基于蛋白质组学的铁紊乱与神经突触功能障碍的分子机制与调控策略研究

Alzheimer’s disease (AD), characterized by cognition decline, is a multi-factor neurodegenerative disease, and its precise pathological mechanism is not fully understood. Iron is an essential element for daily life, and recently a growing number of studies have reported the iron metabolism disorder is involved in AD pathological mechanism such as β-amyloid cascade hypothesis, oxidative stress hypothesis, etc. Iron chelate therapy has been used in many pre-clinical and clinical studies, but its application is limited due to the safety problem and poor tolerance. Previously, we discovered that neuronal iron overloading could lead to neurite collapse, acetylcholinesterase activity decline, acetylcholine release reduction, and further induced memory loss in rats. Implied by proteomics information, we found that some synaptic function related pathways were influenced by iron overloading treatment. Hence, this project is aimed to deeply analyze the proteomic data, to explore the candidate targets playing key roles in iron induced synaptic morphology, cell skeleton, mitochondrial function and vesicle transport, and to further compare their involvement in iron disorder and β-amyloid related AD models. Also, we will investigate drug effects on that candidate targets. The outcome of this project may provide important clues on research and development of potential AD therapies.

早老性痴呆已成为当前危害人类健康最严重的疾病之一，其发病机制复杂，迄今仍缺乏理想的干预策略。铁是生命活动所必需的微量元素，最近的研究表明铁代谢异常与AD中氧化应激和β淀粉样蛋白级联反应等发病机制密切相关，然而目前铁紊乱假说的机制仍不明确，铁螯合剂治疗策略存在副反应多等不足。本实验室的前期研究表明，铁过载可以导致神经突起缩短，乙酰胆碱酯酶活力下降，乙酰胆碱释放减少，并导致大鼠学习记忆能力下降，在已获得的蛋白质组学数据中也发现不少与囊泡转运、线粒体等突触功能相关的蛋白受到铁过载的影响。本项目拟对蛋白质组学数据深入分析，探索铁过载导致神经元突触形态、细胞骨架、线粒体能量代谢或囊泡转运等突触相关功能损伤的分子机制，同时比较候选蛋白在铁和β淀粉样蛋白等AD模型中作用机制的异同，并考察药物对候选蛋白干预效果，最终从多角度阐明铁促早老性痴呆发病机制中的分子靶标，为寻找有效AD治疗药物提供重要的线索。

铁元素是维持正常生命活动所必须的微量元素，参与多项机体基础生理过程。随着年龄的增长，铁逐渐沉积于脑中与运动和认知相关的脑区。越来越多的证据显示，铁代谢紊乱参与多种神经退行性疾病的发生发展，然而目前关于铁过载所导致神经功能改变的具体调控机制仍不清楚。本项目研究从铁代谢紊乱对神经突触功能相关的淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）剪切过程影响、石杉碱甲对铁过载神经元突触相关功能的保护作用和铁紊乱损伤导致线粒体参与的神经突触功能障碍的分子作用机制等3方面开展。首先，针对在铁过载神经元蛋白质组学信息中显著变化的蛋白——APP进行蛋白剪切的系统性研究后发现，铁过载促进神经元APP非淀粉样剪切而抑制淀粉样剪切，增加Aβ的细胞内分布，并抑制β-分泌酶（β-site amyloid precursor protein cleaving enzyme 1，BACE1）活性。其次，我们研究已上市的抗阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）药物——石杉碱甲在铁过载神经元中保护机制，阐明了石杉碱甲通过抑制神经元活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）生成、提高线粒体能量代谢和降低胞内铁水平而发挥神经保护作用，且该作用与其胆碱酯酶抑制活性无关。最后，对铁过载神经元蛋白质组学信息的分析后，我们发现有23个主要分布于线粒体的蛋白发生显著改变，采用免疫印迹的方法对其中部分蛋白表达水平进行验证，同时检测了线粒体呼吸链复合物活性和线粒体形态等指标，证实了与蛋白变化水平一致的线粒体多方面功能障碍。综上所述，本项目基于蛋白质组学信息，揭示了铁过载影响神经元线粒体功能和APP剪切过程的分子机制，其中铁过载对多个线粒体蛋白的调控作用是本项研究首次发现，同时阐释了对石杉碱甲在铁过载神经元中保护作用机制，我们的结果拓展了我们对铁过载相关神经损伤的认知，为铁代谢紊乱参与中枢神经系统疾病发生发展的这一理论提供支持，并为开发新抗神经退行性疾病药物提供新的线索。