Rb/E2F1通路调控细胞增殖和凋亡的动力学机制研究

The Rb/E2F1 pathway regulates both cell proliferation and apoptosis.As a transcription factor，E2F1 is essencial for cell proliferation but also triggers apoptosis. Thus, it may act as either a tumor suppersor or an oncoprotein.The potent tumor suppresor Rb is the most important negaitve regulator of E2F1. In this project,we will develop theoretical models to reveal the response of the Rb/E2F1 signaling network to growth signal and stresses(like oncogenic stress and DNA damage) based on existing experimental data.Coupled differential equations will be used to chracterize the dynamics of the concentrations of the proteins and other species in the network.Using the concepts and methods in both statistical physics and nonlinear dynamics,we will investigate the effects of the posttranslational modifications (like phosphorylation and acetylation) of Rb and E2F1 on the abundance and activity of E2F1,and explore how E2F1 makes a decision between cell proliferation and apoptosis.Further, we will study the determination of the cellular outcomes by the Rb/E2F1 network in the presence of competition between growth factors and DNA damage. This project may advance the understanding of the complexity in the biological fuunctions of E2F1 and provide some cues for cancer therapy targeting the Rb/E2F1 pathway.

Rb/E2F1通路对细胞增殖和凋亡过程中均有重要的调控作用。转录因子E2F1既可以促进细胞增殖，又可以引起细胞凋亡。因此，E2F1扮演着肿瘤抑制因子和致癌蛋白的双重角色。肿瘤抑制蛋白Rb是E2F1最重要的负调控因子。本项目将基于已有的实验数据，构建理论模型，刻画Rb/E2F1信号网络如何对细胞生长信号和应激刺激（如致癌应激和DNA损伤）做出应答。我们将采用微分方程组来描述网络蛋白及其他组分的动力学，运用统计物理和非线性动力学的概念和方法，研究E2F1和Rb两种蛋白的后翻译修饰状态（如磷酸化和乙酰化）对E2F1水平和活性的影响，揭示E2F1指导细胞在增殖和凋亡两种命运之间做出抉择的动力学机制。我们还将探讨在生长信号和DNA损伤同时存在时，Rb/E2F1网络如何决定细胞命的命运。本项目有望加深人们对于E2F1生物功能复杂性的理解，为针对Rb/E2F1通路的癌症靶向治疗提供某些线索。

E2F1具有促细胞增殖和细胞凋亡双重作用。本项目旨在揭示Rb/E2F1通路指导细胞在增殖和凋亡作出抉择的的动力学机制。基于已有实验数据,我们分别构建了E2F1应答原癌基因激活和DNA损伤的网络模型，探讨了E2F1如何在细胞存活和凋亡之间做出抉择。一方面，我们发现原癌基因激活时，生长因子浓度对细胞命运具有调节作用，生长信号匮乏时细胞更易凋亡。原癌基因激活时，E2F1积累到远高于促细胞增殖时的水平，表达肿瘤抑制基因ARF，进而激活肿瘤抑制因子p53引起细胞周期阻断或细胞凋亡。我们的研究结果表明人类细胞内存在内生的E2F1-ARF-p53肿瘤抑制机制，可有效减少原癌基因激活带来的致癌风险。另一方面，我们通过建模刻画了DNA损伤响应过程中E2F1和p53之间复杂的交互调控。E2F1通过表达SIRT1抑制p53和自身的乙酰化激活，而p53表达的mir-34a可抑制SIRT1的翻译，构成E2F1-SIRT1负反馈和p53-SIRT1正反馈。p53和E2F1共同表达的HIC1则可抑制SIRT1的转录，构成另外两个正反馈。结果表明，DNA损伤的严重程度决定致了不同的细胞命运。温和损伤时，E2F1表达SIRT1，部分抑制了p53的乙酰化，中等水平的p53通过表达p21引起细胞周期阻断；而在严重损伤时，HIC-1和mir-34a同时高表达，导致SIRT1表达几乎完全被抑制。因此，完全乙酰化的通过介导PUMA表达诱发细胞凋亡。同时，系统的稳态行为呈现丰富而有趣的分叉特性。例如，E2F1的稳态水平随着DNA损伤强度的增加经历两次反向的跃变。E2F1水平跃变到低态对应于温和的DNA损伤引起的细胞周期阻断，而E2F1由低态跃变到更高水平则对应于细胞凋亡的发生。此外，我们也初步研究了不依赖于p53的E2F1-p73凋亡调控机制。本项目中，我们系统地研究E2F1的致癌作用和肿瘤抑制作用，该研究提示我们除了要防止E2F1的致癌作用，同时也要尽可能地去利用E2F1的肿瘤抑制角色更好地治疗癌症。本项目的研究成果主要表现为论文发表，至今共发表SCI论文4篇，在国内核心刊物《中国科学》发表论文1篇，另有2篇论文正在审稿中，1个E2F1相关研究工作正在进行中。