Twist-1在造血干细胞衰老中的作用及作用机制研究

Transcription factor Twist-1 plays essential roles in specification and differentiation of mesoderm-derived tissues. However, the role of Twist-1 in hematopoietic stem cell (HSC) remains largely uncharacterized. While carrying out the project supported by the last National Natural Science Foundation of China, we found that that Twist-1 was involved in the regulation of normal HSC functional activity. Further evidence indicates that Twist-1 may function as an inhibitor of HSC senescence. By using Twist-1 conditional knockout mice, we plan to conduct the following investigations to elucidate the role of Twist-1 in HSC aging and its mechanism. 1. Examinate the phenotype, functional activity, markers and related genes of aging in hematopoietic system and HSC under steady state, after transplantation and undergone stress, respectively; 2. Evaluate the impact of Twist-1 knockout on the resistance of hematopoietic system to replicative and oxidative stress; 3. Investigate the genes and pathways mediated the function of Twist-1 in HSC senescence. The accomplishment of this project may provide new clues for elucidating the mechanism underlying the regulation of HSC aging, and lay a foundation for finding efficacious prophylaxis and therapy for aging-related diseases.

Twist-1是中胚层发育必需的重要转录因子，但在正常造血中的作用尚无报道。我们在进行上一个国家自然基金课题时首次发现Twist-1参与正常造血干细胞（HSC）的维持及调控。进一步的预实验证据显示Twist-1可能与HSC衰老密切相关。本课题在前期发现的基础上，拟利用Twist-1条件敲除鼠模型，通过如下研究阐明Twist-1在HSC衰老中的作用及作用机制：1.检测敲除鼠稳态、移植后及应激损伤状态下造血系统以及HSC表型、功能、衰老相关标志及衰老相关基因、通路变化；2. 了解Twist-1敲除对小鼠造血系统应激损伤耐受力的影响；3. 找出介导Twist-1作用的已知衰老相关基因、通路，发现并鉴定新的衰老相关基因。对上述问题的探索，将有助于揭示HSC衰老的调控机制，对预防和治疗因HSC衰老引发的疾病有重要的理论意义和应用前景。

造血干细胞（HSC）是存在于造血组织的，具有自我更新、多向分化与重建造血潜能及损伤后自我修复能力的成体干细胞，其调控机制尚未完全阐明。Twist1是中胚层发育必需的重要转录因子，高表达于HSC，但其在HSC中的作用研究尚少。本项目利用造血系统特异性Twist1条件敲除鼠模型，探索Twist1在HSC稳态维持和遗传毒性应激情况下的作用及作用机制。发现，稳态造血情况下，Twist1缺失导致HSC数目减少，自我更新能力下降，静息态比例下降，造血系统向髓系偏移。在遗传毒性应激（γ射线照射，化疗药物5-FU）作用下，Twist1缺失导致更严重的骨髓造血干、祖细胞数目减少，HSC重建能力、自我更新能力、静息态比例、DNA损伤修复能力均下降，HSC出现典型的衰老表型。表明，Twist1是维持稳态HSC数目及功能的核心因子；在遗传毒性应激刺激下，Twist1不仅参与维持干细胞数目和功能，也是HSC修复DNA损伤，抵抗应激导致的衰老所必需的。机制探索发现，稳态和应激情况下，Twist1缺失均可导致HSC线粒体数量增多，线粒体膜潜能增强，葡萄糖的吸收以及HSC内ATP水平显著增加，ROS水平显著升高。ROS清除剂NAC能逆转稳态和应激条件下Twist1缺失导致的HSC数目减少，使HSC恢复静息，提高应激反应能力。上述结果提示，Twist1在HSC线粒体能量代谢过程中起重要作用，并且通过调控能量代谢，降低ROS水平，维持HSC在稳态和应激状态下的数目和功能。本研究阐释了调控HSC稳态维持和损伤再生的内在新机制，发现了新的关键调控分子Twist1，为深入揭示HSC生物学，以及HSC损伤再生策略的研究提供重要的理论基础。