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神经发育调控机理与疾病

        神经系统是动物机体最为复杂且最为重要的系统。庞大而复杂的神经网络控制着其它器官系统的正常功能。神经系统发育异常导致的神经疾病,如先天性智力低下、神经管缺陷、癫痫、老年性痴呆、帕金森病等是一大类威胁人类健康的常见疾病。我国是世界上人口出生缺陷的高发国家之一,普遍存在的神经系统出生缺陷性疾病给家庭和社会带来巨大的心理和经济负担。深入开展神经发育的机制研究以指导预防及治疗这类重大神经发育缺陷疾病,是我国经济和社会和谐发展的战略需求。
神经组织器官的发育机制是一个复杂而又远未解决的难题。神经系统的发育要经历神经诱导、图式形成、细胞命运决定及特化、神经细胞极性建立与迁移、神经环路形成等过程,最终形成一个高度复杂的有功能的神经调控网络。迄今为止,神经系统发育过程中这些关键问题或关键因子仍是我们研究的重点。同时,神经功能维持与调控过程中,神经环路的机制、神经元与胶质、血管的相互作用等也有待进一步阐明。我们的研究主要针对上述过程中发挥重要功能蛋白的作用机理,及神经分裂症、脆性X综合症和HRD综合症等相关疾病发生中的病理机制。

        神经发育过程中,神经元需要识别周围环境中的各种导向因子,从而生长到正确的位置。根据身体的轴向,神经生长导向可分为两种类型:背腹轴导向和前后轴导向。相对于背腹轴导向,目前对前后轴导向的分子机制了解相对较少。此前的研究表明Wnt信号通路参与了神经前后轴生长的调控,然而不同Wnt信号之间如何协同作用以及Wnt信号如何向下游分子精确传递等问题仍有待研究。黄勋实验室和丁梅实验室合作,以线虫头部的RME神经为模型,通过遗传筛选的方法,找到了一条保守的Wnt信号通路控制RME神经轴突前后轴的生长。这条通路包括:Wnt信号分子CWN-2,Frizzled受体CFZ-2和MIG-1,辅助受体CAM-1/Ror2,以及下游组分DSH-1/Dishevelled。在这一通路中,CWN-2作为局部的吸引因子引导轴突生长,并且其活性可以被其它Wnt分子替代。这一现象暗示空间分布可能是决定Wnts功能特异性的关键。研究还发现DSH-1与CAM-1之间可以相互结合,这表明CAM-1可能通过与DSH-1的直接结合来传递CWN-2/Wnt信号到下游。这一研究揭示了Wnt-Frz/Ror-Dsh信号通路对于神经前后轴生长导向具有重要的调控作用。论文发表在PLoS Genetics(2010, 6: e1001056 )。

        突触形成时,突触前、后结构起重要调节作用。张永清组的研究表明,神经肌肉突触清除时,突触后骨架蛋白Disc Large首先开始扩散并最终消失,同时突触后谷氨酸受体分布面积扩大。电镜结果显示突触后网状结构也发生空泡化并最终解聚。而突触前结构的拆装比突触后结构清除晚约1个小时,主要表现为突触前伪足样结构形成,突触囊泡的聚集和回运。组织特异性基因操作的分析结果表明,抑制突触后肌肉中蜕皮激素、细胞凋亡及蛋白酶体通路能同时延缓突触前后结构的清除,而抑制突触前运动神经元中蜕皮激素、细胞凋亡及蛋白酶体通路仅能部分延缓突触前结构的清除过程,而不能延缓突触后结构的清除。表明突触后结构对突触清除过程起关键作用。该研究揭示了突触清除的分子细胞机制,并建立了一个新的研究突触清除的模式体系,发表在Journal of Neuroscience(2010, 30: 11624-11634 )。

