蛋白激酶D1调控神经型钙粘素N-cadherin促进突触发育和学习记忆的机制研究

Functional synapse formation, maturation and remodeling are essential for the wiring of neural circuits in developing brain and have been implied to play important roles in the emergence of Alzheimer's disease. Our previous studies demonstrate that in the late phase of neuronal development, PKD1 interacts with N-cadherin and promotes synapse formation and function depending on its kinase activity and its Golgi localization. Notably, in vivo disrupting the interactions of PKD1 and N-cadherin leads to a reduction in dendritic spines but an improvement of the proportion of mushroom spines and spatial learning and memory. Based on the above results and literature, we hypothesize that disrupting the binding of PKD1 and N-cadherin accelerates spine maturation while decreases the unspecific synapses. This process promotes the effect of information storage, leading to improved learning and memory of rats in the water maze test. To prove this hypothesis, we will first determine the effects of PKD1 and N-cadherin in different stages of learning and memory, and explore the underlying molecular mechanisms of animal behaviors associated with synaptic plasticity and remodeling. We will also demonstrate the function of PKD1 in pathological states of AD transgenic mice. Our project will shed insight into the important roles of PKD1 in learning and memory and provide new targets in clinical treatment of neurological diseases.

神经系统中，突触的形态功能和突触可塑性对神经环路和大脑高级功能至关重要，并在阿尔兹海默症等疾病的发生中起到关键作用。我们的前期工作揭示，海马神经元发育晚期，蛋白激酶D1（PKD1）通过增加神经型钙粘素N-cadherin（N-cad）的膜定位促进树突棘发育和突触功能，该过程依赖于PKD1的激酶活性和其在高尔基体上的定位。在体研究表明，海马脑区阻断PKD1与N-cad的相互作用使动物学习记忆能力提升。据此我们提出假说：神经元发育晚期至成熟阶段，干扰PKD1与N-cad的相互作用促进非特异性突触连接的消退，增强成熟突触的比例和功能，提高动物学习记忆能力。围绕该假说，我们将明确生理与病理状态下PKD1与N-cad的相互作用对学习记忆各阶段的影响，以及对突触形态和功能的调控机制。该研究对阐明调控学习记忆和突触重塑二者关系的分子机制具有重要意义，并为临床上神经系统疾病的诊断和治疗提供新的靶点和思路。

神经系统中突触是两个神经元相连并传递信息的部位。神经元之间通过突触连接形成高度特异而精确的环路联系是神经环路和神经系统发挥功能的基础。突触丢失和突触功能异常是孤独症 (Autism)、帕金森氏症 (Parkinson's disease, PD) 和阿尔兹海默症 (Alzheimer's disease, AD) 等中枢神经系统疾病发病过程中最早期的病理改变。因此，研究突触发育和突触可塑性的调控机制对于理解大脑的高级功能显得尤为重要。为了研究PKD1在神经系统发育后期的作用，本项目以原代培养的海马神经元为模型，证明了PKD1作为N-cadherin的上游并通过与N-cadherin的结合和磷酸化促进突触发育和功能，该过程依赖于PKD1的激酶活性。通过构建一系列截短突变体确定了PKD1能够直接与N-cadherin 836-871位的氨基酸结合并磷酸化N-cadherin 869, 871, 872位的丝氨酸，从而增加N-cadherin的膜定位，并促进突触发育和功能。并且，PKD1与N-cadherin的相互作用增加了其与-catenin的结合，从而稳定N-cadherin的膜定位。阻断PKD1与N-cadherin的相互作用导致N-cadherin膜定位减少，并抑制突触发育和功能。为了研究PKD1与N-cadherin的相互作用对突触可塑性的调控，在发育晚期大鼠海马双侧CA1脑区给予干扰肽阻断PKD1和N-cadherin相互作用，并对急性脑片长时程增强（Long term potentiation，LTP）进行诱导和记录，发现阻断PKD1与N-cadherin的相互作用抑制了LTP的诱导和维持，并使神经元突触前递质释放减少。进一步研究发现，在体阻断二者的相互作用提高了大鼠的学习能力和记忆提取能力，其潜在的机制为活性依赖的增加了海马CA1脑区神经元成熟突起的比例。.综上，本项目揭示了PKD1在神经元发育后期调控树突棘发育和突触功能的新机制，即神经型钙粘素N-cadherin作为PKD1的一个新的底物分子，受到PKD1的多重调控。由于N-cadherin等细胞粘附分子对神经元的靶向定位和突触形成意义重大，本项目为最终揭示突触发育和神经环路形成过程中多样、精确的分子调控机制提供了新思路，为临床上提高学习记忆和治疗阿尔兹海默症等神经退行性疾病的药物研发提供了重要靶点。