感光细胞特异性表达基因NDRG2协同雌激素阻断MNU诱导视网膜色素变性的分子机制研究

MNU, an alkylating agent that interacts with DNA, could specifically induce the apoptosis of photoreceptors and lead to retinitis pigmentosa (RP). However, the reason why photoreceptors are highly sensitive to the MNU has been poorly understood. Our previous study has found that: estrogen could protect photoreceptor cells from apoptosis, and NDRG2, a member of NDRG family, expressed specifically in the retinal photoreceptor cells; NDRG2 was crucial for the survival of photoreceptors and NDRG2 was correlated to the function of estrogen. Accordingly it is supposed that a synergistic effect existed between NDRG2 and estrogen and such an effect could be a key for resisting the DNA alkylation induced apoptosis. In this project, in order to find new targets for protecting photoreceptors, by using a model of MNU induced specific apoptosis of photoreceptor cells and focusing on the DNA alkylation, we intend to investigate whether NDRG2 is relevant with the specific sensitivity of photoreceptors to the MNU induced apoptosis contrast with retinal ganglion cells; interpret the synergistic effect and molecular mechanism of the NDRG2 responding to the estrogen signaling preventing the apoptosis of retinal photoreceptor cells. This project will not only establish experimental foundation for explaining the mechanism of the DNA alkylation induced apoptosis of photoreceptors, but also provide theoretical basis and new strategies for the prevention and cure of RP.

MNU的DNA烷基化作用特异诱发感光细胞的凋亡导致视网膜色素变性，但感光细胞对MNU作用高度敏感的原因尚不清楚。我们前期研究表明雌激素对感光细胞有保护作用并发现感光细胞特异表达NDRG家族的NDRG2基因；NDRG2对感光细胞存活具有重要作用，且NDRG2和雌激素作用相关。我们推测二者可能存在协同作用，这种协同作用可能是抵抗DNA烷基化诱导感光细胞凋亡的关键。本项目拟以MNU诱导的感光细胞特异性凋亡为模型，以DNA烷基化为突破口，对比视网膜神经节细胞，研究NDRG2是否与感光细胞对MNU凋亡诱导高度敏感有关；分析NDRG2与雌激素抗MNU诱导感光细胞凋亡的协同作用及其分子机制，以寻找保护感光细胞的新靶点。本项目不仅为揭示DNA烷基化诱导感光细胞特异性凋亡的机理奠定实验基础，也为视网膜色素变性的治疗提供新思路和理论依据。

视网膜色素变性（retinitis pigmentosa，RP）是一类复杂的遗传性、渐进性感光细胞丧失最终可致盲的视网膜退行性疾病。其发病的具体机制尚未完全明了，但感光细胞凋亡是这类疾病的主要病理特征，也是其致盲的根本原因。因此，挖掘和寻求阻断感光细胞凋亡的有效手段是探索RP疾病机制和防治的关键和重要途径。本项研究以视网膜感光细胞系661W和C57BL/6J小鼠为主要研究对象，以抗感光细胞凋亡为主要关注点，用MNU诱导感光细胞特异性凋亡构建RP疾病模型，探究了雌激素和NDRG2抗感光细胞凋亡的作用及其分子机制。发现雌激素具有抵抗MNU诱导的感光细胞凋亡的作用。鉴定了经典的雌激素受体ERα和ERβ广泛表达于661W细胞和小鼠视网膜中。应用抑制剂ICI阻断经典雌激素受体途径，抑制了雌激素对小鼠NDRG2基因启动子序列中雌激素应答元件的调控作用。揭示了雌激素在MNU诱导的RP疾病模型中通过经典雌激素受体途径调控NDRG2基因启动子，上调NDRG2基因表达，发挥抗感光凋亡的分子机制。通过与视网膜神经节细胞比对，证明了NDRG2在感光细胞的特异性表达及抵抗MNU诱导感光细胞凋亡的生物学作用。发现NDRG2通过磷酸化转录因子STAT3（p-STAT3）的介导，上调下游关键分子TIMP3的表达，抑制MMP-2和MMP-7及凋亡相关因子caspase-3和caspase-9的活化，发挥抗MNU诱导感光细胞凋亡的作用。揭示了NDRG2通过调控p-STAT3/TIMP3/MMP2/MMP7信号通路抵抗MNU诱导感光细胞凋亡的分子机制。特别值得一提的是，我们还探索了骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSC）抵抗MNU诱导感光细胞凋亡的作用。发现BMSC通过旁分泌外泌体转运miR-21进入感光细胞，靶向抑制PDCD4，抵抗MNU诱导感光细胞凋亡，改善视功能的分子机制。我们所获得的一系列重要研究结果，为揭示MNU诱导感光细胞特异性凋亡的机理奠定了实验基础，也为RP及其他视网膜退行性疾病的防治提供了新的分子靶点和理论依据，为最终防治视网膜退行性疾病探索了新的思路和有效途径。因此，本项研究具有重要的科学理论意义和潜在的应用前景。