核糖核苷酸还原酶及其相互作用蛋白在DNA损伤诱导细胞衰老中的作用和机制

Ribonucleotide reductase (RR) is one of the key enzymes for DNA replication and repair. p53R2, which is regulated by tumor suppressor p53, is a small subunit of RR. p53R2-/- mice showed growth retardation and early mortality. However, whether or how RR regulates cell senescence still remains unknown. Our previous study found that both R2 and p53R2 (two small subunits of RR) were involved in DNA repair, the direct protein-protein interaction between R1 (RR large subunit) and human thioredoxin1 (hTrx1) regulates RR enzymatic activity, and in addition, other redox proteins were identified in RR complexes. Therefore, we hypothesized that RR interacting proteins regulate DNA replication and repair by regulating the enzymatic activity of RR, thereby affecting the process of cell senescence. In this proposed study, we will further identify RR interacting proteins, study the effects and structural and functional mechanisms of these proteins on RR enzymatic activity, DNA repair and cell senescence. Based on the strategy and technology of proteomics, enzymology, structural and cellular biology, this study will contribute to further understand the role and mechanisms of RR subunits and their key regulatory proteins in DNA damage-induced cell senescence.

核糖核苷酸还原酶（RR）是参与DNA复制和DNA损伤修复的关键酶，敲除其受p53转录调控的小亚基p53R2的小鼠呈现短寿表型。然而RR是否调控衰老，如何调控衰老尚待探讨。我们前期研究发现，RR两类小亚基都与其DNA损伤修复功能相关，其大亚基相互作用蛋白hTrx1（人硫氧还蛋白）对RR酶活性至关重要，且RR复合物中还存在数个氧化还原蛋白。我们推测，RR相互作用蛋白通过调节RR酶活性而调控DNA复制与修复，进而影响细胞衰老进程。本课题将进一步鉴定RR三个亚基的关键相互作用蛋白，解析这些蛋白对RR在DNA损伤修复过程中酶活性的影响，探讨RR及其相互作用蛋白对细胞衰老的调控作用。本课题将通过蛋白组学、酶学、结构学和细胞生物学等层面技术，研究RR相互作用蛋白对RR酶功能及其参与DNA损伤修复进而对细胞衰老进程的影响，为阐明DNA损伤诱导细胞衰老的分子机制提供新的科学依据。

核糖核苷酸还原酶（RR）的生物学功能是将核糖核苷酸（NDPs）还原为脱氧核糖核苷酸(dNDPs)，进一步经细胞内激酶催化生成dNTPs，从而为DNA合成提供底物，是细胞DNA合成限速酶。RR由催化亚基RRM1与调节亚基RRM2或RRM2B（又称p53R2）组成RRM1-RRM2和RRM1-RRM2B两种类型全酶分子，为DNA复制和DNA损伤修复提供底物。本项目对RR的结构和功能、在DNA损伤修复和肿瘤细胞、衰老细胞中的异常表达和调控机制、及其新型靶向抑制剂等进行了系列研究。1) 证明肿瘤细胞中高表达的硫氧还蛋白hTrx1与RRM1直接结合从而促进RR酶活性和肿瘤恶性进展的机制，干预细胞氧还失衡异常调控机制能显著抑制RR酶活性和肿瘤进展；2）纤维化小鼠肝组织AUF1和RRM2表达都有明显增高，肝细胞敲除AUF1基因的小鼠RRM2亚基的高表达受到抑制且纤维化程度减轻。在HEPG2细胞中，抑制AUF1表达RRM1、M2亚基表达都降低，且细胞生长变缓。提示RR酶的表达可能受AUF1调控，且这种调控作用在衰老细胞和肿瘤细胞中都起作用。3）通过TCGA等肿瘤大数据分析和临床样本验证，揭示了RRM2和RRM1在多种类型肿瘤中的表达谱、促进肿瘤发生发展的作用和调控机制、及其作为肿瘤进展的标志物和药物靶标分子的意义；4）基于我们解析的RRM2蛋白X射线衍射晶体结构，联合应用计算机辅助设计、RR酶活性试验、细胞和裸鼠模型筛选和鉴定，获得多个RR靶向抑制小分子，包括已知具有抗氧化、抗炎、抗衰老、以及抗肿瘤等活性的天然植物单体紫檀芪；5）老年大鼠移植了年轻大鼠肝脏可以改善老年大鼠的血清成分，使得血清代谢物趋向于年轻化，而移植到老年大鼠的年轻大鼠肝则趋向与衰老相关改变。年轻和老年大鼠肝组织转录组学和代谢组学联合分析发现，相关改变主要集中在免疫和代谢通路，表明维持肝脏的代谢和免疫通路平衡对于延缓肝衰老以及预防个体衰老都有重要的意义。相关成果发表在Aging cell、Oncogene、Cell Death and Disease、Frontiers in oncology 和American Journal of Cancer Research.