自噬调控因子ZKSCAN3对人成体干细胞稳态及衰老的影响及机制研究

Loss of proteostasis is key hallmark of aging. Abnormal autophagy process leads to impaired proteostasis, which is closely associated with aging and aging-related diseases. Tissue repair and regeneration relies on the self-renewal and differentiation of adult stem cells. Dysfunction of adult stem cells is linked to aging and related disorders. Until now, the relationship between autophagy and homeostasis of human adult stem cells remains unknown. Here, we propose to knockout the autophagy regulator ZKSCAN3 in human embryonic stem cells (hESC) by CRISPR/Cas9-mediated targeted gene editing technique, and to investigate the function defects of human adult stem cells, including mesenchymal stem cells (MSC) and neural stem cells (NSC), which are induced from hESC. By combination of transcriptomic, epigenomic, proteomic and genomic analyses, we expect to reveal the autophagy-associated molecular signaling networks in different types of human adult stem cells. This project would contribute to a better understanding of the mechanism of human adult stem cell aging, and also provide theoretical basis for the translational application of stem cells.

蛋白质稳态失衡是个体衰老的重要特征。自噬反应的异常可导致细胞内蛋白稳态的失衡，引发细胞衰老、老年性疾病的发生。人成体干细胞对于人体组织的修复和再生至关重要，其功能紊乱与衰老及老年性疾病密不可分。目前，人们尚不清楚自噬反应对人类成体干细胞功能及衰老的影响。因此，阐明自噬过程对成体干细胞功能的影响以及机制，将深入理解病理或衰老状态下干细胞功能的调控机理，也将为进一步开展干细胞的临床应用及治疗老年性疾病提供理论基础。本课题拟采用CRISPR/Cas9基因组靶向修饰技术构建自噬调控基因ZKSCAN3缺失的人类胚胎干细胞（hESC），并进一步将ZKSCAN3-/-hESC定向诱导分化为人间充质干细胞（hMSC）及神经干细胞（hNSC）。同时结合转录组学，表观遗传学组、蛋白组学等多种分析方法，阐明自噬过程对特定成体干细胞稳态及衰老的影响及其分子机制。

ZKSCAN3是具有SCAN结构域的KRAB锌指蛋白，之前的研究表明其是自噬主要的转录抑制因子。我们的研究显示与经典的ZKSCAN3自噬调控功能不同的是，ZKSCAN3能通过稳固细胞异染色质结构，增强核膜蛋白及异染色质的相互作用及基因组稳定性，抑制重复序列表达，从而调控细胞衰老。首先，研究发现ZKSCAN3的蛋白表达量在复制性衰老、早衰症模型及原代分离的生理性衰老的人间充质干细胞中下调。ZKSCAN3的缺失导致细胞出现加速衰老的表型。机制研究发现，ZKSCAN3通过与异染色质相关蛋白和核纤层相关蛋白相互作用以维持异染色质稳定性。进一步的研究表明，ZKSCAN3缺失会导致基因组核膜相关结构域（LAD）从核纤层脱落，异染色质丢失增加，染色质可及性增加，从而导致重复序列表达出现脱抑制的状态。过表达ZKSCAN3不仅可以延缓ZKSCAN3缺失所导致的细胞过早衰老表型，还可以延缓病理及生理性人间充质干细胞的衰老。总之，我们的研究首次揭示了ZKSCAN3作为表观遗传调控因子参与维持异染色质结构稳定性，从而延缓细胞衰老的新功能。此外，我们的发现在ZKSCAN3所属的锌指蛋白家族，表观遗传调控因子和干细胞衰老之间建立了新的功能联系，加深了对衰老表观遗传机制的理解，为延缓细胞衰老及治疗衰老相关疾病提供新的干预思路。