富勒烯纳米材料通过活性氧调控CaMKII活性与功能的分子机制研究

Researches in biological effects of biomedical nanomaterials has grown rapidly in recent years. As the unique physical and chemical properties, fullerene nanomaterials can be widely used in many biomedical fields, which are based on their novel biological effects through influencing the functions of some key proteins. Multifunctional Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) has multiple isoforms, such as α, β, r and δ. The autonomous activity for α and β is key in the process of learning and memory. Our previous studies have found that fullerene nanomaterials, after irradiated by visible light, can generate the reactive oxygen species (ROS), promote learning and memory, increase the level of CaMKII activity and oxidation in rat brain, while the underlying mechanisms are still unknown. In this project, based on our previous findings, we will perform multidisciplinary approaches including cellular and molecular biology, proteomics, neurobiology and nanotechnology to analysis the mechanisms underlying the modulating of CaMKII activity and learning and memory by fullerene nanomaterials, further enriching the functions of ROS and CaMKII activation mechanisms in brain and providing a theoretical basis for fullerene nanomaterials application and biosafety evaluation in the brain.

生物医用纳米材料生物学效应研究是当今纳米生物医学领域的热点与难点。具有独特理化性质的富勒烯纳米材料通过对生物体内蛋白质的影响可引发多种生物学效应，从而具有广阔的生物医学应用前景。钙离子/钙调蛋白激酶II（CaMKII）是一种多功能激酶，有α、β、r、δ 等亚型，其中α与β持续激活是学习记忆形成的关键。我们前期研究发现光照后的富勒烯纳米材料具有产生活性氧、促进学习记忆、提高大脑CaMKII氧化与自主活性水平的能力，然而具体的作用机制还不清楚。本项目将在已有的研究基础上，利用细胞分子生物学、蛋白质组学、神经科学、纳米科学等学科手段全面分析富勒烯纳米材料调控CaMKII活性与功能以及学习记忆的分子机制，进一步阐明大脑中活性氧的功能与CaMKII活化机制，为富勒烯纳米材料在大脑中的应用以及评估其安全性提供理论依据。

生物医用纳米材料生物学效应研究是当今纳米生物医学领域的热点与难点。富勒烯（C60）纳米材料通过对生物体内蛋白质的影响可引发多种生物学效应，从而具有广阔的生物医学应用前景。钙离子/钙调蛋白激酶II（CaMKII）是一种多功能激酶，有α、β、r、δ等亚型，参与多种信号通路过程，其中α与β持续激活是学习与记忆形成的关键。申请人在本项目的支持下，结合前期研究结果，利用细胞分子生物学、蛋白质组学、神经科学、纳米科学等学科方法全面分析了富勒烯C60调控CaMKII活性与功能以及学习记忆的分子机制，证实了C60能同时通过相互作用与M281甲硫氨酸位点氧化提高CaMKIIα不依赖于Ca2+的自主活性；通过M281/M282位点氧化提高CaMKIIβ的自主活性；提高海马内ROS水平以及通过氧化促进LTP过程。该部分研究为富勒烯C60在大脑中的应用以及安全性评估提供了重要理论依据。CaMKII的持续激活在肿瘤干细胞（CSC）的功能调控中发挥了极其关键的作用。在本项目的支持下，申请人系统探索了包括C60在内的碳纳米材料对CSC的影响与机制，重点研究了单壁碳纳米管抑制骨肉瘤干细胞的形成过程与分子机制。富勒烯C60在引发细胞自噬以及抗病毒方面均有应用，在此基础上，申请人解析了RNA的m6A修饰对细胞自噬的调控作用与机制，为进一步研究C60引发细胞自噬的机制提供新的思路；同时构建了甲型流感病毒株蛋白质数据库，用于后续计算C60与病毒株蛋白质相互作用分析，辅助新型抗流感病毒药物设计。在本项目支持下，申请人在Cell Research、Biomaterials、Journal of Genetics and Genomics、GigaScience国际期刊上发表SCI文章4篇，申请国家专利1项，并撰写书籍章节1章。