转移。

(2) DNA甲基化或组蛋白修饰等的作用：辐射诱导的表观遗传学改变同样会影响细胞的干性特性。例如，DNA甲基化、组蛋白修饰(包括乙酰化和甲基化)、组蛋白变体的交换以及染色质重塑等过程，均能改变染色质的结构，影响基因表达，从而引起细胞干性转变^[44]。DNA甲基化是一种经典的表观遗传修饰，主要发生在CpG岛的胞嘧啶上。辐射可以引起特定基因启动子区域的甲基化水平变化，从而影响基因表达。例如，辐射可以导致干性相关基因(如Oct4、Sox2和Nanog)启动子区域的低甲基化，促进这些基因的表达，进而增强细胞的干性特征^[48]。组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化等，这些修饰能够改变染色质的结构，进而影响基因的转录活性。辐射可以引起组蛋白修饰的变化，有研究表明，组蛋白H3赖氨酸4三甲基化(H3K4me3)通常与基因活跃转录相关，辐射可能增加H3K4me3水平，促进干性基因的表达。H3K27 me3通常与基因沉默相关，辐射可能减少H3K27 me3水平，解除对干性基因的抑制^[36]。因此，基因组和表观遗传学标志物在辐射诱导的细胞干性转变中起着至关重要的作用。

三、辐射诱导细胞干性转变的生物学意义

辐射诱导细胞干性转变具有多重作用，它既有可能带来正面的效果，如促进组织修复，也可能导致负面后果，如促进肿瘤发展。辐射诱导细胞干性转变可以增强细胞的辐射抗性，细胞能更好地抵抗辐射带来的DNA损伤和氧化应激，从而在辐射暴露下有更高的存活率。具有干性的细胞具有多向分化潜能和自我更新能力，这有助于在辐射损伤后快速修复受损组织，促进伤口愈合和组织再生。Sawicka等^[52]研究发现，干性相关基因在干性细胞的维持和组织再生过程中可能起到关键作用。此外，具有干性的细胞可以作为细胞治疗的种子细胞，用于治疗辐射引起的组织损伤或其他退行性疾病。同时，辐射诱导正常体细胞(如上皮细胞和成纤维细胞)去分化和获得干细胞样特性，是一个极其不稳定的过程。这些干性细胞通常伴随着显著的基因组不稳定性、DNA损伤持续存在和表观遗传紊乱。它们虽然具有增殖和分化潜能，但其遗传物质已受损，从而成为潜伏的“癌前种子细胞”，增加了继发性肿瘤的发生风险。研究辐射诱导的细胞干性转变有助于深入理解辐射对细胞的影响机制，为预防和治疗辐射损伤提供科学依据^[53]。

由于肿瘤细胞和正常细胞对辐射的响应不同，了解辐射如何影响细胞干性可能有助于改进放射治疗策略，增强对肿瘤的杀伤效果，同时保护正常组织。电离辐射可以诱导存活的肿瘤细胞发生干性转变，即获得或增强类似肿瘤干细胞的特性。在放疗前或放疗期间抑制这些在维持干性和抗凋亡中起关键作用的通路，可以阻止辐射诱导的“干性反馈激活”，并促使CSCs对辐射敏感化，更容易发生凋亡或分化。Li等^[53]研究发现，放射能够将非干性细胞的癌细胞转化为具有放射抗性的肿瘤干细胞，这为癌症的放射抗性提供了新的机制。肿瘤干细胞(CSC)样细胞具有极强的DNA损伤修复能力、活跃的药物外排泵及凋亡抵抗特性。辐射诱导的干性转变使得原本对辐射敏感的非干性细胞转变为具有强抵抗力的CSC样细胞，成为肿瘤无法被根除并在治疗后复发的重要原因之一。干性细胞具有自我更新和无限增殖的潜能。照射后，辐射诱导的干性细胞细胞能够驱动肿瘤的再生长，导致放疗失败。Yin等^[54]研究发现，METTL3介导的m6A修饰能够增强LINC00839的表达，LINC00839作为支架促进了c-Src介导的β-catenin的磷酸化，从而激活了Wnt/β-catenin信号通路，导致了胶质瘤细胞发生了干性转变。然而，使用Wnt/β-catenin信号通路的抑制剂塞来昔布可以显著增加胶质瘤细胞对放射治疗的敏感性，从而增加放疗的疗效。研究肿瘤细胞干性转变的机制，从而开发相应信号的抑制剂，对提升放疗对肿瘤细胞的敏感性、降低肿瘤细胞的增殖与转移，具有重要意义。同时，了解辐射诱导细胞干性转变的分子机制，可以为开发新的辐射防护药物提供潜在的分子靶点。

