极端环境下卤虫异染色质调控胚胎休眠及细胞静息机制

Animal adapts environments with many mechanism, Artemia of crustacean has evolved to produce the diapause embryos during long period that can survive in harsh such as high salinity, low temperature and hypoxia. Cell quiescence, arrest of metabolism and development are critical for diapsuse embryos formation. In our previous studies, we have elucidated that the signaling pathways ofAMPK, p90RSK, PLK1, Larp and p8 plays important roles during diapaus embryo formation, more important, we found that then nucleic protein (ArDEK) and Histon methylation enzyme (ArSETD) control heterochromatin formation and signaling pathways above that is key pathway in determine of the formation of diapause embryos and cell quiescence. Based on the results, we will first characterize the heterochromatin structure in the cells of diapause embryo of Artemia in this investigation. Furthermore, we will analyze the function of amplifications of histone proteins and nucleic proteins on the formation of heterochromatin and the regulation of whole transcription in the quiescent cells. The study will elucidate the mechanism of the regulation of heterochromatin formation in diapause embryos and cell quiescence. The cell quiescence is complex and universal in all organism, but not clear up to date that is difficulty and hot point in the field of cell biology. The Artemia system provides an excellent model system in which to study the molecular mechanisms of cell cycle arrest in cell dormancy and quiescence. Our study in this project will demonstrate the adaptation mechanism of animal to extreme environments and the results will be also important for elucidate the molecular mechanism of regulation of cell quiescence on the study of quiescence mechanism of human somatic stem cell.

动物对环境有多样的适应机制，甲壳类的卤虫经长期进化形成的休眠胚胎可使其在高盐、低温及缺氧等条件下生存。在此过程中细胞静息、代谢及发育停滞等是休眠胚胎形成的关键。我们的前期研究明确了AMPK，p90RSK，PLK1，Larp及p8等在休眠胚胎形成过程中调控的分子途径及功能，重要的是发现了核蛋白（ArDEK）及组蛋白甲基化酶（ArSETD）调控异染色质形成及上述各分子通路，是决定胚胎休眠及细胞静息的关键途径，为本项目奠定了重要基础。本项目通过休眠胚胎细胞中异染色质结构的基本特征，组蛋白修饰及细胞核蛋白对异染色质形成的作用及其在静息细胞整体基因转录调控的研究，明确异染色质形成的调控分子机制并揭示卤虫胚胎休眠及细胞静息机制。细胞静息在各种生物中普遍存在，其机制复杂且尚未被阐明，是当前研究的难点和热点问题。本项目不仅在揭示动物对极端环境适应机制上而且对研究人组织干细胞静息机制上有重要的意义。

生活在高山盐湖中的卤虫经长期适应与进化形成了在极端恶劣环境下能够产生长期滞育的休眠胚胎特殊生命过程。干细胞在卤虫胚胎滞育过程中处于休眠状态，在适宜的环境条件下被激活，并重新启动胚胎发育。本项目以卤虫为研究模型，聚焦休眠干细胞的调控机制及生物学功能，开展了卤虫胚胎滞育过程中休眠干细胞染色质结构特征及异染色质形成机制；异染色质结构调控休眠干细胞的信号通路及分子机制；干细胞休眠与激活调控从无脊椎动物的卤虫到哺乳动物的小鼠的进化保守机制的研究。我们在卤虫休眠胚胎中筛选获得了调控干细胞休眠与激活的相关基因，发现了SETD4通过组蛋白H4K20me3甲基化修饰，促进异染色质的形成，表观遗传调控胚胎干细胞进入休眠态，从而决定了卤虫滞育胚胎的形成。并且发现了DEK通过与染色质结合，促进异染色质向常染色质结构的转变，表观调控休眠胚胎干细胞的激活，从而决定了滞育胚胎的激活并重新启动了卤虫胚胎的发育。在卤虫研究的基础上，发现了由SETD4同样调控人及小鼠肿瘤干细胞的休眠，它们能够抵抗放化疗及免疫治疗，并在术后被激活并引起肿瘤的复发和转移。我们利用DEK激活休眠肿瘤干细胞，并与放化疗相结合清除了小鼠体内肿瘤中的休眠肿瘤干细胞，实现了恶性乳腺癌无复发和无转移的完全治愈。我们构建了休眠干细胞报告、谱系示踪及SETD4和DEK条件性敲除和过表达的转基因小鼠，在脑及小肠组织中发现了由SETD4标记的休眠干细胞胚胎发育、稳态维持和损伤修复过程中起重要的生物学功能。本项目的研究明确了由SETD4和DEK决定了染色质结构并通过MCY、Notch、TGFβ、Wnt、BMP、P53及BMI1等分子信号通路表观遗传调控干细胞休眠与激活的分子机制并明确了其进化保守特征，突破了休眠干细胞在标记、谱系示踪及休眠与激活调控上的研究瓶颈。研究成果在动物休眠干细胞对极端环境适应机制以及再生医学及恶性肿瘤的临床治疗上有重要的意义。