金属富勒醇Gd@C82(OH)22纳米颗粒对乳腺癌细胞表观基因调控机制的研究

Current research of nanoparticles focus on elucidating their effects on the biological phenotype change and biological function alteration. The effects of nanoparticles on the post-translational modification of histones as well as their resulting effects on epigenetic message in chromosome are unclear. It is well known that the post-translational modification of histones and the bindings of chromatin DNA to histones are the most important key factors regulating epigenetic code and gene replication. If elucidating the insights of histone modification caused by nanoparticles, it will reveal the master factors involved in nanoparticles caused pathogenesis of diseases. Here, we proposed to develop a new approach to enrich the methylated and acetylated histones as well as the complex of histones and chromatin DNA from cell nucleus, and then utilize both proteomic and DNA microarray techniques to establish a new high-throughput method to reveal the change of histone modification as well as chromatin DNA methylation in human cells after exposure to nanoparticles. The findings from proposed studies will elucidate the effects of Gd-metallofullerenol Gd@C82(OH)22 nanomaterial exposure on the change of histone post-translational modification, bindings of chromatin DNA to methylated and acetylated histones as well as the chromatin DNA methylation, which are helpful information for predicting which master genes will be affected by the epigenetic alteration and their potential impact on inhibiting the Epithelial-Mesenchymal Transition (EMT) of human breast cancer cells. The proposed studies will provide deep insights regarding the molecular mechanism by which Gd-metallofullerenol Gd@C82(OH)22 nanomaterial inhibits human breast cancer growth.

至今有关纳米材料对健康影响的研究主要集中在对生物现象和功能变化机制的阐述, 至于纳米材料对载有遗传信息的染色体上的组蛋白共价修饰却鲜有报道。深入理解组蛋白共价修饰及其与染色体DNA结合是掌握表观遗传密码和基因复制的关键，如果深入到组蛋白共价修饰层面的研究，可以挖掘出纳米材料造成细胞性能变化的根本起源。在本课题中， 我们拟建立富集甲基化和乙酰化修饰的组蛋白及与组蛋白结合的染色体DNA的新方法，并且结合蛋白质组学和DNA微阵列发展一种新的高通量全方位分析表观基因变化及机制的综合检测分析方法。在本课题中，我们将用新发展的方法从表观遗传基因角度研究金属富勒醇Gd@C82(OH)22纳米颗粒如何改变乳腺癌细胞中组蛋白共价修饰，以及与组蛋白结合的染色体DNA种类和甲基化修饰程度的变化，探讨这些表观基因信息变化如何影响重要主导基因表达及对人体乳腺癌上皮细胞-间充质转化过程的抑制机制。

前期工作中发现金属富勒醇Gd@C82(OH)22纳米颗粒具有抗肿瘤功能。主要是通过调控关键基因TGF-β和HIF-1α的基因表达，从而抑制上皮细胞-间充质转化过程 (EMT，即上皮细胞通过特定程序转化为具有间质表型细胞的生物学过程)并消除肿瘤干细胞。本项目我们从表观基因调控影响的角度找出参与表观基因调控的组蛋白修饰以及金属富勒醇 Gd@C82(OH)22纳米颗粒对组蛋白甲基化和乙酰化的调控机制，以及这些变化对与人源肿瘤细胞EMT相关基因表达的影响。 本项目获得以下两项主要研究结果：..1.金属富勒醇Gd@C82(OH)22纳米颗粒对乳腺癌细胞组蛋白修饰的影响和基因调控的变化.我们首次证实了金属富勒醇Gd@C82(OH)22纳米颗粒会提高人源乳腺癌细胞组蛋白H3 乙酰化修饰，我们用 ChIP-seq 分析发现了多个转录因子会与乙酰化的H3组蛋白结合。我们又用 RNA-seq的方法进一步研究了组蛋白H3 乙酰化修饰对基因调控的影响。我们的结果确认了组蛋白H3 乙酰化修饰会调节与上皮细胞-间充质转化(EMT)有关的转录因子。同时，根据金属富勒醇Gd@C82(OH)22纳米颗粒会对乙酰化修饰酶和去乙酰化修饰酶调控的发现基础上，我们用细胞生物学实验证实那些乙酰化修饰酶和去乙酰化修饰酶会调控上述的转录因子。..2. 金属富勒醇Gd@C82(OH)22纳米颗粒对肿瘤微环境中成纤维细胞的调控作用，进而实现对肿瘤的笼囚作用.此外，我们研究了金属富勒醇Gd@C82(OH)22纳米颗粒对肿瘤微环境中成纤维细胞的调控作用，工作结果已以封面文章形式发表在国际杂志 Nanoscale。在此项工作中，我们发现了金属富勒醇Gd@C82(OH)22 纳米颗粒会导致PDGF受体-alpha（PDGFR-α）细胞内积聚和成纤维细胞形态改变， 进而实现对肿瘤的笼囚效果以达到抑癌作用。 我们的工作阐明了金属富勒醇Gd@C82(OH)22纳米颗粒与成纤维细胞相互作用的机制，并发现PDGFR-α是金属富勒醇Gd@C82(OH)22纳米颗粒调节成纤维细胞形态和功能变化的必需靶向分子。 ..本项目的科学意义在于首次阐明金属富勒醇Gd@C82(OH)22纳米颗粒抑癌作用的表观遗传调控机制，为今后进一步研究奠定基础和开拓新的方向。