D-丝氨酸代谢在砷致学习记忆损伤中的作用及其机制研究

Environmental arsenic exposure can seriously damage the children`s intelligent development, but the toxicological mechanisms involved remains poorly understood. In our previous study of cytotoxicity suggested that arsenite might indirectly interfere the protein expression of N-methyl-D-aspartate receptor (NMDAR) and calmodulin-dependent protein kinaseⅡ( CaMKⅡ) through affecting the secretion of D-serine from astrocytes, in our previous study of animal toxicity examination suggested that arsenite could affect the levels of serine racemase (SR) and D-amino acid oxidase (DAAO) in the hippocampus of offspring mice at early developmental stages and may further impair the D-serine metabolism, NMDAR-CaMKⅡsignaling pathway plays an important role in the formation of learning and memory, and D-serine is the importantly upper factor of this signaling pathway, the abnormal D-serine metabolism might be the initial target site of mental injury induced by arsenite. In the present study, animal toxicity and cytotoxicity examination will be used and the technologies of electrophysiology, the main aim of this study is to explore the effects and mechanism of D-serine metabolism in the learning and memory dysfunction induced by arsenite through the administration and incubationof D-serine metabolism related enzyme inhibitors, and the results of the present study might provide scientific reference for the clarification of the initial target site and the definite mechanism of the learning and memory dysfunction induced by arsenite.

环境砷暴露严重损害儿童的智力发育，但其机制目前尚未阐明。我们前期的细胞毒理研究提示，砷可能通过影响星形胶质细胞对D-丝氨酸的分泌，间接干扰神经元内N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）和钙调蛋白激酶Ⅱ（CaMKⅡ）的表达，动物毒理实验研究提示，砷能够引起发育早期仔鼠海马中丝氨酸消旋酶(SR)和D-氨基酸氧化酶(DAAO)水平的改变，影响了D-丝氨酸代谢，NMDAR-CaMKⅡ在学习记忆中起关键作用，而D-丝氨酸是该信号通路的重要上游因子，D-丝氨酸代谢异常很可能是砷智力损伤的初始靶作用点。本研究拟通过动物和细胞毒理实验研究方法，通过给予D-丝氨酸代谢相关酶抑制剂对D-丝氨酸代谢进行干预探讨D-丝氨酸代谢在砷暴露所致学习记忆损伤中的作用及其机制，为揭示砷智力损伤的初始靶作用位点和阐明砷影响学习记忆损伤的确切机制提供科学的参考数据。

环境砷暴露严重损害儿童的智力发育，但其机制目前尚未阐明。本研究通过动物和细胞毒理实验研究方法，通过给予D-丝氨酸代谢相关酶抑制剂对D-丝氨酸代谢进行干预探讨D-丝氨酸代谢在砷暴露所致学习记忆损伤中的作用及其机制, 为揭示砷智力损伤的初始靶作用位点和阐明砷影响学习记忆损伤的确切机制提供科学的参考数据。本研究中动物实验发现，砷暴露组仔鼠在Y迷宫实验中交替反应率明显下降，砷暴露可使仔鼠海马神经细胞形态发生改变，降低突触标记蛋白突触素（SYP）的水平，给予CBIO（D-丝氨酸氧化酶DAAO的抑制剂）干预后交替反应率明显升高，神经细胞形态有所改善，SYP水平升高，提示砷暴露可影响仔鼠学习和记忆能力，而CBIO可以改善学习记忆能力损伤；砷暴露会降低仔鼠海马D-丝氨酸和L-丝氨酸水平，以及可以使其代谢酶D-氨基酸氧化酶（DAAO）水平明显升高，丝氨酸消旋酶（SR）水平明显降低，从而可能会影响D-丝氨酸代谢；而给予CBIO干预后仔鼠海马D-丝氨酸水平明显升高，DAAO水平明显下降，表明CBIO调节了D-丝氨酸代谢从而改善学习记忆损伤；砷暴露可引起仔鼠海马N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)亚基水平的改变，其中以NR1水平改变为主，CBIO干预可能通过影响D-丝氨酸代谢而改善砷暴露所致的仔鼠学习记忆功能损害。本研究中细胞实验发现，砷暴露可引起星形胶质细胞（AST）细胞形态的改变，降低细胞活力，表明砷暴露对AST产生了明显的毒性作用；砷暴露可使AST分泌D-丝氨酸和L-丝氨酸水平下降，同时可使AST内3-磷酸甘油酸脱氢酶(Phgdh)、SR、DAAO、Na+依赖型丙氨酸-丝氨酸-半胱氨酸-苏氨酸（ASCT）转运体亚型ASCT1和ASCT2的基因以及蛋白表达水平发生变化，从而可能会引起D-丝氨酸代谢紊乱。