蛋白泛素化信号网络在神经发育疾病中对突触功能的调控作用

The goals of the proposed research are to elucidate the role of ubiquitin-signaling networks in the regulation of synaptic function in .neurodevelopmental disorders. We recently discovered that conditional knockout of Cdh1, the key coactivator of the major E3 ubiquitin ligase Cdh1-APC, profoundly impairs metabotropic glutamate receptor-dependent long-term depression (mGluR-LTD) in the hippocampus. In mechanistic studies, we have identified the fragile X syndrome protein FMRP as a novel substrate of Cdh1-APC in the regulation of mGluR-LTD in the hippocampus. These findings define the major E3 ubiquitin ligase Cdh1-APC and fragile X syndrome protein FMRP as components of a novel ubiquitin-signaling pathway that regulates mGluR-dependent synaptic plasticity. These findings also raise fundamental questions on the mechanisms of Cdh1-APC signaling in synaptic plasticity and potential biological implications of Cdh1-APC in the treatment of fragile X mental retardation. In the current proposal, we aim to elucidate mechanisms regulating Cdh1-APC in mGluR-LTD, define mechanisms by which Cdh1-APC drives mGluR-LTD, and determine implications of Cdh1-APC signaling in fragile X syndrome. Addressing these questions will advance our understanding of ubiquitin-signaling network in the regulation of synaptic function in neurodevelopmental disorders.

本研究的总体目标是探索蛋白泛素化降解信号网络在神经发育相关疾病中对突触可塑性的调控机制。申请人最近的研究发现Cdh1-APC，一种脑内主要的泛素E3连接酶，可以特异性地调控fragile X综合症蛋白FMRP的泛素化降解，从而促进脑内海马代谢性谷氨酸依赖的长时程突触抑制(mGluR-LTD)的发生。为了进一步理解Cdh1-APC/FMRP蛋白泛素化信号网络对突触可塑性的调控机制，我们将通过结构－功能分析研究调控Cdh1-APC功能的上游分子机制；以及鉴定受Cdh1-APC/FMPR信号通路调节的目标蛋白，从而发现Cdh1-APC/FMRP调控mGluR-LTD的下游分子机制。本项目还将重点验证Cdh1-APC成为治疗fragile X综合症新的分子靶点的可行性，即是否可以通过抑制Cdh1-APC来恢复fragile X脑内FMRP的水平以及fragile X相关的认知行为障碍。

本项目原旨在探索蛋白泛素化降解信号网络在神经发育相关疾病中对突触可塑性的调控机制。我们在fragile X premutation小鼠模型的大脑皮层神经元中，确认了FMRP的表达水平的显著下降。然而，我们发现在大脑皮层兴奋性神经元中敲除Cdh1-APC并不能提高FMRP的表达水平。这与我们想通过抑制Cdh1-APC的功能来提高fragile X premutation脑内FMRP的水平，并恢复fragile X 相关的病理改变和认知行为障碍这一计划相矛盾。因此，我们放弃了原先计划的通过抑制Cdh1-APC的功能来恢复fragile X 相关的病理改变和认知⾏行为障碍这一方面的研究，将研究重点转向为研究其他重要的神经发育疾病相关基因的功能及其病理机制。我们研究了与fragile X相类似的另外一种X-染色体连锁的智力障碍疾病—BFL综合症。.我们研究了BFL综合症致病蛋白PHF6在神经系统中的功能，及其异常而导致的神经发育疾病的发病机理。我们发现PHF6富集性地表达在下丘脑弓状核AgRP神经元中。因为AgRP是控制摄食的关键神经元，因此我们研究了PHF6在AgRP神经元中对摄食调控的作用。我们发现PHF6作为转录抑制因子影响饥饿状态下AgRP神经元的转录谱和神经元的兴奋性。在饱腹状态下，PHF6会抑制即早基因（IEGs）的表达，而它对这些基因的抑制在饥饿状态下消失。我们通过测序发现PHF6结合在多种IEGs的启动子区域，饥饿会引起PHF6从IEGs的启动子区域解离，进而促使基因迅速转录表达。在PHF6条件性敲除小鼠中，其饥饿状态下活动依赖的IEGs转录受损及AgRP食欲多肽表达下降，导致饥饿诱导的摄食行为减少以及抵抗在重复性的禁食-复投喂（yo-yo diet）中的体重增长。通过本研究，我们发现BFL综合症致病蛋白PHF6可以调制不同营养状态下AgRP神经元的转录谱，以调控机体的摄食行为。这一发现揭示了转录调节和适应性行为之间的精巧联系，为我们理解染色质结合蛋白如何调节动物的本能行为提供了一个崭新的视角。