自噬基因atg5作为神经退行性疾病新药靶和新模型的研究

新近研究发现自噬基因家族与神经变性疾病的病理过程相关。我们前期研究首次发现自噬基因atg5可调节脑神经发育基因的表达，且其本身基因的表达既可受多巴胺神经元毒性化合物的影响，也具有反馈抑制的调节特性。因此，本项目利用斑马鱼建立帕金森疾病模型，以神经变性疾病的共同病理- - 过多的异常蛋白（Tau蛋白、突触核蛋白或β淀粉样蛋白）聚合体沉积为特征，采用基因分析技术，检测神经变性疾病的特征基因如a/b-Syn、PINK1、DJ-1、Tau、LRRK2等和自噬基因atg3、atg5、atg6、atg12等的活性变化，结合斑马鱼表型变化，探索：atg5基因表达活性与神经变性疾病的相关性；atg5基因的启动子是否可做为基于atg5基因活性的研发神经变性疾病药物的新药靶和新筛药模型。将基因作用机制与生化特征及表型三者相结合进行研究，不仅具有应用价值，而且将揭示自噬机制与神经变性疾病的关系，具有重要的理论意义。

自噬机制参与正常细胞生理和许多疾病的病理发展和疾病痊愈过程。然而自噬机制作为宿主机制是如何参与了疾病的发生、发展和转归，机制尚不清楚。已有研究表明，自噬机制在疾病的发展过程中是动态变化的，包括相关蛋白的表达水平、蛋白分子种类和后修饰的变化。参与调控的自噬蛋白种类与不同疾病具有不同的关联性。我们前期研究首次发现自噬基因atg5 可调节多种脑神经发育基因的表达，且其本身基因的表达既可受多巴胺能神经元毒性化合物的影响，也具有反馈抑制的调节特性。故推测，ATG5可能参与了神经退行性疾病的病理过程。本项目聚焦于神经退行性疾病与自噬基因ATG5的相关性，利用模式动物斑马鱼，研究自噬基因atg5基因活性与神经退行性疾病相关性，并探索其做为药靶的可能性。我们首先建立了具有类似临床病理特征的神经退行性疾病斑马鱼模型。所建模型斑马鱼在行为学上明显下调了斑马鱼活跃运动的时间、运动距离和运动速度，这与临床患者的运动迟缓、肌肉强直症状相似；PD病理特征蛋白突触核蛋白（SYN）、PARKIN 和PINK1均明显增高，酪氨酸羟化酶基因(th)和蛋白(TH)减少；原位杂交实验表明斑马鱼幼体颅内顶盖腹侧间脑区（纹状体）、中后脑（黑质）多巴胺能神经元减少。检测斑马鱼PD模型的自噬水平发现，在多巴胺能神经元损伤情况下，自噬基因atg5基因和自噬流被抑制，说明多巴胺能神经元的存活与ATG5和自噬相关。通过上调和下调ATG5基因的表达，检测ATG5是否具有减轻或挽救多巴胺能神经元损伤的作用，结果证明ATG5确实具有保护多巴胺能神经元的作用：下调了病理蛋白SYN、PARKIN 和PINK1的水平、维持了多巴胺能神经元的数目。利用雷帕霉素对ATG5基因启动子序列活性的探索性研究表明，RAPA可提高ATG5的表达水平，也可挽救MPTP对斑马鱼行为的损害——明显改善了斑马鱼幼体对光刺激的敏感性。但尚未寻找到其具体作用的靶序列，推测，RAPA对ATG5水平的调控可能是通过其它转录因子的间接作用。综上，atg5 基因活性的异常很可能是神经退行性疾病的致病因素之一。提高ATG5水平可以保护多巴胺能神经元；提高ATG5水平可以作为研发治疗PD疾病新型药物的用靶点，所建斑马鱼PD模型可用于先导化合物的筛选。本研究首次揭示了自噬蛋白ATG5与PD神经变性疾病的直接关联性。