研究表明，在足够高的总剂量和生物有效剂量(BED)的情况下，能造成不可逆的、灾难性的DNA损伤，远超干性细胞的高效修复能力的极限，直接通过有丝分裂灾难或凋亡途径清除干性细胞，从而减弱细胞干性转变的能力。同时，在放疗前使用DNA损伤修复抑制剂，使辐射造成的DNA损伤无法被修复，从而将原本亚致死的损伤转变为致死性损伤，从而减轻干性细胞的修复能力^[38]。

四、小结与展望

本综述探讨了各类干性相关基因, 并关注在辐射暴露后表达显著变化的干性相关基因，这些基因不仅包括已知的与干性细胞自我更新和多向分化有关的调节因子，如Oct4、Nanog、Sox2等，还包括一些新近被报道(主要包括LGR5、c-myc、miRNA-21、miRNA-181)与辐射响应相关的基因和信号通路相关蛋白。这些基因的变化反映了细胞对辐射损伤的反应机制，包括DNA修复、细胞周期调控、凋亡及自噬等过程的激活或抑制。

干性相关基因具有以下功能及应用前景：①直接反映细胞状态：干性相关基因的表达直接关联到细胞的干细胞特性，包括自我更新能力和多向分化潜能。这些基因的表达变化可以作为辐射损伤影响细胞干性的直接指标。②辐射早期响应指标：这些基因在辐射损伤后的早期阶段就会表现出变化，有助于快速评估辐射对细胞的影响。③预测细胞修复能力：干性相关基因的表达水平可能与细胞的DNA损伤修复能力相关，因此可以作为预测细胞辐射后修复能力的潜在指标。④反映辐射抗性变化：有研究表明，机械创伤通过激活特定信号通路(如PI3K/AKT)增强了成纤维细胞的辐射抗性。因此，干性相关基因的表达变化可以反映辐射抗性的变化。⑤细胞治疗应用潜力：干性相关基因的表达水平变化不仅反映了辐射损伤，还可能指示细胞治疗的潜力，因为具有干性的细胞通常具有更好的治疗潜力。⑥综合评估工具：干性相关基因可以与其他生物标志物(如miR-21、ROS水平、蛋白质标志物等)联合使用，为辐射损伤的评估提供更全面的评估方法。⑦基因干预靶点：了解干性相关基因在辐射损伤中的作用机制，有助于开发新的治疗策略，如通过调节这些基因的表达来增强细胞的辐射抗性或促进损伤修复。⑧辐射损伤的特异性响应：干性相关基因在辐射损伤后的表达变化具有特异性，这有助于区分辐射损伤与其他类型的细胞应激。

未来的研究可以集中于寻找能够预测放疗后诱导干性转变和复发风险的生物标志物(如特定的外泌体蛋白、ctDNA特征、ncRNA表达谱)，用于对患者进行分层，识别高风险人群。同时，深入理解辐射诱导细胞干性转变的信号通路和机制，基于机制研究，开发针对关键靶点(如特定激酶、表观遗传酶、免疫检查点)的小分子抑制剂或生物制剂，与放疗联合使用，从而减弱辐射的干性诱导效应。

总之，随着研究的不断深入和技术的进步，干性相关基因有望成为辐射损伤的快速诊断、损伤程度评估和指导个性化治疗的重要工具。

利益冲突  无

作者贡献声明  关子易负责文献收集及论文撰写；马丽萍负责论文修改；高玲负责指导论文思路及修改