抑癌蛋白H2AX调控肺癌细胞凋亡的转录组学分析及其表观遗传调控机制研究

The function of histone H2AX is not restricted to the DNA damage repair. It holds another important physiological role: apoptotic regulation. Lacking H2AX or its phosphorylation will results in inhibition of apoptosis. Our previous work clarified signal transductions involved in regulation of H2AX phosphorylation and its relationship with apoptosis. Recently, our group together with others discovered that H2AX plays a key action in apoptosis of tumor cells. Since H2AX is related with production or development of tumor and sensitivity of tumors to drugs, it is known as a novel tumor suppressor. However, how H2AX epigenetically regulates apoptosis is still not reported. Using gene silencing, gene chips and other technologies, this project will uncover apoptosis-related genes and microRNAs (miRNAs) expression profiles in lung cancer cells, which is regulated by H2AX. Through analysis of mRNA and miRNA expression data and their function assays, we try to demonstrate the genes and miRNAs directly upon regulation of H2AX in lung cancer cells and their relationship, and make clear the molecular mechanism of epigenetic regulation of H2AX in apoptosis. This project will help to know tumor suppressor H2AX function closely and also provide comprehensive and specific molecular targets for treatment of lung and other tumors, and development of drugs against them.

组蛋白H2AX不仅调节DNA损伤修复，还具有一项新的重要生理功能：凋亡调控作用。缺少H2AX及其磷酸化修饰，细胞无法走向凋亡。项目申请人前期工作，主要阐释H2AX磷酸化作用的信号转导机制及其与凋亡的关系。最近我们包括其他研究小组又发现，H2AX也是肿瘤细胞凋亡的关键调控蛋白。鉴于H2AX与肿瘤发生发展密切相关，因而被认为是一种新的抑癌蛋白。至于H2AX如何表观遗传调控细胞凋亡，目前尚无报道。本项目利用基因芯片等技术，在转录组水平揭示H2AX调控下参与肺癌细胞凋亡的相关基因和microRNA（miRNA）。通过mRNA和miRNA表达谱数据分析和功能实验，明确肺癌细胞内受H2AX直接调节的关键基因和miRNA以及二者之间的调控关系，深度揭示H2AX表观遗传调控肿瘤细胞凋亡的分子机制。本项目的开展有助于深入了解抑癌蛋白H2AX的生理功能，并为肺癌等其它肿瘤临床治疗提供相对完整而具体的分子靶点。

组蛋白家族成员H2AX不仅能够参与基因组DNA分子损伤修复，还具有一项新的重要生理功能：凋亡调控。最近本课题组及其他研究小组陆续发现，H2AX磷酸化也参与肿瘤细胞凋亡的信号调控。鉴于H2AX与肿瘤发生发展密切相关，因而被认为是一种新的抑癌蛋白。但是磷酸化H2AX（γH2AX）调控肿瘤细胞的作用机理，尤其调控肿瘤细胞凋亡的作用机制有待于详细阐明。本项目以肺癌和慢性髓性白血病（CML）细胞作为靶细胞，研究H2AX表观遗传调控肿瘤细胞凋亡的信号通路及分子机制。主要结果分为五大部分。（1）H2AX在转录水平调控肺癌细胞凋亡：转录组分析显示，肺癌细胞凋亡时共有3461个基因表达受到H2AX的调控，其中NFKB1和JUN为H2AX调控的关键靶基因；H2AX主要通过MAPK以及凋亡通路对肺癌细胞凋亡进行调控。（2）肺癌细胞内调控凋亡相关miRNA的鉴定和作用机制：通过miRNA芯片分析发现肺癌细胞凋亡时共有16个miRNA表达受到H2AX的调控，其中miR 1915 3p靶向作用其下游蛋白DRG2和PBX2，进而抑制凋亡诱导作用； miR 1496靶向下调STAT5a促进肺癌细胞凋亡；miR-328能够靶向结合并下调H2AX，进而抑制肺癌细胞凋亡。（3）γH2AX抑制miR-3196表达的分子机制及相应功能：肺癌细胞凋亡时H2AX磷酸化，然后磷酸化H2AX（γH2AX）结合miR-3196基因启动子并刺激启动子区域组蛋白H3K27三甲基化，进而阻碍RNA聚合酶Ⅱ与miR-3196启动子的结合，并抑制miR-3196表达；miR-3196在肺癌细胞内靶向下调凋亡蛋白PUMA，抑制凋亡；γH2AX通过抑制miR-3196，上调PUMA表达、诱导凋亡作用。（4）H2AX调控CML细胞凋亡的机制：证实γH2AX介入CML细胞的凋亡调控作用；明确CML细胞内MAPK（p38）信号通路参与H2AX磷酸化作用；γH2AX能够调控凋亡蛋白Bim表达；p38/H2AX/Bim通路和机制参与CML细胞的凋亡调控作用。（5）γH2AX调节白藜芦醇抗CML作用：发现白藜芦醇具有抗CML作用；白藜芦醇能够激活CML细胞JNK和p38信号通路，进而刺激H2AX磷酸化并发挥凋亡调控作用。以上结果从不同角度详细阐明H2AX在不同肿瘤细胞内调控凋亡的分子机制，为肺癌等其它肿瘤临床治疗和药物研发提供潜在的分子靶点。