DHTKD1基因在神经退行性疾病发生发展过程中的作用机制研究

DHTKD1 (dehydrogenase E1 and transketolase domain containing 1) gene is a member of α-ketoglutarate dehydrogenase families, which plays an important role in mitochondrial energy metabolism.We have found that nonsense mutation of DHTKD1(Y485X) could lead to hereditary peripheral neuropathy named as Charcot-Marie-Tooth(CMT) disease. In vitro, studies showed that the change of tyrosine into the stop codon could cause the rapid degradation of DHTKD1 mRNA and protein, leading to the disorder of mitochondrial energy metabolism and the damage of nerve conduction. So far, the structure and biological function of DHTKD1 and its effect on energy metabolism are still unknown. This research aims to further study the metabolic pathway and its effect on energy metabolism in the cellular level, so as to understand the mechanism of DHTKD1 in the process of nerve conduction.We will construct DHTKD1 knock-out mouse model to study its biological function in vivo, so as to reveal the role of DHTKD1 in the pathogenesis of CMT and other neurodegenerative disorders in the animal level.

DHTKD1(dehydrogenase E1 and transketolase domain containing 1)是α-酮戊二酸脱氢酶家族的一员,在能量代谢等方面发挥重要的作用。课题组研究发现DHTKD1无义突变（Y485X）可导致遗传性周围神经病腓骨肌萎缩症（CMT）的发生。体外研究表明，DHTKD1第485位的酪氨酸变为终止密码子后会造成DHTKD1 RNA及蛋白质的快速降解，从而引起线粒体能量代谢出现障碍，进而出现神经传导的受损。迄今为止，DHTKD1的结构、生物学功能仍未知，为此，本项研究拟在已有基础上，在细胞水平进一步研究DHTKD1的代谢通路及其对能量代谢的影响，以期明确DHTKD1在神经传导中的作用机制;建立DHTKD1敲除小鼠模型用以研究DHTKD1基因的生物学功能，通过整体水平的研究以期揭示DHTKD1导致腓骨肌萎缩症及其他神经退行性疾病的作用机制。

DHTKD1是α-酮己二酸脱氢酶复合体的组成成分，参与赖氨酸代谢通路和线粒体正常功能的维持。越来越多的研究表明DHTKD1 的突变或缺失所造成的生化代谢异常是导致外周神经系统疾病的重要因素。为了更好地研究DHTKD1在外周神经病变中的作用机制，课题组构建了DHTKD1-KO 小鼠模型。通过对小鼠表型的观察，我们发现基因敲除小鼠有明显的运动障碍、感觉障碍以及肌肉萎缩。成年小鼠的坐骨神经的电镜检查显示异常髓鞘增多、髓鞘纤维结构紊乱、成熟的髓鞘纤维减少、脱髓鞘和轴突病变现象普遍可见。敲除小鼠外周神经的病变及运动障碍类似于人类先天性外周神经系统疾病，如腓骨肌萎缩症和远端运动感觉障碍神经疾病等的临床表型。体外细胞实验证明DHTKD1缺失会造成线粒体功能障碍，包括能量生成减少、三羧酸循环关键酶复合体活性下降、三羧酸循环障碍、呼吸链异常、线粒体氧化磷酸化障碍等。此外，DHTKD1缺失后线粒体生成减少、线粒体数量下降。由于这一系列的改变致使细胞活性氧升高，使产生细胞毒性，影响细胞正常的生理活动，同时造成细胞生长减缓，凋亡增加。在敲除小鼠体内证实，由于dhtkd1基因缺失造成外周神经系统和下肢肌肉中线粒体形态的异常、能量代谢障碍和线粒体数量减少，这些线粒体结构和功能的改变促进及加重了外周神经系统疾病的病程。由此，课题组成功建立了一种先天性具有脱髓鞘和轴突病变的外周神经疾病，研究证实疾病是由于dhtkd1缺失导致的线粒体功能异常、骨骼肌病变、坐骨神经结构异常等造成了脱髓鞘以及轴突病变的发生。本项研究不仅是国际上首次阐明了DHTKD1突变所造成外周神经系统疾病的可能的致病机制，而且成功构建了一种模拟人类外周神经系统疾病的小鼠模型，这些都为外周神经系统疾病的诊断与治疗提供了良好的模型与分子依据。