        精神分裂症(Schizophrenia)是一类遗传度较高的精神疾病,人群患病率为0.5-1.0 %。研究表明它可能是一种突触疾病,导致突触稳态失衡,但它的突触病理变化和突触传递异常的细节还不清楚。DTNBP1是精神分裂症主要的易感基因之一,编码Dysbindin蛋白。李巍组以Dysbindin突变的sdy小鼠为研究对象,通过透射电镜观察sdy小鼠海马CA1区不对称突触结构,发现突触小泡数量减少、体积变大等超微结构异常, 表明Dysbindin参与突触小泡(被认为属于一类溶酶体相关细胞器)的发生。
进一步用碳纤电极安培法,全细胞膜片钳等实验技术研究嗜铬细胞和海马神经元的胞吐现象,发现sdy细胞释放池减小、小泡释放动力学减慢。提示Dysbindin在突触小泡的发生、小泡递质释放的启动和融合等突触前多个环节中起重要调节作用。这项研究由中国科学院遗传发育所李巍实验室和北京大学分子医学中心周专实验室共同完成。论文发表在Journal of Cell Biology(2008, 18: 791-801)并被重点推荐,同时被Nature China列为中国神经科学领域Research Highlights报道(2008年7月2日)。

        Dysbindin缺失后引起的递质释放的效能的减低可能是精神分裂症认知与行为异常的原因。为了证实这一点,李巍组进一步利用sdy小鼠进行了较系统的认知与精神行为学分析,发现sdy小鼠表现为类似精神分裂症的社交退缩和认知缺陷的表型,提出sdy小鼠可作为研究精神分裂症的动物模型。同时在分子机制上,发现sdy小鼠的递质释放异常可能由于Dysbindin缺失后导致另一重要突触释放调节蛋白Snapin的减少有关。该论文发表在Schizophrenia Research(2008, 106: 218-228)。以上这些研究成果除确立了sdy小鼠作为精神分裂症研究的合适动物模型外,进一步在超微病理、电生理、行为学和分子机制等水平,支持DTNBP1基因作为精神分裂症的易感基因的学说,为下一步药物干预研究奠定重要基础。

        脆性X综合征(Fragile X syndrome, FRAX)是世界范围内最常见的单基因遗传性智力低下,其发病率约1/2500,男性较女性多见。其神经细胞的病理变化是神经突触生长过旺、神经突触传导增强。虽然早于1991年就克隆和鉴定了该疾病的致病基因,但其所编码的蛋白FMRP(Fragile X mental retardation protein)的结构和功能,以及因其缺失而导致的智力低下的机制目前还不清楚。张永清等利用所建立的果蝇FraX模型开展了系列研究。发现FMRP的一个互作蛋白Futch(Futch是一种微管结合蛋白)受FMRP的负调控,从而控制微管蛋白的结构与功能而影响神经元的发育与功能(Zhang et al., Cell, 2001)。这一假说的提出为微管蛋白的稳定性在FRAX的发病中的作用提供了新的思路。利用遗传筛选,张永清组鉴定出一系列果蝇dFMRP的点突变,而且主要分布在N端,这些突变影响神经轴突的发育论文发表在Journal of Neuroscience(2008, 28: 3221-3226)。

        最近,张永清组和湖北大学的金珊教授研究组的合作研究发现果蝇脆性X蛋白FMRP调控微管的网络形成。当缺失dFMR1时细胞核周围的微管变得更加密集,而细胞核之间的微管密度下降,并且微管网络破坏,呈无序缠结。而当过高表达dFMR1时细胞微管成束并相互平行。dFMR1还影响微管蛋白和乙酰化微管蛋白的表达量。利用遗传学方法筛选到dFMR1互作基因Spastin。Spastin是微管剪切蛋白,它的缺失在人类可以导致临床上常见的遗传性痉挛性截瘫。研究发现Spastin过表达可导致微管结构解聚。并且在神经系统中dFMR1与Spastin相互作用影响神经肌肉突触的形态发育。进一步研究还发现dFMR1影响轴突中线粒体的数目和运输。这些结果为脆性X的发病机理以及治疗药物的筛选提供了新的思路和靶点。论文发表在Human Molecular Genetics(2010, doi: 10.1093/hmg/ddq431)。

        张永清组以果蝇为模型,利用RNAi干扰技术在肌肉细胞中特异性敲减微管伴侣分子TBCE (Tubulin specific chaperone E )的表达后,微管网络明显减少,微管纤维弯曲且不交联。过高表达TBCE对微管的影响与RNAi敲减的结果正好相反,表现为微管网络更为致密,表明TBCE促进微管的组装。此外对神经肌肉突触的形态发育和神经传导的测试结果表明,TBCE对神经突触的结构和功能有明显影响。上述结果加深了对微管网络调控机制的认识,也增强了对微管的异常所致的遗传性疾病如HRD综合症的病理发生机制的理解。相关研究成果发表在Development (2009, 136: 1571-1581)。

 

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