PC2在人成体干细胞衰老中的作用及其机制研究

The people all over the world have been or are being aging, while how to get a healthy aging world is still a social and scientific problem. Stem cell exhaustion is a hallmark of individual aging. PC2 is a member of CBX protein family, which are involved in PcGs-mediated gene silence and are regarded as important regulators of stem cell senescence and differentiation, but PC2 is rarely reported except on the pluripotency maintaining and senescence preventing in epithelial stem cells. Our recent preliminary data have shown that PC2 was down-regulated in the Werner syndrome (WS) mesenchymal stem cells（MSC）. In this project, we will generate isogenic PC2-null human embryonic stem cells (hESC) via the CRISPR-Cas9 mediated gene editing technique. PC2-/- hESC will then be differentiated to adult stem cells to investigate whether PC2 is a driver of the senescence of adult stem cells. RNA-seq, and proteomics methods will be used to study the underlying mechanism. Moreover, we will determine PC2 function in the WS stem cells. This is the first time to study PC2 function using isogenic PC2-null human stem cells, which will provide new potential targets for intervention of the aging process.

当前各国面临着衰老和人口老龄化的严峻挑战。成体干细胞的衰老是细胞衰老导致个体衰老的重要因素。PC2是组成PcGs复合物的CBX蛋白家族的重要成员，CBX家族成员被认为是细胞衰老和分化的重要调节者，但目前关于PC2对人成体干细胞衰老的影响报道极少，相关机制并不明确。初期实验数据表明PC2在成年早衰症的间充质干细胞中下调表达。本项目拟通过CRISPR-Cas9介导的基因编辑技术对人类胚胎干细胞的PC2进行特异性敲除，并将其进一步定向分化为成体干细胞，明确PC2下调是否为成体干细胞衰老的重要诱因，并利用RNA-seq，蛋白质组学等手段探索PC2调控成体干细胞衰老的相关机制，最后在成年早衰症及成体干细胞生理性衰老过程中验证该调控机制的重要性。该项目通过建立PC2敲除的成体干细胞研究PC2调控干细胞衰老的机制，将为认识和干预衰老提供重要的线索。

干细胞衰竭是衰老的一个重要特征。间充质干细胞（mesenchymal stem cell, MSC）是一类成体干细胞，具有分化为多种组织细胞的潜能，对于中胚层组织的再生和稳态维持具有重要作用。随着年龄的增长，间充质干细胞数目逐渐减少、功能衰退，伴随出现骨关节炎等衰老相关疾病。因此，研究间充质干细胞衰老机制对于预防及治疗衰老及衰老相关疾病具有重要意义。PC2是polycomb repressive complex 1（PRC1）的组成成分之一，通过表观修饰抑制基因表达，在细胞命运决定、胚胎发育等过程中发挥关键作用。目前人们对于PC2在人成体干细胞中的作用所知甚少。本项目旨在探索PC2调节人间充质干细胞衰老的作用及相关的分子机制，并将PC2用于衰老相关疾病的治疗中。首先利用CRISPR/Cas9介导的同源重组技术构建PC2缺失的人胚胎干细胞（embryonic stem cell, ESC），并将其定向诱导分化为人间充质干细胞及神经干细胞。PC2基因缺失的人间充质干细胞相较于野生型间充质干细胞表现出加速衰老的特征，而PC2缺失的人神经干细胞（neural stem cell, NSC）未表现出生长阻滞的特征。在机制方面，发现PC2并非通过其表观功能抵抗细胞衰老，而是通过参与核仁稳态维持发挥作用。PC2通过与核仁蛋白fibrillarin（FBL）及异染色质蛋白KAP1相互作用，维持核仁区rDNA异染色质状态，保障核仁结构及功能稳定，抑制过量的核糖体生物合成及蛋白质翻译，抵抗衰老进程中的压力，延缓人间充质干细胞的衰老。同时，PC2过表达能够挽救复制性衰老、成年早衰症（Werner syndrome, WS）、老年人的原代牙龈间充质干细胞的衰老表型。此外，在在体水平，向前交叉韧带损伤诱导的骨关节炎模型小鼠关节腔中过表达PC2，可以通过重塑关节间充质前体细胞、刺激关节组织原位再生改善关节区骨密度缺失、软骨损伤、细胞衰老、炎症反应等症状，为基于PC2的骨关节炎基因治疗奠定了基础。该研究结果对于深入理解PC2在人成体干细胞核仁稳态维持和衰老中的作用，以及探索衰老相关疾病干预策略具有重要意义。