褪黑素通过MT2-mGluR5参与长时程抑制形成的机制研究

Light-dark circadian rhythm has a great impact on the recognition function of human, arrhythmia could cause learning and memory defect, but the mechanism is still unknown. We found that the hippocampal LTD-dependent spatial reversal learning ability of rats was significant higher during night time than that during day time. Since LTD is crucially important in the learning process, our result indicated the participation of circadian rhythm in learning process regulation. Melatonin is an important circadian regulated hormone, the study of its role in synaptic plasticity could provide molecular basis for the function of circadian rhythm in learning. Our previous study showed that MT2 and mGluR5 could bind with each other to form a complex, through activating this postsynaptic complex by melatonin could induce LTD in hippocampal CA1 region of rats, but the related molecular mechanism was still unclear. The present project aims to reveal the cytological basis of the influence of circadian rhythm on learning and memory, illuminate the molecular mechanism of the induction of LTD by melatonin through electrophysiological, molecular, biological, pharmacological and behavioral methods. This study will provide theoretical foundation of the regulation of circadian rhythm in learning and memory. It is of great significance for the exploration of the potential drug targets of learning and memory deficit related diseases, providing new ideas and strategies for clinical treatment.

昼夜节律在人类的认知功能中有重要作用，节律紊乱可引起学习记忆障碍，但其作用机制目前尚不清楚。我们首次发现，大鼠夜间空间反转学习能力这一依赖于海马区长时程抑制（LTD）的行为表现显著强于白天，LTD在新知识的学习过程中至关重要，提示昼夜节律参与调节学习过程。褪黑素（MT）是一种重要的昼夜节律调控激素，探究其在突触可塑性中的作用可为阐明节律在学习中的作用提供分子基础。我们前期的研究表明，MT2与mGluR5相互偶联，MT可通过激活突触后MT2-mGluR5复合物在大鼠海马CA1区诱导LTD的形成，但其中的分子机制还不清楚。本项目拟采用电生理学、药理学、分子生物学和行为学等手段，揭示昼夜节律影响学习与记忆细胞学基础，并阐明MT在LTD形成过程中的分子机制。本研究将为昼夜节律在学习记忆调节作用提供理论依据，对发现学习记忆障碍性疾病潜在的药物治疗新靶点有重要意义，有望为临床治疗提供新思路和新策略。

昼夜节律在人类的认知功能中有重要作用，节律紊乱可引起学习记忆障碍，但其作用机制目前尚不清楚。我们首次发现，大鼠夜间空间反转学习能力这一依赖于海马区长时程抑制（LTD）的行为表现显著强于白天，通过不间断光照建立节律紊乱模型，模型动物新物体识别、新位置识别和水迷宫空间反转学习能力均显著受损，在体记录LTD诱导能力明显减弱，提示LTD在新知识的学习中至关重要，昼夜节律参与调节学习过程。褪黑素（MT）是一种重要的昼夜节律调控激素，节律紊乱影响MT分泌。我们在细胞试验中激活海马神经元MT2受体，可显著影响谷氨酸AMPA受体GluA1和GluA2亚基的磷酸化水平，提示MT可能通过MT2诱导LTD，在提前给予MT2、PI3K、mTOR抑制剂后再给MT2激动剂，AMPA受体磷酸化水平不变，说明MT通过MT2-PI3K-mTOR通路发挥LTD诱导作用。在全细胞膜片钳试验中，MT灌流能明显减少海马神经元sEPSC和mEPSC的频率和幅度，诱导LTD，采用化学诱导和电刺激诱导方式又证明了MT诱导LTD与mGluR同源，在体电生理结果也证明使用mGluR5抑制剂可明显抑制MT诱导的LTD。Co-IP试验证明MT2与mGluR5偶联，NanoBret试验结果表明MT2的N端与mGluR5偶联，分别用细菌表达蛋白，BLI方法确证MT2 N端第一个胞外域片段与mGluR5有直接连接，再细分多肽片段后，SPR试验明确MT2与mGluR5的具体结合部位，验证了计算机模拟分子对接结果。本项目的研究结果证明昼夜节律紊乱影响褪黑素分泌，抑制LTD的形成，引起新知识学习障碍；明确了MT通过MT2诱导LTD的分子机制；阐明了MT通过激活MT2-mGluR5复合物诱导LTD的条件，并找到了MT2与mGluR5的关键结合部位。本研究为昼夜节律调控学习记忆提供了理论依据，对发现学习记忆障碍性疾病潜在药物治疗新靶点有重要意义。