细胞自噬在涡虫体型重塑中的作用研究

Autophagy is an evolutionarily conserved survival mechanism in eukaryotic cells, involved in many important intracellular processes. Freshwater planarians are unique animals, showing extraordinary regenerative capabilities and strong tolerance to starvation. Whether planarians undergo de-growth during starvation or body remodeling during regeneration, autophagy is required to remove the nonessential cells. Therefore, planarians have been an ideal model for the study of autophagy. Currently, many reports of planarian regeneration have often been focused on the importance of the stem cells and the re-establishment of body-axis, leaving aside issues related to autophagy in body remodeling. We preliminary investigated the effects of prolonged starvation on the cytomorphology, metablic change and genes expression in planarians Dugesia japonica, which played a good foundation for the following works. In this research project, we will detailedly observe the morphocytological changes of autophagy in planarians by confocal microscopy and transmission electron microscopy, identify the autophagy-related genes by transcriptome sequencing, determine the expression patterns of autophagy-related genes using the whole-mount in situ hybridization, and further analyze the function of autophagy-related genes during planarians regeneration and starvation by RNAi technique. According to the above studies, we explore the role of autophagy in planarian body remodeling at the molecular, cellular and whole-mount level.

细胞自噬是真核细胞在长期进化过程中形成的一种生存机制，与细胞内许多重要活动有关系。淡水涡虫是一个非常独特的动物，具有惊人的再生能力和极强的耐饥饿能力。无论是饥饿过程中退行生长（degrowth）还是再生中体型重塑，涡虫需要利用自噬机制去清除非必需细胞。因此，涡虫是研究细胞自噬的理想模式动物。目前涡虫再生研究的兴趣主要集中于干细胞和体轴重建上，很少涉及细胞自噬在体型重塑中的作用。我们初步研究了持久饥饿对日本三角涡虫细胞形态结构、生化代谢和基因表达的影响，具有良好的工作基础。本项目拟采用激光共聚焦显微镜和透射电镜系统观察涡虫细胞自噬的形态学变化、采用转录组测序技术获取细胞自噬相关基因、采用整体原位杂交技术研究细胞自噬相关基因的表达模式、采用RNAi技术分析细胞自噬相关基因在涡虫再生和饥饿中的作用，从分子、细胞和整体水平研究细胞自噬在涡虫体型重塑中的作用。

细胞自噬是真核细胞在长期进化过程中形成的一种保护性机制。近年来研究发现，细胞自噬参与细胞增殖、分化、衰老、死亡、迁移和极性形成等多种细胞生物学过程，并且与组织创伤修复、组织形态构建和神经退行性病变等关系密切。涡虫是研究组织器官再生的良好模式生物。其头部切除后，3天再生出眼点，7天能够再生出完整的头部。涡虫再生既涉及缺失部分的重新形成（生理性再生）又涉及原有组织的形态学改变（变形再生）。在涡虫体型重塑过程中，细胞自噬必定发挥重要作用。本课题从亚显微水平详细观察了涡虫体型重塑过程中细胞形态学变化，证明了细胞自噬和细胞凋亡共同参与涡虫体型重塑过程。从分子水平共鉴定了15个细胞自噬相关基因的分子特征。整体原位杂交显示，DjAtg3、DjAtg4、DjAtg7和DjAtg8主要在涡虫肠支系统表达，可能与涡虫体型重塑过程中非必需细胞的清除有关。然而，细胞自噬基因DjAtg1、DjAtg5和DjAtg6在涡虫新再生的中枢神经（CNS）特异性表达，可能与生理性再生过程中神经组织的重新构建有关。RNAi-DjAtg1严重损伤涡虫头部再生，3-MA（细胞自噬抑制剂）能完全抑制涡虫头部再生，说明细胞自噬是涡虫头部CNS再生所必需的分子机制，可能参与神经细胞的分化和神经细胞的极性形成。结论：提高细胞自噬基因的表达可能有助于神经创伤修复，这对将来神经再生医学具有重要意义。