p62和Nrf2在胚胎干细胞自我更新和体细胞重编程中的作用和机制研究

The autophagic receptor SQSTM1/p62 regulates multiple signaling pathways and Nrf2, which controls intracellular antioxidant activity. p62 and Nrf2 play important roles in metabolic diseases, degenerative diseases, and cancer. However, stem cell related studies of these two proteins are very limited. Recently, we have discovered that these two proteins are necessary for both somatic cell reprogramming possibly through facilitating mesenchymal-to-epithelial transition and mouse ESC self-renewal. Another recent work also showed that Nrf2 regulates proteasome and controls self-renewal of human ESCs. Based on these discoveries, we propose that p62 and Nrf2 regulate both self-renewal of ESCs and somatic cell reprogramming through novel mechanisms. In this project, we aim to: 1, establish p62 and Nrf2 knockout mouse and human ESCs and profile their transcriptome, proteome, interactome, signal transduction and chromatin binding to decipher the mechanisms on ESC self-renewal; 2, using the somatic cells from p62 and Nrf2 knockout mice to confirm the mechanisms on somatic cell reprogramming. Through this project, we may understand deeper how pluripotency is regulated. More importantly, we may uncover novel mechanisms of p62 and Nrf2 in regulating stem cell fate, which may provide new opportunity to cure relevant diseases.

自噬受体p62调节多个信号通路，其下游Nrf2调控细胞抗氧化活性，两者与代谢疾病、退行性疾病以及癌症密切相关。两者在干细胞中的作用和机制研究还很有限。我们最近研究发现：p62-Nrf2是体细胞重编程以及小鼠胚胎干细胞(ESCs)自我更新所必须，并参与调节重编程的间充质向上皮转换；最近有研究报道Nrf2通过调节蛋白降解维持人ESCs自我更新。因此我们提出假设：p62和Nrf2可能以新的机制调节ESCs自我更新和体细胞重编程。本课题我们将：1，利用小鼠和人的基因敲除（KO）ESCs全面分析p62和Nrf2在转录组、蛋白质组、相互作用组、信号传导和染色质结合水平调节自我更新的机理；2，利用KO小鼠体细胞进一步明确两者调节重编程的机制。本课题将有助于增进我们对多能性调控的认识，同时揭示p62-Nrf2调节干细胞命运的新机理，为深入认识并治疗相关疾病提供新机遇。

线粒体重编程（也叫代谢重编程），是诱导体细胞重编程早期发生的关键事件之一。该过程的主要特征是线粒体氧化磷酸化代谢水平逐渐下降，伴随着糖酵解代谢水平逐渐升高。目前已有大量报道尝试去描述或者解决重编程过程中线粒体代谢转变的特征以及发生机制，但是依然有一些基本的问题没有解决，其中最具争议的就是线粒体重编程是如何发生的：是通过由ATG5（autophagy¬ related gene 5）介导（经典自噬）和ATG5非依赖、ULK1（Unc51--like kinase 1）介导（非经典自噬）的巨自噬（简称“自噬”）降解线粒体即线粒体自噬；还是通过降低mTORC1-PGC1（mTORC1，the mammalian target of rapamycin complex 1；PGC1， peroxisome-proliferator-activated receptor γ coactivator）调控的线粒体生物合成实现。这些矛盾争议可能来源于不同的重编程体系和线粒体自噬检测以及定量方法。在本研究中，我们针对以下几个方面进行了比较研究：不同的重编程因子的组合；不同的重编程培养基；更直观的线粒体自噬检测方法；足够多的数目的重编程细胞的统计结果。经研究发现，在4因子（Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc, or OSKM）和3因子（Oct4、Sox2、Klf4, or OSK）重编程过程中，线粒体自噬激活均没有发生。ULK1既没有参与体细胞重编程，又不影响线粒体重编程的发生，同时我们进一步证实了mTORC1-PGC1轴下调在各种不同重编程体系中调控线粒体重编程的普遍适用性。综上所述，本研究不仅有助于人们理解认识mTORC1-线粒体代谢调控在多能性重建中的作用和调节机制，也为发育、衰老和癌症等生理病理发生转变过程中的mTORC1-线粒体代谢研究提供了新的视角。