青藏高原动物脑AQP4适应其极端低氧的分子机理

The Qinghai Tibet Plateau has unique climate and geographical features with high altitude, hypoxia, etc.Hypoxic is one of the main causes of the occurrence and development of most major diseases, notably brain disease.The brain is the most sensitive organ to environmental oxygen, which is small (body weight accounted for about 2%), but the oxygen consumption is big (the total oxygen consumption of about 20%). Brain edema is one of the most important clinical symptoms of altitude sickness and a complication of most brain diseases.AQP4 is one of the most abundant molecules in the brain, which is not only involved in the pathological process of most brain diseases, but also involved in some physiological processes such as brain volume changes, cell migration, K+ buffering, intracellular waste clearance, and Ca2+ signal transduction, and so on. Our recent findings demonstrating that AQP4 has a unique mechanism to adapt to the hypoxia with the low expression and Ser82 phosphorylation in the plateau animal brain. In the current proposal we will extend the findings to investigate whether the ser82 phosphorylation of the low expression AQP4 is the molecular switch of neuroprotective start, and clarify the mechanism of AQP4 adapt to high altitude hypoxia in multiple hypoxia stress models, including the plateau animals primary brain cells and brain slices, neural cell lines, transgenic animals and different altitude animals by using a variety of modern molecular biological methods. This study is important to improve the plateau people's health level and prevention and cure of plateau plateau diseases, and will provide the basic information and new ideas for the exploration of brain science, notabley plateau brain science.

青藏高原具有高海拔、低氧等独特的气候和地理特征。缺氧是许多重大疾病尤其是脑疾病发生发展的主要诱因之一，而脑是对环境氧最敏感的器官，其虽小，但耗氧量却极大(占总耗氧量约20%) 。脑水肿是高原反应的重要临床症状，也是大多数脑疾病的并发症。AQP4是脑中表达最丰富的分子之一，其不仅参与绝大多数脑疾病尤其脑水肿的病理过程，还参与脑体积变化、细胞迁移、K+缓冲、胞内废弃物清除、Ca2+信号转导等生理过程。本项目将在我们近期原创发现“高原脑AQP4具有低表达和Ser82磷酸化修饰独特机制”的基础上，运用多种现代分子生物学方法，在高原动物原代脑细胞和脑片、神经细胞系、转基因动物及不同海拔动物等多种“低氧应激”模型中探讨高原脑低表达的AQP4在各种应激状态下Ser82磷酸化修饰是否是神经保护启动的分子开关，并阐明该AQP4适应低氧的作用及其调控机制。本研究对改善高原人群的健康水平、防治高原病有重要意义。

缺氧是许多重大疾病尤其是脑疾病发生发展的主要诱因之一，脑是对环境氧最敏感的器官，而脑水肿是高原反应的重要临床症状之一，是大多数脑疾病的并发症。AQP4是脑中表达最丰富的分子之一，参与脑水肿等多种生理过程。本项目旨在探讨AQP4适应低氧的作用及其调控机制。在该资金的支持下，本项目主要完成以下几方面的工作：1. 通过与低海拔黄牛比较，对牦牛脑组织进行分析，构建了“高原动物脑AQP4适应低氧表达和磷酸化调控的分子网络模型”，并探讨了AQP4-Ser82—VEGF选择性磷酸化互作调控”等信号通路的调控机理。结果表明，牦牛蛋白质和mRNA水平均显著低于低海拔牛的，牦牛AQP4在进化保守，牦牛AQP4的第82个氨基酸残基为极性可磷酸化修饰的丝氨酸（Ser82），而低海拔动物的该位点均为非极性丙氨酸（Ala82）；牦牛AQP4胞质尾区的α-折叠（α-helix）均高于低海拔动物的，表明牦牛AQP4可通过Ser82磷酸化结合高度折叠的胞质尾区提高对胞内废弃物的清除等生理功能。在牦牛脑皮质中AQP4、AQP9、ET-1、MMP3及MMP9 蛋白的表达均明显低于对照组黄牛的，而HIF-1α和VEGF的表达却明显高于黄牛的，表明AQP4--Ser82—VEGF选择性磷酸化或去磷酸化互作信号通路”可能发挥了重要作用。2. 通过将低海拔小鼠引入高海拔，探讨了AQP4对脑低氧适应调控的作用机制，同时探讨了AQP4在辐射脑损伤中的作用及黄芪甲苷的保护作用。结果发现将小鼠引入高原低氧处理后，空间记忆能力下降、脑组织表现出水肿及神经元受损的病理特征，脑组织内星形胶质细胞（GFAP标记）增多、小胶质细胞激活（Iba1标记)，HIF-1α、VEGF、AQP4 、NF-κB、IL-1β的表达增加。在体外培养的小胶质细胞中，低氧可激活小胶质细胞，IL-1β、TNF-α水平明显增加。3. 此外还探讨了“AQPs在牦牛体内水平衡中的作用”及“能量代谢与高原适应”的相关研究。本项目支持下，目前发表已见刊论文15篇，其中SCI论文6篇，CSCD收录北大核心期刊7篇。