不同LET射线辐照后肿瘤干细胞的DNA双链断裂动态修复规律及其全基因组5hmC调控机理

Radiation therapy is an important application of nuclear technology in medicine. About 70% of cancer patients in China receive radiotherapy. The essence of tumor recurrence and metastasis after radiotherapy is the existence of the radiation-resistant tumor cells and their subsequent proliferation. Since only cancer stem-like cells (CSCs) in tumor have the ability of tumor initiating, it is of fundamental importance to study the mechanism of radiation resistance of CSCs. Based on our researches in past decade, this project intends to study the DNA repair dynamics under different LET irradiation in both CSCs and its counterpart non-stem cancer cells (NSCCs). It was supposed to describe the dynamics with the production, volume, fluorescence intensity and migration of each 53BP1 focus after γ, α, proton and carbon ion irradiation. Quantitatively elucidating the DSB repair dynamics may have profound impact on optimizing the dose deliver strategy in clinic radiotherapy. Furthermore, compared with NSCCs, we suppose to shed light on the up-regulated and down-regulated genes specifically expressed in irradiated and unirradiated CSCs, via 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) genome-wide sequencing and bioinformatics analysis. The specific gene expression profiling of CSCs may not only help us to understand the intrinsic radiation-resistant mechanism of CSCs, but also provide potential new targets of tumor radio-resistance.

放疗是核技术在医学中的重要应用，在我国约有70%的肿瘤患者接受放疗。放疗后肿瘤复发转移的本质是耐辐射肿瘤细胞的辐射抗性及其随后的增殖。由于肿瘤中只有肿瘤干细胞才有单独在体内形成肿瘤的能力，因此研究肿瘤干细胞的耐辐射机理，具有重要的科学意义和实践价值。本项目拟在多年的研究基础上，基于同一单克隆来源、内源稳定表达DNA双链断裂（DSB）荧光标记的肿瘤干细胞和肿瘤细胞，通过在线、离线辐照和活细胞原位三维成像，研究肿瘤干细胞在受γ、α、质子和碳离子辐照后DSB随时序的动态修复过程，定量阐明DSB修复的动态规律，为优化不同LET放疗剂量分割策略提供新的参考；基于5hmC全基因组测序，通过生物信息学分析，获得细胞受不同LET辐照前后5hmC的分布特征及其上调和下调的基因信息，探索肿瘤干细胞固有的耐辐射分子机理和应激响应的调控机理，为克服肿瘤干细胞的辐射抗性提供新的靶点参考。

项目背景：.放疗是核技术在医学中的重要应用，在我国约有70%的肿瘤患者接受放疗。放疗后肿瘤复发转移的本质是耐辐射肿瘤细胞的辐射抗性及其随后的增殖。由于肿瘤中只有肿瘤干细胞才有单独在体内形成肿瘤的能力，因此研究肿瘤干细胞的耐辐射机理，具有重要的科学意义和实践价值。..主要研究内容：.本项目在多年的研究基础上，基于同一单克隆来源、内源稳定表达DNA双链断裂（DSB）荧光标记的肿瘤干细胞和肿瘤细胞，通过在线、离线辐照和活细胞原位三维成像，研究了肿瘤干细胞在受γ、α和质子辐照后DSB随时序的动态修复过程，定量阐明DSB修复的动态规律，为优化不同LET放疗剂量分割策略提供新的参考；基于生物信息学分析，探讨了肿瘤干细胞和肿瘤细胞5hmC的不同特征；开发了不依赖于测序的5hmC DNA的高灵敏度电化学生物传感检测体系；进一步在全球首次完成了10^9 Gy/s超高剂量率FLASH辐照乏氧/常氧条件下正常细胞、癌细胞和癌干细胞杀伤效应的前期基础研究...重要结果：.1).搭建和改进了在线低LET的γ射线辐照系统和在线高LET的α粒子辐照系统。.2).肿瘤干细胞和肿瘤细胞受低LET γ射线辐照前后，53BP1焦点的产生及其体积、荧光强度和迁移随时序的动态变化规律。.3).肿瘤干细胞和肿瘤细胞受高LET质子射线辐照前后，53BP1焦点的产生及其体积、荧光强度和迁移随时序的动态变化规律。.4).基于DNA损伤规律，构建了靶向α核素肿瘤治疗药物体外筛选模型；.5).开发了不依赖于测序的5hmC DNA的高灵敏度电化学生物传感检测体系；.6).对比了肿瘤干细胞和肿瘤细胞特有的5hmC全基因组分布特征及其上调和下调的基因信息。.7).对比了肿瘤干细胞和肿瘤细胞应激辐射响应的5hmC全基因组分布特征及其上调和下调的基因信息。.8).研究了肿瘤干细胞和肿瘤细胞在高LET质子Flash辐照下的不同死亡方式及其可能的生物学机理；