锌指蛋白Zscan4在衰老相关分泌表型发生发展中的作用与机制研究

Under DNA damage and other stress conditions, cells enter senescence passively and secrete numerous soluble factors that profoundly alter the surrounding microenvironment and induce multiple pathologies, such a cellular property is termed senescence-associated secretory phenotype (SASP). So far, there are several studies documenting the cytoplasmic molecules and nuclear factors that are functionally linked with SASP development. However, a thorough understanding of the persistent DNA damage signaling that triggers cellular senescence and the SASP as a critical prerequisite, is still lacking. Our recent data indicated that DNA damage generated by chemotherapy and radiation, the mainstay of current anticancer regimens, can significantly upregulate the expression of Zscan4 in human fibroblasts. Preliminary assays suggest that Zscan4 is likely implicated in SASP development upon genotoxic treatments, whereby it plays a key role in promoting such a senescence-associated feature. We raise a series of scientific questions based on previous findings and propose a central hypothesis regarding the correlation between Zscan4 and the SASP. Taking advantage of the fibroblast cells as an optimized model for senescence biology studies, we aim to elucidate the positive feedback loop that is formed by Zscan4-involved telomeric DNA repair and genomic maintenance activities, and uncover novel therapeutic targets associated with SASP progression. Our project will provide insightful clues that allow to appreciate and assess biological mechanisms underlying SASP development, and open new avenues to design advanced targeting strategies for cellular senescence thereby preventing aging-related pathologies.

在DNA损伤等胁迫条件下，细胞以被动方式进入衰老状态并长期分泌大量可溶因子，深刻改变周围环境、成为引发多种疾病的诱因，这一特征被称为衰老相关分泌表型(SASP)。与SASP发生发展有关的胞内蛋白与核内分子，学界已有陆续报道。衰老细胞持续性DDR信号的建立是SASP形成的基础，然而其相关分子机制至今不明。我们近期发现临床常规放化疗等处理方式造成的DNA损伤使得成纤维细胞中锌指蛋白Zscan4表达显著上调，并可能在SASP发生发展的过程中发挥重要作用。我们从前期研究中凝练问题，提出有关Zscan4同SASP密切关联的科学假说。以成纤维细胞为研究模型，我们阐释Zscan4参与修复端粒DNA损伤过程中的正向反馈信号通路，揭示与SASP相关的新型靶标并探讨对其进行特异性控制的可行性。本项目将为深入洞悉SASP发生发展的生物学机制，开创针对细胞衰老及其相关疾病的靶向策略，提供重要科学线索与理论依据。

细胞衰老是指细胞周期进入停滞的一种稳定状态，此时细胞对促有丝分裂等信号不敏感，通常由DNA损伤所引起。衰老细胞的显微形态和代谢活性均发生深刻变化，染色质出现空间重构，基因表达改变，并呈现一种称为衰老相关分泌表型(SASP)的促炎性表型。尽管衰老可能作为避免受损细胞恶性转化的一种机制进化而来，但衰老细胞在组织微环境中的连续积累会导致许多增龄相关病变，包括癌症、骨质疏松、动脉粥样硬化和多种炎症性疾病。作为一种细胞非自主性反应，SASP最终促成持续活化的肿瘤微环境，赋予癌细胞以显著耐药性，但临床中缺乏可以精确靶向SASP并将其阻滞在发展阶段的有效靶点。我们的研究表明，相比于临床常用的非基因毒药物如长春碱、紫杉烷类，直接或者间接性导致DNA损伤的各类烷化剂、铂类等化疗药物或者基于γ射线的放疗方式，可以在造成细胞衰老的同时，高频激发细胞的SASP表型。DNA损伤性药物导致细胞衰老，而基质细胞表达谱中居于第一位的Zscan4具有介导急性胁迫反应ASAP向SASP过渡并逐渐放大的关键作用。在实体瘤患者中，化疗后阶段病灶组织内Zscan4显著上调，且集中体现于腺体周边的基质细胞。Zscan4在组织中的表达水平越高，临床患者预后越差。进一步的研究发现在急性阶段发生活化的TAK1可以在胞质中激活p38，后者通过 PI3K/Akt/mTOR信号通路，激活IL-1α/NF-kB这一前馈环，进而使SASP炎症反应进一步级联放大。我们在随后的研究中基于移植瘤和转基因小鼠模型，建立了化疗药物和SASP抑制剂构成的组合式治疗方案，后者有效引起肿瘤消退。相比于以往报道的各种SASP药物如SB203580和rapamycin，我们发现TAK1抑制剂5Z-7-OX（小分子化合物）提供的治疗效果更加显著，且能延长荷瘤小鼠的有效生存期。该项研究提供了促进临床肿瘤学实现精准化和个性化的新方案，并为机体衰老及衰老相关疾病的防治开辟了重要的靶标和崭新的思路。在本项目支持下，研究组共发表SCI论文11篇，完成英文专著4部，申请技术发明专利17项，培养研究生9名，其中4名已获得学位并圆满毕业。