细胞自噬调节造血干细胞静息状态的机理研究

最近Nature同期3篇文章报道，维持HSCs的静息状态，对维系骨髓长期造血能力有重要作用；破坏HSCs的静息状态，导致HSCs瞬时大量扩增，继而出现骨髓衰竭和广泛性造血功能障碍。申请者前期的研究中已经发现，在静息状态的HSCs中调节细胞自噬(autophagy)的关键途径活化，而抑制调节autophagy关键分子Ulk1则导致HSCs由静息状态转化为活化状态。进一步的研究发现，静息状态的HSCs中，autophagy活化，而wnt信号通路关闭。提示autophay可能通过调节wnt信号通路维系HSCs的静息状态。本项目拟利用HSCs静息状态的细胞模型，从分子、细胞到动物水平系统研究autophagy调节HSCs静息状态的机制，明确autophagy调节wnt信号通路的机理。探讨HSCs静息状态的调控和骨髓衰竭发生的关系，从而为骨髓衰竭所致的造血功能障碍的治疗提供新的靶点。

绝大多数造血干细胞（hematopoietic stem cells, HSCs)处于可逆的细胞周期阻滞状态，即静息状态（quiescence)。静息状态的HSCs具有独特的代谢方式，免除巨大的能量代谢负担，即使在营养缺乏的条件下仍然能够维持细胞的生存和保持功能状态。维持HSCs的静息状态对维持机体整个生命周期过程中有序、连续的造血能力至关重要。影响HSCs的静息状态可能加速HSCs衰老导致造血功能障碍或者促进HSCs转化为白血病干细胞。维持HSCs静息状态的因素包括HSCs所处的特殊微环境（niche）和细胞周期调节因子，后者作用更加显著。基因敲除动物模型证实，细胞自噬（autophagy)对维持HSCs静息状态起重要作用。但是，autophagy调节HSCs的细胞生物学和分子生物学机制还不十分清楚。本项目利用细胞生物学、分子生物学和分子遗传学技术，以造血干细胞系EML为模型，探讨细胞自噬维持造血干细胞静息状态的作用及其机制。首先我们在EML细胞系分离两个细胞亚群（LSKCD34-（CD34-）和LSKCD34+（CD34+）），两个亚群的比例相近。细胞周期特征和增殖特征分析发现，绝大部分CD34-处于G0期，即静息状态，而大部分CD34+细胞处于S/G2/M期，CD34-和CD34+两群细胞能够相互转化。RNA-seq分析发现，CD34-和CD34+细胞自噬相关基因的表达存在显著差异，CD34-细胞中自噬相关基因的表达显著高于CD34+细胞；相反，在CD34+细胞wnt信号通路相关基因的表达显著高于CD34-细胞。蛋白分析发现，CD34-细胞LC3的表达显著高于CD34+细胞。基因功能分析结果表明，抑制自噬相关基因的表达明显促进CD34-细胞向CD34+转化，而抑制wnt通路相关基因的表达能够维持CD34-保持静息状态。wnt信号通路抑制剂和细胞自噬激活剂被证实能够维持CD34-细胞的静息状态。进一步发现，wnt信号通路能够调节自噬相关基因的表达和自噬体的形成。本项目证实，造血干细胞存在wnt-细胞自噬-细胞静息调节信号通路，细胞自噬对维持造血干细胞静息状态有重要作用。