重金属环境下神经突触稳态及其分子机制

The low dose of heavy metal exposure in survivable environment and the associated health risk of neurobehavioral function such as learning and memory are a topic of current debate and concern, and yet its mechanism is not clear, especially the toxic mode of action and mechanism of a variety of metal mixture, an environmental reality, very little studied. The study on the combinatorial effect of lead (Pb), mercury (Hg), cadmium (Cd) and arsenic (As), the major heavy metal environmental pollutants, has not been reported. Based on our long-term investigations and combined the latest researches and problems, the hypothesis is proposed that Hg, Pb, Cd, As exposure may be acting on Snk-SPAR pathway and lead to the disorder of synaptic homeostasis so cause the neurobehavioral dysfunction such as learning and memory impairment , moreover there is the joint action among the heavy metals. In this project, applying Confocal Laser Scanning Microscope, Patch Clamp Amplifier System and morphologic quantitative analysis, as well as cellular and molecular techniques of siRNA, DNA recombination and so on, we will try to elucidate the individual and combinatorial effects of Hg, Pb, Cd, As on synaptic homeostasis as well as discover joint action among them on integral, cellular and molecular level from experiments, while to test and verify the effect of Snk-SPAR pathway on regulation in synaptic homeostasis in the environment of heavy metals from reverse and forward. Our study will give additional information to reveal the neurotoxicity mechanism of heavy metal pollutants, provide new clues to discover the new target for heavy metal pollutants intoxication prevention and treatment and offer a scientific basis for further to their health risk assessment.

环境低剂量重金属暴露所致学习记忆等神经行为功能改变是当前面临的主要健康问题，其机制不明确，尤其是多种金属共存时的毒作用及机制研究甚少，且主要重金属环境污染物Hg、Pb、Cd、As之间的联合作用尚未见研究报道。基于长期研究基础，结合本领域国内外有关最新研究和存在问题，提出环境Hg、Pb、Cd、As暴露可能通过Snk-SPAR途径引起突触稳态失调，导致学习记忆等神经行为功能障碍，且它们之间存在着联合作用的科学假设。拟采用正交试验设计，激光共聚焦、多导离子通道检测、细胞定量分析和siRNA、DNA重组等技术，在体内、体外，阐明Pb、Hg、Cd、As单独及其联合时，对突触稳态的影响并发现它们间可能存在的联合作用；同时，从反向和正向验证Snk-SPAR途径在重金属突触稳态调控中的作用，为深入研究重金属污染物的神经毒效应及作用机制，发现新的防治靶标提供新思路，为重金属污染的健康危险度评价提供科学依据。

重金属污染已成为当今备受关注的全球性环境污染问题之一。本项目针对共存于环境中最常见的重金属铅、镉、砷和汞之间的健康损害交互效应问题，尤其是环境低剂量重金属联合暴露所致神经行为功能影响主要健康问题开展研究。首先，利用正交、均匀和随机设计，分别在三种神经细胞（PC12、SH-SY5Y和原代海马神经元）模型上，通过流式细胞技术发现重金属铅、镉、砷和汞联合暴露的神经细胞毒性交互作用与各重金属之间的剂量有关，当单个金属接近或均低于最大无有作用剂量时，不同金属、不同剂量之间的交互作用是以一般人群体内这些重金属水平联合呈现最大细胞毒性作用。在明确了重金属铅、镉、砷和汞联合暴露细胞毒性和健康损害交互作用特点及剂量基础上，通过行为测试、Golgi-Cox染色、细胞定量分析和膜片钳技术等，在低剂量铅、镉、砷和汞联合暴露的动物模型和神经细胞模型上，发现了低剂量铅、镉、砷和汞联合暴露可引起空间感觉能力和非空间、空间学习记忆能力的下降。同时发现了大鼠海马突触回路神经元的树突棘和突触密度下降、蘑菇型树突棘比例下降以及突触后致密质厚度变薄；且海马神经元微小兴奋性突触后电流幅度下降，干扰了突触稳态可塑性。随后，通过免疫荧光、shRNA干扰等，发现了海马突触回路和神经细胞的Snk蛋白表达呈现铅、镉、砷和汞联合暴露剂量依赖性上升，并伴随着Snk下游SPAR蛋白表达的暴露剂量依赖性下降；进一步阐明了Snk-SPAR在低剂量铅、镉、砷和汞联合暴露导致认知障碍和突触稳态调控中的分子机制作用。此外，本项目研究还发现，早期环境丰富训练可以改善铅、镉、砷和汞联合暴露所致神经行为功能异常。.本项目研究阐明的共存于环境中最常见的重金属铅、镉、砷和汞之间的交互作用特点及其低剂量联合暴露的健康影响，以及其低剂量联合暴露导致认知障碍和突触稳态的部分分子机制作用，尤其是干预措施，为进一步深入开展低剂量环境重金属联合暴露所致早期健康损害效应及其相关机制研究，对于保护和促进人群健康、预防疾病具有十分重要的理论意义和应用价值。