微囊藻毒素长期低剂量暴露引起小鼠学习记忆能力减退的分子机制探讨

Microcystins (MCs) are natural toxins produced by cyanobacteria which are harmful to human health. Our laboratory have carried out research on the organ toxicity of MCs for many years, and we recently found that chronic exposure to MCs can induce loss of learning and memory ability in mice, which may be attributed to destruction of the tight junction between brain microvessel endothelial cells, resulting in destruction of blood-brain barrier and thus MCs can enter into the brain tissue and exert toxic effects on hippocampal neurons. In this study, we will carry out following researchs based on our previous work: ❶ To examine distribution and accumulation of MC-LR in mice hippocampal and its neurons using immunohistochemical, immunoblotting, and immunofluorescence co-localization analyses; ❷ Establishing mice model of MC-LR-induced learning and memory deficits to investigate whether destruction of blood-brain barrier caused by MC-LR and impairment of hippocampal tissue induced learning and memory deficits in mice; ❸ Establishing MC-LR-infected human brain microvessel endothelial cells model, and exploring the molecular mechanism of MC-LR-induced destruction of tight junction; ❹ Establishing MC-LR-infected hippocampal neurons model, and to explore the molecular mechanism of MC-LR-induced impairment of hippocampal neurons. Learning and memory impairment is an important clinical feature of neurodegenerative diseases, for example, Alzheimer's disease. This study is of great significance for investigating the environmental trigger of neurodegenerative diseases.

微囊藻毒素（MCs）是淡水蓝藻产生的天然毒素，严重危害人类健康。本实验室长期开展MCs器官毒理研究，近期发现MCs可致小鼠学习记忆能力减退，其作用可能是通过破坏血脑屏障-紧密连接结构、经血液进入脑组织、损伤海马神经元实现。本项目拟在前期工作基础上开展以下研究：❶采用免疫组化、免疫印迹及免疫共定位技术确认MC-LR在小鼠海马及其神经元的分布和累积；❷建立MC-LR引起小鼠学习记忆能力减退的动物模型，确认MC-LR引起小鼠血-脑屏障结构破坏及海马组织损伤与其学习记忆能力减退间的关系；❸建立MC-LR染毒人脑毛细血管内皮细胞模型，探明MC-LR引起血管内皮细胞间紧密连接破坏的分子机制；❹建立MC-LR染毒海马神经元细胞模型，探明MC-LR损伤海马神经元致小鼠学习记忆能力减退的分子机制。学习记忆能力减退是阿尔茨海默病等神经系统退行性疾病的重要临床特征，本研究对于揭示该类疾病的环境诱因具有重要意义。

微囊藻毒素（MCs）是淡水蓝藻产生的一类单环七肽天然毒素，广泛分布于淡水水域，具有多器官毒性，已被世界卫生组织（WHO）确定为国际性健康危险因素。本课题组前期研究发现MC-LR可导致小鼠学习记忆能力减退，猜测其作用可能是通过破坏血-脑屏障紧密连接结构、经血液进入脑组织、损伤海马神经元实现。本项目在前期工作基础上开展了以下研究：❶研究MC-LR在小鼠海马及其神经元的分布和累积；❷确认MC-LR引起小鼠血-脑屏障结构破坏及海马组织损伤与其学习记忆能力减退间的关系；❸揭示MC-LR引起血管内皮细胞间紧密连接破坏的分子机制；❹揭示MC-LR损伤海马神经元致小鼠学习记忆能力减退的分子机制。研究表明，MC-LR染毒动物后可进入小鼠海马神经元，损伤小鼠认知能力，使小鼠学习记忆能力显著下降。进一步机制研究发现，MC-LR 可进入脑组织血管内皮细胞，诱导转录因子 NF-κB、c-Jun 和 c-Fos 表达，进而促进 MMP-8异常高表达，MMP-8可降解内皮细胞间紧密连接蛋白 Occludin，导致紧密连接出现断裂，从而破坏血-脑屏障结构，使MC-LR得以进入海马组织并进入神经元；进入海马神经元的MC-LR 能够抑制脑源性神经营养因子BDNF及其受体TrkB的表达，促进神经元凋亡；MC-LR还能够调控Drp1和Mff的表达，使神经元中的线粒体融合、分裂异常，从而引起线粒体碎片化和功能紊乱；更重要的是，MC-LR还能够引起神经元中的淀粉样蛋白沉积增加以及tau蛋白的过度磷酸化，产生阿尔茨海默病样病理改变，最终导致小鼠学习和记忆能力下降。以上研究成果以学术论文形式发表于Environmental Health Perspectives、Journal of Hazardous Materials、Science of The Total Environment等高水平期刊7篇。学习记忆能力减退是阿尔茨海默病 (老年性痴呆)等神经系统退行性疾病的重要临床特征，目前该类疾病在老年人群中发病率逐年升高，已成为影响人类健康水平和生活质量的重大社会问题，本研究对于揭示该类疾病的环境诱因，保障人类健康具有重要意义。