人类成年早衰症模型的建立及其分子机制研究

Global population aging has posed an increasingly serious issue in China and all over the world. Undoubtedly, study of human aging is becoming a hot spot in scientific research filed. Due to the limitation of the animal model, it is not suitable for us to study the human ageing and further transfer the data derived from it into clinical practice. Therefore, a novel human ageing disease model is demanded to generate. Human Werner Syndrome (WS) is one of the premature aging syndromes caused by WRN gene mutations, resulting in the dysfunction of the multiple organ systems with the features of normal aging. The purpose of this proposal is to establish a new human aging model of WS syndromes based on gene editing and directed differentiation of human embryonic stem cell (hESC). Firstly, we propose to generate hESC carrying WRN mutations (WS-ESC) using a Helper-dependent adenoviral vector (HDAdV)-based gene editing methodology. Secondly, WS-ESC will be differentiated into multiple cell lineages to develop reliable platform allowing mimicking the normal aging process in multiple organs. Finally, the global changes in the epigenetics, gene expressions, cell signaling pathways, metabolite profiling and cell organelles will be analyzed to demonstrate the mechanism underlying the human aging. This project will provide new mechanistic insights into human aging and explore the potential molecular targets and strategies for ageing therapy.

人口老龄化是中国乃至世界日益严峻的社会问题，衰老及相关疾病已成为国内外科研领域急需突破的热点问题。模式生物的局限性使之无法满足人类衰老基础研究及临床转化的需求，新的人类衰老研究模型亟待产生。成年早衰症（WS）是人类早衰类遗传疾病，以此为研究对象，结合人胚胎干细胞（hESC）技术、基因组靶向修饰和定向分化技术，将为研究人类正常衰老机理提供更真实的疾病模型和重要的突破口。本项目拟利用非整合腺病毒载体介导的靶向基因修饰产生携带WS相关突变的hESC，经过体外定向分化衍生出受WS累及的多种成体干细胞与终末细胞，构建早衰症模型以模拟人类自然衰老及相关疾病的进程。利用基因组学、表观遗传组学、蛋白组学和代谢组学等手段，从关键基因、信号通路、代谢及细胞器等多层次、多视角、立体式构建人类衰老的分子网络与遗传机制。该项目的开展为探索人类衰老的奥秘提供新的线索与思路，为预防和治疗衰老相关疾病提供新的靶点和策略。

成年早衰症（WS）是一种典型的早衰疾病，它是由WRN基因突变导致蛋白缺失所致。利用基因编辑技术，我们获得的了WRN缺失的人胚胎干细胞（ESCs），并通过定向分化技术获得了WRN缺失的间充质干细胞（MSCs）用来模拟WS的发生。WRN缺失的MSC表现出典型的早衰细胞的表征，包括异染色质标记物H3K9me3的丢失以及异染色质的结构重排。进一步的分子机制研究表明：WRN可以同异染色质蛋白SUV39H1、HP1α和核纤层异染色质锚定蛋白LAP2β发生互作，共同维持异染色质的稳态；而SUV39H1失活的MSCs表现出与WRN缺失MSCs相似的早衰细胞特征。WS细胞模型的建立，证实了异染色质的失序是衰老发生的驱动力之一。基于WS-MSCs模型进行的药物筛选发现维生素C（VC）可以有效缓解WRN缺失导致的MSCs加速衰老的表征。此外，我们还得到了LMNA杂合突变的和纯合突变的人间充质干细胞用来模拟自然条件下发生的以及人工诱导加剧的儿童早衰症（HGPS），基于HGPS和WS-MSCs进行的抗衰老天然化合物小分子筛选证实槲皮素（Quercetin）可以延缓这两种早衰症MSCs模型的衰老。综上，我们成功建立了WS以及HGPS两种早衰症的人间充质干细胞模型并对两种早衰模型衰老发生的分子机制和早衰表征进行了比较分析，为两种早衰症病理机制的研究提供了新的方向；同时，WS和HGPS-MSCs作为药物筛选的平台，将为早衰以及衰老相关疾病的防治提供研究基础。