细胞自噬对造血干细胞DNA的核辐射保护作用和机制

Nuclear radiation results in tissue and organ damage as well as loss of life; however, tissue stem cell damage is the most disastrous scenario because all tissues and organs are regenerated from their stem cells. Our published data showed that enhanced activation of autophagy in bone marrow cells reduced nuclear radiation damage and protected hematopoiesis, and our unpublished preliminary data showed that STAT3, the signal transducer and transcription activator 3, might be involved in this protection cascade. Based on these work, in this project, we will use a mouse model in which autophagy-essential gene atg7 can be deleted to study the role of autophagy in radiation damage repair in hematopoietic stem cells (HSCs), with particular focus on the role of autophagy in DNA double-strand breaks (DSB) damage repair pathway in HSCs. Furthermore, we will explore whether autophagic radioprotection of HSCs depends on STAT3 signaling pathway and how STAT3 activation is regulated by autopphagy. This study is expected to deepen our understanding on radiation damage repair mechanism in hematopoietic stem cells, and provide novel input for our strategy in formulating radioprotection protocols.

核辐射对人体的损伤直接体现于对机体组织器官的损伤，而组织干细胞的损伤才是核辐射损伤的要害，因为机体组织器官的修复和再生都源于组织干细胞。我们已发表的文章表明：增强骨髓细胞的自噬有助于抵抗核辐射损伤、保护造血功能；本项目前期预研究结果提示：自噬对骨髓细胞的核辐射保护作用可能与STAT3 （信号转导与转录激活因子3）信号途径有关。本项目将在上述工作基础上，运用造血干细胞自噬基因敲除小鼠模型，1）研究自噬功能在造血干细胞中缺失时，自噬对造血干细胞核辐射损伤修复的作用，特别是对DNA双链断裂（DSB）损伤修复途径的作用，2）通过体内外干预STAT3的表达，判断造血干细胞自噬对DSB核辐射损伤修复的作用是否依赖于STAT3信号途径，3）探讨自噬如何调控STAT3信号通路从而发挥对造血干细胞的核辐射损伤保护作用。这一研究有助于我们更全面地了解造血干细胞核辐射损伤的修复机制，拓展核辐射防护的思路。

现代社会人类接触核辐射的机会越来越多，造血系统作为辐射敏感组织，造血干细胞（HSCs）损伤是核事故或暴露于中高剂量核辐射后死亡的主要原因之一。辐射诱发DNA损伤后，造血干细胞功能的维持依赖于DNA的修复能力。本项目主要研究内容：1）自噬抗造血干细胞DSB的核辐射损伤依赖于STAT3通路；2）自噬通过靶向KAP1激活STAT3以及转录调节BRCA1发挥核辐射保护作用；3）造血干细胞对非造血组织细胞的核辐射修复作用及机制；4）Beclin1蛋白的自噬非依赖性核辐射DNA损伤修复作用。.本项目取得的重要结果如下：.（1）自噬抗造血干细胞DSB的核辐射损伤依赖于STAT3通路。运用造血系统自噬基因缺失的小鼠模型Atg7f/f;Vav-iCre，发现造血干细胞的核辐射损伤修复能力依赖于自噬水平，并且自噬发挥抗辐射损伤的能力依赖于STAT3通路，激活自噬可诱导辐照后STAT3的磷酸化及核转位，而抑制STAT3后，自噬激活剂不能发挥作用，说明自噬对造血干细胞的保护作用依赖于STAT3通路。.（2）自噬通过靶向KAP1激活STAT3以及转录调节BRCA1发挥核辐射保护作用。运用野生型小鼠和自噬缺失的Atg7小鼠，发现转录抑制剂Kruppel相关锌指蛋白超家族成员KAP1的表达受自噬调控，Co-IP证实KAP1与STAT3有相互作用，说明了自噬靶向KAP1来激活STAT3。进一步发现激活的STAT3可转录调节核转录因子BRCA1发挥核辐射DNA损伤修复作用。.（3）造血干细胞通过转分化为肺组织细胞参与对非造血组织的核辐射损伤修复。造血干细胞在核辐射损伤时能通过细胞自噬启动保护机制，那么造血干细胞对于核辐射引起的其他组织器官损伤有没有修复作用及可能的机制是什么？运用谱系追踪及造血干细胞移植的方法证实造血干细胞部分通过转分化为肺组织细胞参与辐射受损肺组织的修复。.（4）Beclin1蛋白的自噬非依赖性核辐射DNA损伤修复作用。在对细胞自噬核辐射损伤修复机制的研究中，我们发现，传统的自噬关键蛋白Beclin1可通过非依赖自噬途径促进DNA放射损伤修复，主要机制为通过与核内DNA解旋酶TopIIb结合，发生核转位，籍此促进核辐射引起的DNA损伤修复。. 这些结果为放射防护提供了实验依据，在放射损伤的早期或预防期，可通过自噬激活剂提高机体的自噬水平以增强组织细胞的修复能力，减轻辐射所致损伤。