缺血脑组织不同来源锌离子蓄积对M型钾离子通道的调节及其在缺血脑保护中的作用

Brain ischemia is one of the most common causes of death and disability worldwide. There is growing evidence indicating intracellular zinc accumulation in hippocampus following brain ischemia. And the mechanisms of ischemia zinc accumulation in CA1 and CA3 regions of hippocampus are quite different. Recently, the applicant published a paper in PNAS as the first author, we showed that Intracellular zinc potently augments M channel activity by reducing its PIP2 dependence. M-type (KCNQ, Kv7) K+ channels are highly expressed in hippocampus, and strongly influence pyramidal neuron excitability. The activation of M channel can reduce neuronal damage and death in the core area and penumbral zone. Thus, we hypothesize that postsynaptic zinc elevations induced by ischemia/hypoxia trigger a negative feedback loop in which M channel potentiation works to offset neuronal firing and brake the ‘vicious cycle’ of excitotoxicity. In this project we will experimentally test this hypothesis. We will use ZnT3-/- 和MT3-/- knock out animals; OGD and BCCAO cerebral ischemia models; patch clamp, fluorescence imaging and behavioral test etc. to investigate the effect of intracellular zinc on M channel regulation by endogenous inhibitory signaling cascade and the effect of zinc accumulated in hippocampus on regulation of M channel in neuronal protection against brain ischemia. our finding will bring a new level of insight to our understanding on regulation of M channel and brain’s natural defence mechanisms. And will provide new therapeutic target and theory for brain ischemia.

脑缺血是全球致死、致残最主要原因之一。研究发现在缺血脑组织Zn2+异常升高，且在海马不同脑区来源不同。但Zn2+对缺血脑组织损伤的同时是否也具有一定的保护作用？其作用是否取决于Zn2+来源？以及可否通过影响Zn2+转运改善疾病的临床防治效果？尚需更多研究。申请人前期工作证实，细胞内Zn2+可通过抑制通道对PIP2依赖性上调M通道电流。且M通道在神经系统表达丰富，是神经元兴奋性控制的重要因素。因此，申请人提出假设：缺血脑组织Zn2+蓄积，上调M通道电流，抑制神经元兴奋性，是缺血脑组织限制自身进一步损伤的内源性保护策略。本课题拟利用ZnT3和MT-Ⅲ基因敲除动物，探讨：1）脑缺血不同来源Zn2+蓄积对缺血脑组织损伤的影响；2）Zn2+对海马M通道的调节作用及对M通道内源性调节机制（如：Glu、BK等）作用的影响。本研究将有利于更全面揭示脑缺血病理机制，为临床脑缺血疾病防治提供新的靶点及思路。

锌作为体内仅次于铁存在第二丰富的微量元素，其作用逐渐引起关注，并发现其参与卒中等多种神经系统疾病发生及发展，但其作用规律及机制研究仍需要更多细节。本课题聚焦不同来源锌离子在中枢神经系统疾病中的作用及机制，研究内容主要包括三个方面：1）锌离子对Kv7通道（KCNQ,M通道）的调节作用及其对体内M通道调节通路作用的影响；2）锌离子及锌离子转运体在缺血再灌注海马神经元损伤中的作用及机制研究；3）锌离子及锌离子转运体在癫痫及听力损伤中的作用及机制研究。研究结果显示：1）锌离子可取消Ca/CaM对Kv7.2及Kv7.3通道电流的负性调节作用（已发表）；锌离子对Kv7.1通道的调节作用与其他Kv7亚型不同，且受不同亚基结合的影响，并通过此特点，阐明锌离子对Kv7.1通道的调节位点；2）ZnT3敲除在细胞、脑片及在体动物水平均可以对体外OGD及在体全脑缺血再灌注后海马神经元损伤具有保护作用，其机制可能与其降低海马神经元兴奋性有关，具体通过对何离子通道调节降低神经元兴奋性仍需要进一步研究；M通道在缺血再灌注神经元损伤中的作用在不同阶段表现不同，缺血阶段具有保护作用，而在再灌注期间，反而加重损伤；利用M通道开放剂及阻断剂证实M通道功能的确参与ZnT3敲除对缺血再灌注海马神经元损伤的保护作用；细胞内锌离子增加可降低海马神经元兴奋性，但ZnT3及MT3敲除可降低海马神经元兴奋性，说明外源性锌离子作用可能与这两个来源内源性锌离子作用存在不同；3）ZnT3及MT3敲除可影响癫痫发作和听力损伤，并可能存在非锌离子依赖性机制。本课题研究结果对阐明锌离子对M通道功能调节的作用及机制、锌离子及锌离子转运体的生理及病理功能以及完善卒中、癫痫等神经系统疾病的病理机制提供了更多的数据。也为临床寻找卒中等中枢神经系统疾病预防和治疗新的靶点和思路提供了实验依据。