Rap1在慢性应激致海马神经元结构和突触功能损伤中的作用与机制

Chronic stress exposure is an important social factor that causes anxiety, depression and other mental disorders which related to the atrophy of hippocampal neurons and the damage of synaptic function. However, the molecular mechanism is not clear. Rap1, a member of Ras superfamily, is an important protein that regulates the growth and development of neurons and synaptic AMPA receptor trafficking. Our pre-experiment results shown that Rap1 was involved in the maintenance of anxiety in mice and chronic stress can significant activate the Rap1 in hippocampus. Based on this, we hypothesize that Rap1 may mediate the structural and synaptic function impairment of hippocampal neurons induced by chronic stress, which in turn lead to the occurrence of anxiety behavior. Thus the present project intends to use Rap1a/1b double gene knockout mice, through the establishment of chronic immoblization stress (CIS) model, we will study: 1) The role of Rap1 in CIS caused atrophy of hippocampal neurons and downregulation of synaptic AMPA receptor expression and function; 2) The role of Rap1 in CIS induced anxiety; 3) The role of p38 pathway, downstream of Rap1, in mediating the above effects; 4) The effects of Rap1 re-expression in the hippocampus of knockout mice on CIS effects. This study will help to reveal the molecular mechanism of chronic stress induced emotion disorders in the brain.

慢性应激暴露是引发焦虑和抑郁症等精神疾病的重要社会因素，其作用与海马继发性神经元萎缩和突触功能损害有关，但分子机理尚不明确。Ras家族成员Rap1是调节神经元生长发育及突触AMPA受体转运的重要信号分子。申请人预实验发现，Rap1分子信号参与维持小鼠的焦虑水平，且慢性应激持续激活海马Rap1。鉴此，我们推测Rap1可能介导慢性应激引起海马神经元的结构和突触功能损伤，进而导致焦虑行为发生。本项目拟以Rap1a/1b双基因敲除小鼠为研究对象，通过建立慢性束缚应激（CIS）模型，研究：1）Rap1在CIS引起海马神经元结构萎缩及突触AMPA受体表达/功能下调中的作用；2）Rap1在CIS致小鼠焦虑中的作用；3）Rap1下游关键信号通路p38在介导上述效应中的作用及机制；4）在基因敲除小鼠海马中重新表达Rap1对CIS效应的可能影响。本研究有助于揭示慢性应激损害大脑情感功能的分子机制。

慢性应激暴露是引发焦虑障碍和抑郁症等多种精神疾病的重要社会因素，这与大脑海马脑区神经元结构的萎缩和突触功能受损密切相关，但其中的具体分子机理尚不明确。Ras家族成员Rap1是调节神经元生长发育及突触AMPA受体转运的重要信号分子。本项目中，我们以Rap1a/1b双基因敲除小鼠为研究对象，通过建立慢性应激模型，致力于研究Rap1在慢性应激引起海马神经元结构萎缩及突触AMPA受体表达/功能下调中的作用，并进一步探讨Rap1在慢性应激引发小鼠焦虑障碍中的作用和潜在的神经机制。研究结果表明：①不同的慢性应激模型均能显著激活海马中Rap1分子，提示Rap1可能参与了慢性应激对机体功能的调控；②慢性应激显著降低了小鼠海马CA1神经元树突的总长度，且这种减少作用在基树突和顶树突中均可见到；而Rap1敲除后则可以明显阻断上述慢性应激对CA1神经元树突结构的影响；此外，Rap1敲除后阻断了慢性应激导致的海马CA1神经元树突棘密度的减少，进一步分析发现，Rap1敲除主要消除了慢性应激对CA1神经元基树突（而非顶树突）细长型（Thin）和蘑菇型（mushroom）树突棘密度的调控。说明Rap1敲除可以显著缓解慢性应激引起的海马神经元树突总长度的萎缩；③在Rap1对AMPA受体表达影响方面，我们发现Rap1敲除后可以显著增加海马神经元AMPA受体的膜表达，提示了Rap1敲除可以增加海马神经元兴奋性突触传递；另外，在对CA1神经元进行电生理记录后发现，慢性应激显著降低了神经元AMPA受体介导的微小兴奋性突触后电流（mEPSC）的幅度与频率，表明突触前谷氨酸递质的释放概率和突触后的受体数目/功能均产生明显的下降；相反，在KO小鼠中，慢性应激并不影响mEPSC幅度以及频率。④对比正常对照组小鼠，Rap1敲除小鼠焦虑水平明显更低。另外，慢性应激显著增加了野生型小鼠焦虑样行为，而在Rap1敲除的小鼠中，慢性应激则对敲除小鼠焦虑样行为无明显影响。我们通过腺相关病毒在海马中局部敲除了Rap1，发现局部敲除小鼠的焦虑样行为明显比对照小鼠低，这个结果提示海马中Rap1分子在介导焦虑行为中起了重要作用。综上，我们结果表明，慢性应激可能通过Rap1的激活，进而导致海马神经元结构萎缩和兴奋性突触传递的受损，由此增加了小鼠的焦虑样行为。