50Hz磁场暴露致神经元Tau蛋白磷酸化与乙酰氨基糖基化平衡失衡机制研究

Nearly 2 decades ago, epidemiological studies suggested that ELF-EMF(50 Hz) is a high risk factor for Alzheimer's disease (AD) pathogenesis. However, this presumption is not still completely supported by laboratory researches. Enormous studies have showed that tau protein is hyperphosphorylated at multiple sites, and meanwhile the O-linked N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) glycosylation of tau protein is inhibited in brain neurons of AD patients. Our recent primary research showed the same effects (phenomenon), the imbalance of phosphorylation and O-GlcNAc glycosylation of tau protein, in cortical and hippocampal neurons of mice exposed to 50 Hz magnetic field. But the molecular mechanism is unclear. By selecting normal mice (C57BL/6 mice) and AD mice (APP/PSN mice) as animal models, and primary cultured hippocampal neurons and N2a/APP cell line as cell models, this project intends to systematically study the effects of 50 Hz magnetic field exposure on the balance of phosphorylation and O-GlcNAc glycosylation of tau protein, and further study the roles of cyclin dependent kinase 5 (CDK5) signal pathway, phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K)/protein kinase B (AKT)/ glycogen-synthase kinase-3β(GSK-3β) signal pathway,protein phosphatase 1 (PP1), protein phosphatase 2A (PP2A),O-β-N-acetylglucosaminyltransferase (OGT), O-β-N-acetylglucosaminidase (OGA),glutamine:fructose-6-phosphate amido-transferase (GFAT, the rate-limiting enzyme acting in the hexosamine biosynthetic pathway), and find the key molecule events in the imbalance of phosphorylation and O-GlcNAc glycosylation of tau protein induced by 50 Hz magnetic field exposure. This project is going to shed light on the possible strategies for preventing and curing the neuron injury induced by 50 Hz magnetic field exposure.

极低频电磁辐射(50Hz)遍及现代生活和工作环境的各个角落，其对健康的危害已成为公众和国内外学者关注的热点问题之一。早在上世纪90年代，流行病学调查显示50Hz极低频电磁辐射是阿尔兹海墨病(AD)高发的危险因素，但近20年来仍未获得实验室研究的支持。国内外研究发现AD患者神经细胞Tau蛋白过度磷酸化，而其O-GlcNAc糖基化水平明显降低。我们前期研究初步显示50Hz磁场暴露也可引起同样效应，但机制不清。本项目拟以正常小鼠和AD小鼠为动物模型，以原代培养海马神经元和N2a/APP细胞株为细胞模型，系统研究50Hz磁场暴露对Tau蛋白磷酸化和O-GlcNAc糖基化平衡状态的影响，并探讨CDK5和GSK3β信号途径、蛋白磷酸酶(PP1、PP2A)、OGT、OGA、氨基己糖生物合成途径关键酶-GFAT在该平衡失衡中的作用地位，筛选关键分子事件，为寻找50Hz磁场暴露致神经损伤防治新靶点提供线索。

电磁辐射遍及现代生活和工作环境的各个角落，其对健康的危害已成为公众和国内外学者关注的热点问题之一。早期流行病学调查显示50Hz极低频电磁辐射是阿尔兹海墨病(AD)高发的危险因素，但近20年来仍未完全获得实验室研究的支持。本项目研究发现，在本实验条件下，50 Hz磁场暴露通常对正常动物的生长发育无明显影响；50 Hz 磁场(2.0 mT, 4 h/d, 8w)暴露可影响昆明小鼠的空间学习记忆能力；50 Hz 磁场(1.0 mT, 2 h/d, 21d)暴露对APP/PS1双转基因小鼠神经元的光镜大体形态结构、Tau蛋白部分位点磷酸化水平、调节Tau蛋白磷酸化主要信号通路、调节Tau蛋白O-GlcNAc糖基化关键酶类均无明显影响，但对皮层组织神经元树突复杂性可能有一定影响，可能对皮层组织的氨基酸代谢、蛋白转运、辅酶A和氨酰tRNA生物合成、肌动蛋白细胞骨架调节、神经细胞配体-受体的相互作用等方面产生一定影响(代谢组学研究)，可导致海马组织中121种肽段的磷酸化水平明显增高、26种肽段的磷酸化水平明显下降（磷酸化蛋白组学研究），可导致海马组织中118种肽段的N糖基化水平明显增高、85种肽段的N糖基化水平明显下降（N-糖基化蛋白组学研究）；50 Hz 磁场暴露(1.0 mT, 48 h)可对Neuro-2a细胞活力产生一定影响，但不足以导致细胞凋亡水平的变化，GSK-3β和CDK5可能在其中的贡献不大；不同参数50Hz磁场暴露可引起动物和培养细胞Tau蛋白不同位点磷酸化水平的改变；50 Hz 磁场暴露可能会影响正常动物大脑皮层蛋白质的O-GlcNAc糖基化过程(2.0 mT, 4 h/d, 8w)，可促进APP/PS1双转基因小鼠皮层神经元Tau蛋白的O-GlcNAc糖基化过程(1.0 mT, 2 h/d, 21d)；50 Hz 磁场暴露(1.0 mT，4 h/d，3 d) 可导致Neuro2a/APP(695)细胞中129种基因的转录水平明显上调同时12种明显下调 (转录组学研究)，33种蛋白质的蛋白表达水平明显上调同时20种表达明显下调 (蛋白组学研究)；RF-EMR暴露(1800 MHz，4 W/kg，48h)可引起神经元轴突生长障碍，Rap1-MEK-MAPK信号通路可能参与了该过程。本研究结果为寻找电磁辐射暴露致神经损伤防治新靶点提供新的线索和依据。