氧化石墨烯通过诱发选择性自噬降解亨廷顿蛋白聚集体的研究

Neural degenerative diseases are becoming more and more a health burden as the human population ages, thus effective treatments for these diseases pose a big challenge for scientific community. Huntington’s Disease (HD) is one of the major neural degenerative diseases, and the primary cause of the disease is the abnormal accumulation of mutant Huntingtin aggregates in neuronal cells. Enhancing the clearance of mutant Huntingtin protein through induction of selective autophagy is a promising emerging strategy for the treatment of HD. In our unpublished earlier work, we found that ubiquitinated mutant Huntingtin protein can be effectively degraded through autophagy induced by grapheme oxide, an engineered nanomaterial.In this project, we will conduct systematic studies to elucidate the molecular mechanism underlying the selective autophagy and clearance of mutant Huntingtin by graphene oxide. In addition, we will also assess the potential of treating HD through intracranial and intravenous injection of graphene oxide in transgenic animal model. Successful implementation of this project may have implications for developing nanomaterial-based therapeutics for neurodegenerative diseases.

目前，寻求有效治疗神经退行性疾病途径已成为科学界面临的巨大挑战。亨廷顿舞蹈症(HD)是重大神经退行性疾病之一，主要病因是由于亨廷顿突变蛋白在神经细胞内部的异常聚积造成神经细胞的死亡。通过诱发选择性自噬增强蛋白聚积体的清除，有望为HD的治疗提供理想解决方案。我们前期发现氧化石墨烯GO可以通过诱发自噬清除细胞中泛素化亨廷顿突变蛋白聚积体。本项目将在前期工作基础上，深入探讨GO通过诱发选择性自噬清除亨廷顿突变蛋白聚积体的纳米特性及分子机制并在动物模型中予以验证。研究GO纵横比、氧化程度和表面修饰对清除蛋白聚积体的影响；阐明蛋白聚积体的泛素化形式及其E3连接酶在清除过程中的作用和机制；寻找并鉴定GO降解蛋白聚积体过程中的选择性自噬受体蛋白；研究GO在HD转基因小鼠模型中体内降解蛋白聚积体的效应以及对鼠认知及运动协调能力的影响。本项目的成功实施有望为纳米材料在神经退行性疾病中的应用提供新思路新方法。

目前，寻求有效治疗神经退行性疾病途径已成为科学界面临的巨大挑战。亨廷顿舞蹈症(HD)是重大神经退行性疾病之一，主要病因是由于亨廷顿突变蛋白在神经细胞内部的异常聚积造成神经细胞的死亡。通过诱发选择性自噬增强蛋白聚积体的清除，有望为HD的治疗提供理想解决方案。本研究发现，氧化石墨烯可通过诱导自噬促进突变亨廷顿蛋白降解。进一步结果显示，PtdIns3K和MEK/ERK1/2 参与氧化石墨烯(GO)诱导的自噬效应调节，不依赖于mTOR. 小尺寸GO清除胞内突变亨廷顿蛋白效率优于大尺寸，单层GO优于多层；氧化型石墨烯具有清除细胞内突变亨廷顿蛋白的能力，但又与氧化程度无关；BSA或PEG等分子均会减弱GO清除细胞内突变亨廷顿蛋白的能力。泛素化修饰对GO引起的突变亨廷顿蛋白的降解是必须的。初步结果也表明，GO可能引起突变亨廷顿蛋白发生K63位的多泛素化修饰。P62, 自噬受体蛋白的一种，可将自噬底物蛋白递送到自噬体内部。然而，研究结果表明GO诱导细胞自噬的过程中，p62蛋白未发生降解，我们推测p62可能并不参与将泛素化的突变亨廷顿蛋白递送到自噬体内部；初步的研究表明，自噬受体蛋白NBR1也不参与GO引起的突变亨廷顿蛋白的降解；因此，具体自噬受体蛋白还有待进一步探讨。有意思的是，我们发现，相比于非泛素化的蛋白，GO可以选择性的结合泛素化的突变亨廷顿蛋白；也有研究报道显示，胞质溶胶的纳米颗粒可以被自噬系统识别并被包裹在自噬体内部；加之，我们的研究结果显示可在自噬膜泡内部观测到聚集形式的GO；我们推测GO有可能通过结合泛素化的突变亨廷顿蛋白，并将其直接递送至自噬体内部。另一方面，我们发现氧化石墨烯可通过抑制淀粉样前体蛋白APP的β裂解和增强成熟Aβ淀粉样蛋白溶酶体依赖的降解的双重功能，可显著清除神经细胞内Aβ淀粉样蛋白的沉积。术后认知障碍（POCD）为β淀粉样蛋白积累相关的术后中枢神经系统并发症。氧化石墨烯可在动物水平上显著降低海马体中β淀粉样蛋白沉积，改善小鼠术后认知功能障碍。