上调转录因子Nrf2用于造血干细胞抗氧化保护的研究

Research showed that high levels of reactive oxygen species (ROS),generated by ionizing radiation （IR）or others, lead to functional failure of hematopoietic stem cells (HSCs). However，ROS metabolism and scavenge are dependent on a coordinated action of a series of antioxidant enzymes. Nrf2 was recently identified as a master transcription factor regulating multiple antioxidant enzymes. Here we propose to upregulate and activate Nrf2 by knocking down its inhibitory protein Keap1, with shRNA technique. Another approach is to treat HSCs with small molecule compounds to activate Nrf2 pharmacologically. We will study alterations in the ROS-metabolizing enzymes expression, ROS scavenge and hematopoietic functions of the Nrf2 upregulated HSCs and compare these parameters before and after IR. In order to explore the molecular mechanisms, we will investigate possible alterations of the Nrf2 upregulated HSCs in cell-cycle, apoptosis, DNA repairs and gene expression profiles,etc.In summary, this project will help elucidate the role of the transcription factor Nrf2 in antioxidant protection of HSCs.The results of this study will be useful for clinical improvement of bone marrow transplantation and prevention of IR-induced bone marrow failure.

研究表明辐射等原因引起的高浓度活性氧（ROS）可导致造血干细胞（HSCs）功能衰竭。而ROS的代谢和清除需要一系列抗氧化酶的协同作用。近年来发现Nrf2是调控这些抗氧化酶的主要转录因子。因此本课题拟通过shRNA 技术干扰Nrf2的抑制蛋白Keap1的表达，从而上调和激活Nrf2转录因子。另一途径是用小分子化合物处理HSCs来激活Nrf2。我们拟对Nrf2上调的HSCs在辐射前后ROS代谢酶的表达，ROS的清除以及造血功能的变化进行比较研究。此外，还将探索Nrf2 上调后HSCs在细胞周期，凋亡率，DNA修复以及基因表达谱方面的变化，以揭示其分子作用机制。本课题的研究将有助于阐明转录因子Nrf2在造血系统中的抗氧化保护作用及其机制。成果有望运用于临床改善骨髓移植疗效和预防癌症放疗引起的骨髓衰竭。

辐射等原因引起的高浓度活性氧（ROS）可引发造血干细胞功能衰竭。而ROS的代谢和清除需要多种抗氧化酶的协同作用。近年发现转录因子Nrf2对多种ROS代谢酶包括超氧化物岐化酶（superoxide dismutas, SOD），过氧化氢酶(catalase), 谷胱甘肽过氧化物酶1（glutathione peroxidase1, Gpx1）等具有转录调控作用。因此本课题拟通过小分子化合物上调转录因子Nrf2来增强造血干细胞 多种ROS 代谢酶的表达，探讨用这一新的策略增强造血干细胞的ROS清除能力从而更好地保护其造血重建功能。.本项目按计划进行了实施。我们构建了Nrf2高表达以及敲除细胞株，特别是从美国匹茨堡大学引进了Nrf2敲除小鼠，使得对造血干细胞的研究得以顺利进行。以人脐血CD34+为模型，筛选了85种抗氧化小分子化合物对造血干细胞的体外扩增能力，其中C2968化合物的相对扩增倍数达2.8倍，B1753和1B3358化合物的相对扩增倍数均达到1.5倍。因此，这三种化合物可用作潜在的造血干细胞体外扩增药物。使用Nrf2 基因缺陷小鼠模型，深入研究白藜芦醇衍生物 Vam3 缓解全身照射后造血系统损伤的分子机制。结果显示Vam3等Nrf2激活剂可于用作造血干细胞抵抗放射损伤的潜在药物。上述结果圆满地完成了本课题设定的研究目标。此外，我们还将研究成果延伸至放射医学以外的医学领域。通过和天津医科大学神经内科研究所合作，利用Nrf2敲除小鼠模型研究Nrf2激活剂DMF对脑中风缺血后恢复的作用。实验表明， DMF对于脑缺血-重灌注损伤具有显著的治疗作用，其药理作用是由Nrf2 信号通路介导的。因此DMF可以用作潜在的脑中风治疗药物。.综上所述，我们对该课题从分子机制以及医学应用领域均进行了探讨，发表文章8篇，包括5篇SCI文章，获得专利授权4项，培养研究生4名，较圆满地完成了该课题。