ATP11B对DCF1-/-小鼠学习记忆影响调控机制的研究

Patients who lost learning and memory function suffered mentally and economically. There is no effective treatment and the mechanism is unclear. Our previous studies show that DCF1-/- mice exhibit weaker learning and memory ability, significant reduction in the spine density within hippocampus, and decreased synapses. Subsequently, gene chip analysis shows that ATP11B is significantly downregulated in DCF1-/- mice. Interestingly, ATP11B is observed localized in the synaptic region of neural cells, and moreover, synaptic plasticity is known to be a cellular mechanism of learning and memory processes. Therefore, we hypothesized that ATP11B is downregulated in DCF1-/- mice, that decreased ATP11B inhibits the membrane structure formation, and that finally affects the structure and function of the synapse. Meanwhile, decreased ATP11B can hinder the formation and trafficking of synaptic vesicles, interfere with the signaling pathway, and subsequently impair the learning and memory ability of DCF1-/- mice. The elucidation of the molecular mechanism underlying synaptic plasticity is important for the understanding of learning and memory ability.Furthermore, it may offer enormous potential for the treatment of a variety of patients who have lost Learning and memory.

学习记忆障碍给社会及患者带来庞大的精神和经济压力，目前尚无有效的治疗方法，其机制也不清楚。我们前期的系列研究显示，DCF1敲除小鼠与野生型相比，学习记忆能力明显减弱，树突棘密度降低，形成的突触减少，基因芯片分析表明ATP11B在DCF1敲除小鼠中的表达量明显下调。ATP11B定位于神经细胞的突触区，而突触可塑性是构成学习与记忆的神经化学基础。因此，我们提出假设：在DCF1剔除小鼠中，ATP11B表达量下调，在突触发生和传递的过程中，下调的ATP11B抑制细胞膜结构发生改变，影响突触的结构和功能；同时，阻碍突触囊泡的形成和运输，进而影响其下游信号分子的运输及信号通路，削弱了DCF1敲除小鼠的学习记忆能力。本项目拟从分子、细胞和动物水平上并辅以计算生物学手段研究ATP11B对突触的影响及对学习记忆的调控机制，对以突触为基础的学习记忆的研究提供了理论基础，并进一步为学习记忆的治疗开拓了新的思路。

突触形成与学习、记忆相关联，其损伤是多种神经类疾病的普遍特征。与野生型相比，Dcf1-/-小鼠树突棘密度降低，突触形成减少，学习记忆能力明显下降，基因芯片分析发现ATP11B 在Dcf1-/-小鼠中的表达量明显下调。本项目通过生物学实验与系统生物学分析相结合的方式，证明ATP11B通过MAPK信号通路调控Dcf1-/-小鼠突触可塑性。最后，立体定位注射病毒，过表达ATP11B及小鼠行为学检测证明ATP11B可以提升学习记忆能力。. 在细胞水平，本项目通过透射电镜观察发现ATP11B改变了海马神经元突触的超微结构，共聚焦显微镜观察发现ATP11B影响海马神经元突起长度并参与调控树突棘密度，改变树突棘运动性，说明ATP11B参与调节海马神经元的突触可塑性。随后通过Annexin V染色发现，ATP11B调节细胞膜上磷脂酰丝氨酸的不对称分布。Fluo-4AM染色发现ATP11B增加神经元细胞内Ca2+浓度。为了研究分子机制，用系统生物学方法结合蛋白质谱结果分析出ATP11B可能通过MAPK信号传导途径调控Dcf1-/-神经元突触可塑性，随后进一步进行了实验验证。通过荧光定量PCR和western blotting证实ATP11B调节了突触相关蛋白、谷氨酸受体以及MAPK信号通路相关蛋白的表达。体外抑制MAPK通路后，检测下游蛋白的表达不受ATP11B影响，明确了ATP11B通过突触相关蛋白的变化，MAPK信号通路影响Dcf1-/-小鼠海马神经元突触可塑性。最后通过立体定位注射病毒在小鼠海马区域实现ATP11B过表达，发现Dcf1-/-小鼠突触超微结构的改善和学习记忆能力的提升，最终阐明ATP11B对Dcf1-/-小鼠学习记忆的调控机制。. 本项目完成了ATP11B在Dcf1-/-小鼠学习记忆中的分子机制研究，为深入研究突触功能障碍导致的学习记忆损伤奠定了基础。