组织蛋白酶K对海马记忆功能及阿尔茨海默病记忆障碍的作用及其神经化学机制

Cysteine protease cathepsin K(CatK) is one of the most potent proteolytic enzymes in the intracellular and extracellular spaces. CatK effects learning and memory, and mediate Notch1 activation, but the neurochemical mechanisms are unclear. In order to fully reveal the effect and mechanisms of how CatK affect hippocampal learning and memory function, we used pharmacological intervened CatK or CatK deficient mice, then observe animals’ behavior，LTP and change of multiple neurotransmitters in hippocampal dentate gyrus(DG) extracellular fluid during the process of memory by taking methods of implanted electrodes, behavioral observation, microdialysis and high performance liquid chromatography(HPLC). Furthermore, we use genetic intervention (siRNA-CatK and Ad-CatK), immunoblotting and other experimental methods to further discuss the function and mechanism of CatK-mediated Notch1 activation and downstream signal molecules. On this basis, we discussed the mechanisms of how CatK related learning and memory will provide a reliable theoretical guidance to the prevention and treatment of Alzheimer’s disease.

组织蛋白酶K(CatK)在细胞内外参与分解/修饰多种蛋白质影响学习记忆功能，前期研究发现CatK具有类似γ-分泌酶的作用可以活化Notch。已知Notch通路调控记忆形成过程，然而CatK是否介导Notch影响海马记忆功能尚不清楚。本研究利用CatK基因敲除及阻断剂，应用行为学记录、脑部微量透析及HPLC等技术，同步记录学习行为、LTP和海马DG区氨基酸类神经递质的含量变化，直观地揭示CatK对海马学习记忆功能的影响；结合基因沉默、转染及免疫印迹法等方法，探讨CatK介导Notch1活化及Notch1-Glu/NMDAR-CREB信号通路影响海马认知功能的新的神经分子化学机制。在此基础上探索CatK影响阿尔茨海默病(AD)认知障碍的神经化学机制。本研究阐明改变CatK活性、削弱Notch1激活影响AD认知功能障碍的新机制，将为AD的防治提供新的生物标记物，亦为研究及开发新药物提供新思路。

随着老龄化社会的进程，认知功能障碍性疾病严重威胁着老年人的个人健康，已成为严重的社会及医疗问题。阐明学习记忆的细胞和分子机制才能为认知功能障碍性疾病的治疗寻找更有效的方。组织蛋白酶K（Cathepsin K, CatK）是机体主要的弹性蛋白酶和胶原酶，在细胞内外参与修饰或分解蛋白质影响机体多种生理功能。前期研究发现CatK具有类似γ-分泌酶的作用可以活化Notch1；已知Notch信号通路参与调控突触可塑性和记忆形成过程，然而CatK是否介导Notch1的激活影响海马空间学习记忆功能尚不清楚。本研究应用药理学和基因沉默技术阻断CatK作用，应用行为学记录、脑部微量透析法及HPLC等技术，同步记录学习行为和海马DG区谷氨酸等氨基酸类神经递质的含量变化，直观地揭示CatK对海马学习记忆功能的影响；结合基因沉默、免疫印迹法等方法，探讨CatK介导Notch1活化及信号通路影响海马认知功能的神经分子化学机制。研究结果表明，Morris水迷宫定位航行实验中观察到CatK抑制组在前四天逃避潜伏期明显延长；空间探索实验中也观察到CatK抑制组穿越原平台区的次数和目标象限停留时间均明显少于对照组，提示抑制海马CatK降低大鼠空间学习记忆功能。同时，应用永久性双侧颈总动脉结扎方法建立血管性痴呆（VD）模型，探讨CatK对VD模型大鼠空间学习记忆能力的影响及其作用机制。高效液相色谱法观察CatK阻断剂减少了海马DG区内的Glu含量。海马组织和基因干扰(siRNA-CatK)的海马神经元细胞中均可观察到c-Notch1、p-Akt、p-CREB及BDNF的表达水平显著降低，证实catK参与激活Notch1信号通路，调节与学习记忆功能相关的因子如CREB、BDNF等的生成，调节记忆形成过程。而且，在血管性痴呆模型实验中观察到CatK抑制剂通过焦亡通路改善空间学习记忆障碍。本研究将为探讨血管性认知功能障碍机制提供新的科学理论依据，亦将为血管性认知功能障碍的治疗寻找新的、具有临床治疗意义的生物标志物。