有氧运动调控APP小鼠神经元内Rho/cofilin信号通路的研究

Synaptic loss play an important role in brain aging or neurodegenerative disease. However,the molecular mechanisms regulating the functional recovery of exercise in the brain remain unclear. Cofilin and actin-containing rods may contribute to brain aging and neurodegeneration by inducing synaptic loss. In this present study, we sink to investigate whether different intensity aerobic exercise could improve the performances of mice and, more specifically, to rescue the cognitive impairments of APP transgenic mice and affect the Rho/cofilin signaling molecules pathways involved in neuroplasticity in the hippocampus and cortex. 1. behavioral testing paradigms is used to measure the effect of treadmill on mouse performance; 2. to exmine the changes of synapse density and area, and the containment of cofilin-actin rods by immunohistochemistry and transmission electron microscope. 3.to the test expressions of signaling molecules important for synapse replasity like RhoA、Cdc42 and so on by western-blot or RT-PCR. 4. to observe the changes of mitochondria structure, distribution and function in the cortex and hippocampus with different detection methods.

目前运动诱导神经功能恢复的脑内调节机制并不清楚。在神经变性疾病或脑老化过程中神经元间突触的丢失起关键作用，神经元内cofilin-actin rods的形成可能通过诱导突触丢失导致脑的老化或神经变性发生。本研究以APP小鼠为研究对象,建立不同强度的有氧运动模型，采用 1)Morris 水迷宫检测动物空间认知能力的变化；2)免疫组化联合透射电镜观察突触密度、面积及cofilin-actin rods含量等相关形态学改变；3) Western Blot、RT-PCR等技术检测主要信号分子转录、表达及活性变化；4)Clark氧电极测定法、化学发光法及荧光素-荧光素酶法等检测相应脑区线粒体形态结构、分布及功能活性变化，以期从Rho/cofilin信号途径探讨有氧运动促进突触可塑性的可能分子机制。

在神经变性疾病或脑老化过程中神经元突触丢失起关键作用，而神经元内cofilin-actin rods的形成可能通过诱导突触丢失导致脑的老化或神经变性发生。本研究以APP/PS1双转基因小鼠的AD模型为研究对象，建立不同强度的有氧运动模型，应用行为学检测，结合免疫组化、免疫荧光、透射电镜等形态学和分子生物学检测，探讨运动干预对正常增龄至衰老动物或AD模型中枢调控突触结构重塑的Rho/cofilin信号通路的作用，及对AD模型中枢线粒体轴浆转运及氧化磷酸化相关功能的作用。研究证实：1. 运动调节Rho GTPase活性，抑制RhoA表达，促进Rac1和Cdc42的表达，实现对成年大鼠神经元突触结构的可塑性，增加成年大鼠中枢皮层突触密度。2.在自然衰老大鼠皮层cofilin含量增加，Rac1 和cdc42蛋白含量和活性增加，而海马Rac1 和cdc42蛋白含量和活性降低，RhoA活性和表达皮层海马均无变化。首次证实高频率运动可以减轻衰老皮层海马Rho GTPase族Rac1 和cdc42的变化，抑制cofilin过度聚集，延缓老化引起的突触丢失。3.随AD发生不同病程阶段，有氧运动改善发病早期6月龄AD模型行为能力，抑制皮层、海马Aβ沉积，减少cofilin异常聚集，增加突触前Syn含量。但随病变对不同脑区侵犯程度不一致，皮层RhoA和Rac1活性无明显变化，主要存在于抑制性突触的Cdc42含量及活性明显下降；海马脑区Rho GTPase变化与皮层不同，Rac1和RhoA总蛋白及活性均较正常对照组增加，而cdc42 无变化。有氧运动可以改善上述变化。4. AD发展至8月龄，有氧运动也可以改善其行为能力，上调中枢Drebrin和Ras蛋白表达，增加树突棘密度，减轻AD树突棘严重丢失的程度，促进树突棘可塑性。但与6月龄不同，海马Rho GTPase族变化不明显。提示随病程的不同阶段，累及脑区程度不同，参与突触结构重塑的Rho GTPase族局部调节能力不一样。5.在AD模型9月龄时，有氧运动也可以减轻病理性Aβ沉积，调控线粒体MPTP开放程度，增强能量代谢功能，减轻线粒体顺向轴浆转运障碍，增加线粒体在突触的分布，改善神经细胞线粒体结构和功能，增强突触可塑性。本研究结果为AD的非药物早期运动干预疗法提供形态学及分子生物学证据。