p38MAPK在静息期细胞对空间辐射响应中的调控作用研究

High energy particles are one of the main threats to long-term manned space exploration due to their highly penetrating, lethal, mutagenic and tumorigenic ability by inducing complicated clustered DNA damage. Accurate risk assessment and efficient countermeasure of space radiation are crucial but highly relied on biological studies. In this project, we choose G0 cells as an experiment model since majority of the cells in human body stay quiescent. Preliminary studies have revealed the radioresistance of G0 cells compared to G1 and exponentially growing cells, implying the overestimation of space radiation risk assessed by the data obtained with regular exponentially growing cells. Thus, we will continue the studies on the biological effects of various highly energized particles to harvest the data essential to risk assessment of space radiation. Meanwhile, we will concentrate on the function of p38MAPK in the differential regulation of DNA damage repair or cell cycle checkpoints in G0 cells and G1 cells. We expect to confirm the key role played by p38MAPK and reveal a novel mechanism underlying the radioresistance of G0 cells, which are of potential significance in developing efficient protective method to protect astronauts from space radiation.

空间高能粒子穿透力强，无法采用物理屏蔽；电离密度大，造成难于修复的团簇损伤，具有强致死、致突变甚至致癌变能力，是制约长周期载人航天计划的主要因素之一。深入研究高能粒子的生物效应和机理，对于准确评估空间辐射危害和研发有效的防护措施十分重要。鉴于人体绝大多数细胞处于静息状态，我们采用G0期人正常细胞，研究了多种粒子的生物学效应，发现G0期细胞的辐射抗性显著高于G1期和指数生长期细胞，提示采用常规指数生长期细胞获得的数据可能高估了空间辐射危害。本项目一方面继续研究高能粒子的辐射效应，为建立空间辐射危害评估体系积累数据；另一方面，基于p38MAPK的表达与活化在G0期细胞中的变化趋势与G1期细胞和指数生长期细胞相反的前期实验结果，研究p38MAPK的表达与激活在G0期细胞和G1期细胞中对DNA损伤修复、细胞周期的不同调控，阐明p38MAPK在G0期细胞辐射抗性中的作用，揭示细胞辐射敏感性新机制。

空间高能重离子辐射风险评估的不确定性非常高，主要原因在于空间重离子的种类和各自的剂量贡献比较复杂，其次在于体外培养的指数生长期细胞等生物实验模型与人体生理环境差别较大。人体大部分细胞都处于静息期（G0期），受到外源性刺激后能够重新进入细胞周期。所以在本研究中，我们采用接触抑制法构建处于G0期的人肺胚正常成纤维细胞（MRC-5）作为体外实验模型，辅以实验小鼠为体内实验模型。研究结果表明，G1期细胞和指数生长期细胞的辐射敏感性相似，而G0期细胞的辐射抗性最强，因此，利用传统的指数生长期细胞进行空间辐射风险评价高估了空间辐射风险；G0期细胞的NADPH氧化酶活性低，致使细胞内存在较高浓度的NADPH，导致G0期细胞的总抗氧化活性高于G1期细胞，受到相同剂量的辐射时G0期细胞内产生的自由基产额小，DNA损伤少。这些发现从内源性自由基发生的角度解释了G0期细胞辐射抗性的机理。另一方面，我们用较为详尽的实验结果揭示了G0期细胞中P38MAPK、磷酸化P38MAPK和RAC2形成互相调节的反馈与负反馈通路，也是G0期细胞具有较强辐射抗性的原因之一。相关研究成果分别在Cell Cycle、Free Radical Research、Radiation Oncology、Journal of Radiation Research、RNA Biology等期刊发表。.项目实施过程中参与合作人员在小鼠的照射条件、重离子辐照后的能量衰变和剂量变化计算、辐射效应的定量分析、分子生物学和生物化学实验、质谱分析和蛋白质组学、转录组学等方面分工合作，保障了项目的顺利实施。项目开展过程中赴日本国立放射线医学综合研究所参与合作实验研究6人次、项目成员参加国际会议2次、项目负责人成功举办了全球华人DNA损伤修复研讨会1次。另外，项目培养博士研究生4名、硕士研究生2名、联合培养硕士研究生1名，为我国辐射生物学、放射医学领域培养了一批人才。