硒化合物对阿尔茨海默症中神经元突触可塑性修复作用的机制研究

Cognitive dysfunction in Alzheimer's disease (AD) can be directly induced by the damage of synaptic plasticity, which was deemed to be an early event in the pathological process of AD. Our previous studies found that organic-selenium (selenomethionine, Se-Met) significantly improved the cognitive ability, promoted the expression of synaptic proteins, restored the impairment of synaptic structure and enhanced the connections among neurons in a triple transgenic mouse model of AD (3×Tg-AD mice), suggesting that Se-Met may improve the synaptic plasticity in the neurons of AD. In this present study, the advanced technology of biological optical imaging will be used to dynamically test LTP, calcium influx and dendrite spines in vivo to study the effect of Se-Met on improving synaptic plasticity. The expression and distribution of NMDAR and its downstream signaling pathway involved in the formation LTP will also be detected to find the target of Se-Met treatment on synaptic plasticity in AD. Meanwhile, a selenoprotein-knockout AD mice model will be constructed by using CRISPR-Cas9 genome editing teechnology, as selenium mainly exerts its effect through incorporation of selenoproteins, to explore the link between selenoproteins and NMDAR/LTP and screen one or several kinds of selenoproteins that play principal roles in the regulation of synaptic plasticity. Thus, this proposal will clarify the series of regulatory mechanism from selenium treatment to the restoration of synaptic plasticity in AD, which may provide the significant experimental basis for the clinical application of selenium compound in AD therapy.

神经元突触可塑性损伤作为阿尔茨海默症（AD）病理进程中的早期事件，是诱导认知障碍发生的直接原因。我们研究发现，有机硒化合物-硒代蛋氨酸能显著提高三转基因AD小鼠的认知能力，促进突触蛋白表达，修复突触结构损伤，增强神经元之间的联系；提示硒代蛋氨酸可能对AD中突触可塑性损伤具有一定的修复作用。本课题采用先进的生物光学成像技术，从LTP、钙离子流及树突棘结构入手，活体研究硒代蛋氨酸修复突触可塑性损伤的作用效应；通过对NMDA受体的表达、分布及其下游与LTP形成相关信号通路的探究，找出硒代蛋氨酸的作用靶点；利用CRISPR-Cas9构建硒蛋白敲除的AD小鼠，探索在硒代蛋氨酸作用中硒蛋白对NMDA受体、LTP的影响；根据各种硒蛋白水平的变化，筛选对突触可塑性起主要调控作用的硒蛋白，阐明由硒作用到修复突触可塑性之间的一系列调控机制；为推动硒化合物在AD治疗中的应用提供重要的实验基础。

阿尔茨海默症（Alzheimer’s Disease, AD）是一种多病机、异质性疾病，具有多因素、多靶点、多基因、长时间的特点，目前尚无有效治愈手段。目前认为AD的早期防治是解决临床AD治疗更为有效的手段。研究表明，脑内神经元突触损伤是阿尔茨海默症病理进程中的早期事件，也是导致AD病人出现学习记忆障碍的直接原因。硒作为体内一种重要的微量元素，在哺乳动物脑内通过各种硒蛋白发挥抗氧化等生物功能；其含量随着年龄增长而逐渐降低，硒缺乏与认知功能低下及AD的发生均密切相关，补硒在AD治疗中具有很大的潜力。然而硒和相关硒蛋白在神经元突触损伤中的确切作用目前仍不清楚。本实验利用活体成像技术，通过对多种模型、不同层次的研究证明了有机硒化合物-硒代蛋氨酸（Selenomethionine, Se-Met）显著改善三转基因AD（3×Tg-AD）小鼠脑内神经元的突触、树突棘及轴突、树突的结构损伤，提高神经元突触可塑性及AD小鼠的认知、行为能力。同时我们发现Se-Met能通过抑制突触外NMDARs表达和提高突触NMDARs水平而调控神经元Ca2+流。更重要的是，我们利用已发表的基因转录组学数据及现有的相关文献报道，分析了人体中25种硒蛋白在脑内的表达和分布，并总结了硒蛋白与脑功能之间的关系，以此筛选出脑内高表达、AD病理脑区特异、与脑功能相关的硒蛋白：GPx4, SELENOP, SELENOK, SELENOT, GPx1, SELENOM, SELENOS, SELENOW。进而通过对上述硒蛋白的检测，我们观察到脑内硒蛋白K（SELENOK）的水平与AD密切相关，且SELENOK敲除小鼠脑内呈现出与AD小鼠中类似的突触和突触外NMDAR表达不平衡等病理变化。但Se-Met能提高AD小鼠脑内SELENOK的表达水平，并调控突触和突触外NMDAR的表达平衡；从而确立了Se-Met可能是通过SELENOK和NMDAR而修复AD中神经元突触损伤的作用机制，为探究硒化合物对AD早期防治作用的机制提供了新的思路，也为Se-Met成为干预AD的临床药物提供了重要的实验基础。