隐花色素在亚磁场细胞生物学效应中的功能研究

A magnetic field with magnetic induction of "0<｜B｜≤5μT" is defined as a hypomagnetic field. The environmental magnetic field of the "outer space" and the ground-based "magnetic shielding space" are hypomagnetic fields. It has been well established that the hypomagnetic field can affect the living organisms in many aspects. The negative effects of hypomagnetic field on the development of animal embryos, the integrity of genetic materials, and especially the functions of central nervous system cannot be neglected. Investigations on the biological effects of the hypomagnetic field are necessary for health protection and beneficial for the development of space medicine, and will advance our understandings on the mocecular mechanisms of the bio-magnetic effects which is still not clear so far. Accumulating evidence has indicated that cryptochrome, a blue-light receptor, is a potential bio-magnetic resonding molecule. However, the function of cryptochrome in the biological effects of hypomagnetic field has not been comprehensively studied and the molecular mechanism of the magnetoperceptive ability of cryptochrome has not been elucidated yet. Taking advantage of the hypomagnetic cell culture system in the applicant's lab, preliminary experiments show that the hypomagnetic field can stimulate the proliferation and reduce the level of intracelluar reactive oxygen species in human neuroblastoma cells (SH-SY5Y cell line); and that 2-day incubation in the hypomagnetic field represses the expression of cryptochrome. The proposed program aims to study the function of cryptochrome in the biological effect of hypomagnetic field on neuronal cells and to reveal the magnetoperception domain of the cryptochrome protein. Elucidating the molecular mechanism of the effect of the hypomagnetic field based on cryptochrome will theoretically provide a new perspective to the biomagnetic effect and practically boost the researches on the counteraction of the adverse impacts of the hypomagnetic fields.

磁场强度小于5μT的环境是亚磁环境。地外空间和地面磁屏蔽空间都是亚磁场环境。亚磁场对胚胎发育，遗传物质稳定性，特别是中枢神经系统的结构和功能具有不可忽视的负面影响。研究亚磁场的生物学效应，不仅有助于生物磁响应理论的发展，同时对于健康保护和航天医学的发展都是十分必要的。目前亚磁生物学效应的细胞和分子机制尚不清楚。隐花色素是可能的生物磁响应分子，但是它在亚磁生物学效应中的功能还不明确。申请人及其合作者已自主研发了一套亚磁细胞培养系统；并在前期实验中发现，亚磁场中神经母细胞瘤细胞的增殖加快、胞内活性氧水平降低，隐花色素的表达发生显著变化。申请人拟在前期工作的基础上，考察亚磁场对神经类细胞的作用，以及隐花色素在亚磁细胞生物学效应中的功能及其磁响应分子基础。本项目将对生物磁响应机制的学说提供实验证据和理论创新，并对亚磁场防护措施的开发提供有效的支持。

亚磁场（< 5 μT）对胚胎发育，遗传物质稳定性，特别是中枢神经系统的结构和功能具有不可忽视的负面影响。研究亚磁场的生物学效应，不仅有助于生物磁响应理论的发展，而且对于健康保护和航天医学的发展也十分必要。目前亚磁生物学效应的机制尚不清楚。隐花色素是可能的生物磁响应分子，但是它在亚磁生物学效应中的功能还不明确。本项目在细胞和动物水平，研究了生物体对亚磁场的响应，以及隐花色素在亚磁生物学效应中的功能及其磁响应分子基础。项目团队发现：（1）亚磁场可通过促进G1/S期的转换，加速人类神经母细胞瘤细胞的增殖；（2）亚磁场通过抑制actin骨架组装，导致神经母细胞的运动能力下降，并表现出相应的形态学变化；（3）神经母细胞氧化应激水平下降，胞内代谢效率增加；（4）亚磁场处理后，差异表达基因集中在大分子定位、蛋白转运，RNA剪切和脑功能等过程；鉴定并验证了17个亚磁场响应基因，其中包括了隐花色素基因CRY2，CRY2的表达在短期和长期亚磁场处理中都被显著抑制；（5）小鼠神经干细胞的生长和增殖在亚磁场中显著加快，并伴随CRY基因的表达下调。通过搭建亚磁动物实验平台，项目团队还发现：（1）亚磁场显著抑制小鼠的运动能力，增加痛觉敏感，干扰昼夜活动节律；（2）亚磁场能够降低肌肉细胞内的线粒体活力，并首次在动物细胞内证明线粒体是响应亚磁场的重要细胞器；（3）亚磁场对蝌蚪皮肤色素和运动强度产生影响，并观察到CRY基因的上调。本项目的科学意义和应用价值：（1）证明亚磁场对神经类细胞的增殖，运动和代谢具有显著的效应，亚磁场对运动能力的负面影响显著，亚磁场效应具有累积性和可逆性。因此，亚磁场可能给航天员的工作能力和身体健康带来负面影响，减少亚磁场曝露时间和模拟地磁场是可行的对抗措施。（2）CRY基因参与了细胞和动物对亚磁场的响应，但是亚磁场也干扰了很多CRY不直接参与的过程，如细胞骨架组装，氧化应激和能量代谢，当前结果尚不能明确CRY参与亚磁场效应的分子机制。线粒体在磁响应过程中的作用值得后续深入研究。（3）提示亚磁场具有潜在的应用前景。亚磁场对神经母细胞瘤细胞运动的抑制效益提示，亚磁场可能应用到肿瘤迁移的控制。亚磁场对神经干细胞的作用，提示亚磁场可能用于干细胞的大规模培养，项目团队已经将此技术申请了发明专利。