关于核编码的线粒体基因mRNA的局部翻译对于轴突生长发育和神经环路构建的功能意义

Axonal pathfinding capability is essential for correct wiring of the nervous system. Meanwhile, axonal pathfinding is directly regulated by local translation of specific mRNAs within axonal growth cone. According to previous studies, mRNAs are enriched inside growth cone during axonal development, and mRNAs of Actin and Cofilin1 have been proved to be locally translated, and assist axonal turning in response to extracellular guide cues. However, among these mRNAs, there is a subgroup of mRNAs which are transcripted from the nuclear-encoded mitochondrial.genes. The role of these mRNAs of nuclear-encoded mitochondrial genes remains obscure. Based on our preliminary results, we will focus on the role of local translation of mtIF2 and mtIF3, which are regarded as the initiation factors of mitochondrial translation. After knocking down the target mRNA locally in axonal growth cone, we will monitor the mitochondrial function by using mitochondrial ATP and Ca2+ sensor, and we will check axonal growth, pathfinding, and synaptogenesis. Therefore, through the above studies, we can answer the question whether local translation of mRNAs of mtIF2 and mtIF3 can directly regulate the function of the mitochondrion, in turn, have an effect on synaptic connection. We will also investigate whether local translation of mtIF2 and mtIF3 involve in the construction of neural circuits in a mouse model of Fragile X syndrome. After achieving all goals, our study will expend the concept of local translation, and more understand how local events can modulate the behavior of the whole cell.

轴突末梢的局部蛋白合成是调节神经元轴突的导向性生长乃至神经环路构建的重要因素之一，其中的actin，Cofilin1，MAP1B等基因的局部翻译在轴突趋向性生长和反向生长中的作用已被研究证实。但轴突末梢可供翻译的mRNA库还包括了细胞核DNA编码的线粒体基因mRNA，目前学界对这部分 mRNA的功能意义却知之甚少。基于我们的前期研究基础和对国内外该研究领域的理解，本项目拟：（1）通过结合轴突分离、免疫细胞化学以及活细胞局部蛋白合成荧光成像等方法学，证实线粒体翻译起始因子mtIF2和mtIF3的局部蛋白合成（2）揭示mtIF2和mtIF3的局部蛋白合成能否如何通过影响轴突中线粒体内蛋白合成来调节线粒体功能，从而达到调节轴突的生长发育及突触形成的目的（3）我们将研究在病理条件下mtIF2和mtIF3的局部蛋白合成对神经环路构建的影响。我们的研究将扩展对局部蛋白合成功能意义及神经环路构建的理解。

众所周知，在神经元的轴突中存在着丰富的线粒体，有些线粒体在进行着高速的主动运输，但更多的线粒体却是长期驻扎在轴突的不同节段中。近10年的研究显示，这些驻扎的线粒体对于生理情况下轴突趋化性生长以及病理状态下轴突再生都有着非常重要的功能意义。这些驻扎在轴突中的线粒体的功能调节依赖于各类线粒体蛋白的代谢更新，但这些线粒体如何进行蛋白补充并没有被充分的研究。生物经济学的角度，轴突内的局部蛋白合成为驻扎线粒体的蛋白更新提供很有意义的策略。尽管轴突中核编码的线粒体基因的mRNA种类众多，其中对线粒体内蛋白合成以及氧化磷酸化功能复合物的功能稳态最有意义的当属线粒体内蛋白合成的调控蛋白如线粒体翻译起始蛋白mtIF3。我们的研究结果表明，mtIF3的mRNA定位于神经元轴突中，并与线粒体共定位，mtIF3在轴突上可以进行局部蛋白合成，而一旦干扰mtIF3在轴突上的局部蛋白合成，轴突生长延伸就会受到抑制，而这可能是由于干扰mtIF3在轴突上的局部蛋白合成所导致的ATP生成障碍引起的。我们的研究初步显示了mtIF3在轴突上的局部蛋白合成的功能意义，对于理解其他核编码的线粒体基因的局部蛋白合成活动也有帮助。在未来的研究中我们将进一步探索mtIF3在神经元的局部蛋白合成的在体的功能意义以及对于理解其对于神经系统疾病的影响。