苯诱导p21基因异常表达在骨髓造血抑制中的作用及机制研究

Benzene is a typical hematopoietic toxic substance. Metabolic activation of benzene could cause oxidative stress and DNA damage. Meanwhile, long-term exposure to benzene may cause significant hematopoietic toxicity and lead to hematopoietic dysfunction. In our previous study of benzene-induced hematopoietic toxicity, we found that the transcription level of p21 gene, an important member of G1 / S check point in cell cycle, was significantly increased in mouse bone marrow hematopoietic stem cells. P21 gene is the main member of cell cycle G1 / S check point. It is closely related to cell cycle arrest, proliferation inhibition and senescence induced by DNA damage.This research aims to study whether DNA damage, generated by benzene exposure, will cause p21 activation to interference hematopoietic stem cell proliferation, and cause hematopoietic dysfunction through the signal pathways of cell cycle arrest. In this study, we intend to establish the p21 knock out mouse model to investigate the effect of p21 in benzene-induced hematopoietic depression. Using RNA-sequencing technology, the specific signal pathways of p21 involved in oxidative stress in benzene induced hematopoietic depression will be explored. The relationship between the expression of p21 and hematopoietic toxicity in workers exposed to benzene will be explored by occupational epidemiology. This study will provide a new scientific clue for the mechanism and biomarkers of hematopoietic toxicity induced by benzene.

苯的代谢产物可引起机体的氧化应激与遗传损伤，长期苯暴露可致明显的骨髓抑制。我们前期研究发现，小鼠苯中毒可引起骨髓造血干细胞产生大量活性氧，干细胞比例与造血功能均显著降低，更新与分化的信号通路发生变化，其中p21基因在造血干细胞持续异常高表达。p21基因是细胞周期G1/S检测点的主要成员，与DNA损伤引起的细胞周期阻滞、增殖抑制及衰老密切相关。本课题的科研假设为：苯暴露所致造血干细胞的遗传损伤可能诱导p21基因持续激活，细胞周期阻滞在G1期进行修复，当损伤不断积累，不能及时修复，则出现细胞G1期阻滞，抑制造血干细胞更新，导致骨髓造血抑制。本课题拟构建p21敲除小鼠模型探讨p21对苯的造血抑制作用的影响；应用RNA-seq技术研究p21的异常表达在苯造血抑制中的分子机制; 通过职业流行病学研究p21表达水平与苯暴露工人造血毒性的关系。本研究将为苯的造血毒性机制与生物标志研究提供新的科学线索。

p21基因是细胞周期G1/S检测点的主要成员，与DNA损伤引起的细胞周期阻滞、增殖抑制及衰老密切相关。本研究旨在研究p21基因异常表达在苯致骨髓造血抑制中的作用及机制。首先建立苯中毒小鼠模型，研究了苯对小鼠造血毒性及氧化损伤的影响， p21基因表达特征及与小鼠造血细胞DNA氧化损伤的相关性。研究结果显示随着染毒浓度增加，小鼠尿液中内暴露剂量指标S-PMA和氧化应激损伤指标8-OHdG水平逐渐升高，说明苯中毒小鼠体内氧化应激水平升高。苯中毒小鼠骨髓细胞p21,Caspase-3表达水平升高, let-7e-5p表达水平降低。let-7e-5p表达量与p21表达量和Caspase-3表达量均呈负相关。进而构建p21低表达小鼠模型，研究p21对造血细胞的DNA损伤和造血毒性的影响。结果显示p21低表达导致DNA双链断裂水平显著上升，在染毒停止后未完全修复。进而通过对小鼠骨髓细胞的转录组测序结果进行生物学分析，发现p21低表达引起细胞周期抑制基因低表达，同时苯暴露所致野生型小鼠p53介导的内源性凋亡途径的激活在p21低表达小鼠未染毒及染毒后均未被激活，提示有可能存在由于细胞周期检测点部分抑制, 细胞的增殖增加但伴随DNA损伤水平的上升。生物信息学预测发现let-7e-5p可能下调p21和Caspase-3 mRNA表达，即p21和Caspase-3为 let-7e-5p负性调节的靶基因。紧接着通过构建过表达let-7e-5p的K562细胞模型，研究let-7e-5p对p21表达的调控。结果发现，let-7e-5p过表达细胞中Caspase-3和p21表达水平降低。1,4-BQ染毒后，与对照细胞相比，let-7e-5p过表达细胞增殖率升高、let-7e-5p表达水平升高、p21和Caspase-3表达水平降低、凋亡率降低，同时G1期细胞比例下降，S期细胞比例升高。最后通过职业流行病学调查方法，发现苯暴露人群血常规指标异常、氧化应激水平升高、let-7e-5p表达量降低、p21和Caspase-3表达量升高。本研究提示，let-7e-5p, p21可能作为苯暴露氧化损伤及造血毒性的潜在生物标志物。研究结果可能为苯暴露致DNA双链断裂损伤提供新的生物标志物，进而为预防苯中毒的防护提供新的科学依据和技术手段。