造血干细胞自噬机制在预防血液肿瘤萌发中的作用

Hematological malignancies are neither practically preventable nor easily cured in most cases. Currently, overwhelming studies focus on direct targeting blood cancer cells or blood cancer stem cells while ignoring the most upstream control of initiation of hematological malignancies. Our preliminary data show that hematopoietic stem cells (HSCs) from patients of leukemia, myeloma and lymphoma were characterized by autophagic defect and reactive oxgen species (ROS) accumulation. Using conditional knockout mice model, we found that autophagic defect and ROS accumulation in HSCs are the earliest events that lead to transform normal hematopoietic stem cells to hematological cancer stem cells and subsequent carcinogenesis. Based on our preliminary data on patient samples and animal models, the present proposal will study the mechanisms in which autophagic defect and ROS accumulation lead to the germination of hematological malignancies, and explore the mechanisms by which autophagy removes ROS，enhances genome stability and inhibits chromosomal translocation or mutation, ultimately leading to the blocking of malignant transformation of hematopoietic stem cells. The findings from the proposed research will thus provide a novel way for the prevention of hematological malignancies.

迄今血液肿瘤既无法预防，绝大多数也难于治愈。现有的治疗研究关注攻击血液肿瘤细胞和血液肿瘤干细胞，忽视从更早的源头控制血液肿瘤的发生和发展。我们的前期研究表明，白血病、骨髓瘤和淋巴瘤病患的造血干细胞普遍发生自噬活性下降和活性氧（ROS）积累；我们用条件性基因敲除小鼠模型进一步研究表明，造血干细胞自噬机制受损和ROS积累，可能是导致其转化为血液肿瘤干细胞，萌发多种血液肿瘤的始因。拟在已有临床观测和实验研究基础上，探讨自噬机制受损和ROS积累导致血液肿瘤萌发的机制，阐明造血干细胞自噬机制清除ROS、维持基因组稳定性、抑制染色体易位或突变从而抑制造血干细胞恶性转化的作用及其机制，为今后建立预防血液肿瘤发生的方法提供科学依据。本建议项目在病源控制（ROS积累和自噬机制受损）、研究焦点（造血干细胞恶性转化）和终极目标（干预多种血液肿瘤的发生）上，均有别于以往血液肿瘤的研究思路。

本项目主要回答：自噬机制是否、如何预防血液肿瘤的萌发？取得成果如下：.1、发现进化过程中造血干细胞在细胞保护机制设置上的局限，是血液肿瘤萌发的先天性风险之一。造血干细胞只存在依赖于Atg7的经典型自噬途径，这一自噬途径破坏后，造血干细胞发生癌变或衰竭，导致个体死亡；而分化成熟的、行使生理功能的血细胞，当经典型自噬途径破坏时，可以启动非经典自噬途径，补偿自噬能力，维护功能血细胞的生理功能。这一研究从一个侧面说明为什么血液肿瘤基本源于造血干细胞的恶性转化（Cao Y et al, Journal Biological Chemistry 2015）。这也是首次报道干细胞与分化的体细胞之间自噬机器设置上的差异。此外，还发现功能血细胞的成熟也依赖于自噬功能（Cao et al, Experimental Hematology 2015a）。 .2、那么为什么自噬机制减弱会诱发血液肿瘤呢？我们进而研究发现，自噬能力破坏后，DNA损伤修复能力减弱，自噬预防造血干细胞恶性转化的机制，在于自噬能够促进生理条件、甚至电离辐射诱导的DNA双链断裂的损伤修复，加强自噬活性能促进同源重组和非同源末端连接两个途径的DNA损伤修复（Lin et al, Scientific Reports 2015）, 进一步研究发现，自噬促进DNA损伤修复的作用，是通过靶向降解STAT3的负调控因子KAP1，一旦KAP1被自噬机制降解后，STAT3的抑制即被解除而获得磷酸化激活，激活的STAT3继而发生核定位，结合于损伤修复关键蛋白BRCA1基因的启动子，启动BRCA1 转录，表达BCRA1 蛋白，该损伤修复蛋白进入损伤修复途径促进DNA损伤修复（Radiation Research accepted）。.3、用于指导白血病应对策略，在靶向诱导白血病细胞凋亡时，应尽可能不干预正常造血干细胞自噬功能（Yuan et al, Haematologica 2015; Blood Cancer Journal 2015）。.4、在本项目研究中意外发现，自噬功能缺陷导致胞内段Notch堆积，Notch信号过强导致白血病发生，加强自噬能够降解胞内段Notch，降低白血病风险，说明造血干细胞自噬预防肿瘤萌发的另一个原因在于自噬能够降解Notch分子（Cao et al, SCD 2015）。