A型钾通道在脆性X综合征中的神经元兴奋性调节作用

Neuronal excitability regulated by A-type potassium channels plays physiological and pathological roles in brain fucntion. Recent reports and our pilot experiments provide a clue that A-type potassium channels involve in the mechanisms underlying the Fragile X syndrome(FXS), a leading cause of intellectual disability. A more comprehensive study is surely essential to determine the changes of A-type potassium channels and uncover the related mechanisms in the FXS. In this project, we will utilize Fmr1 knockout mouse as FXS model to investigate the transcription, translation, and trafficking of A-type potassium channels and their interacting molecules in different brain areas, especially on synapses and dendrites. New evidence indicates the Fragile Mental Retardation Protein (FMRP) binds to the mRNA of RNA-editing Enzyme(ADARs).Thus, the RNA editing levels of Kv1.1 which have an impact on A-type potassium current are worthy to be measured in the FXS model. Coimmunoprecipitation will be used to determine the direct bingdings between Kv1.1, Kv4.3 and FMRP. The functional changes of A-type potassium channels, as well as neuronal firing pattern and synaptic responses will be investigated through electrophysiological recording from Fmr1 KO mice, to understand how A-type potassium channels regulate membrane excitability in the absence of FMRP. Meanwile, we will use the transgenic mice with the Potassium Interating Protein 1(KCNIP1) overexpression to upregulate the A-type potassium current and learn the crosstalk mechanisms among the dendritic spine development, the metabotropic glutamate receptors signal pathways and GABA receptors, followed with behavioral evaluations. These studies will help to elucidate the relationship between A-type potassium channels and seek the possibility to target A-type potassium channels for the FXS treatment.

A型钾通道在控制神经元兴奋性具有重要生理和病理意义。最新研究结果提示A型钾通道与常见的智力障碍遗传疾病脆性X综合征具有一定联系，然而其相关关系、机制和意义仍然有待进一步的研究。本项目就不同的A型钾通道及其上游调控机制，在脆性X综合征动物模型中研究其表达分布、细胞亚定位、突触膜通道密度阐明FMRP缺失后A型钾通道的表达、翻译和转运，并探索Kv1.1RNA编辑机制是否参与了疾病的发生过程。利用免疫共沉淀的方法研究FMRP与A型钾通道mRNA和蛋白间的相互作用，阐明突触结构A型钾通道的翻译调控。利用脑片电生理记录A型钾电流、突触电反应等以评价神经元的兴奋性。通过转基因调节研究钾电流调节对脆性X综合征树突棘发育、mGluR信号、GABA受体通路等病理生理过程的影响，并进行行为学分析评估以钾通道为靶点治疗脆性X综合征的可能性。

脆性X综合征（FXS）是一个常见的神经发育相关性疾病，其主要的特征表现为过度活跃的神经兴奋性。目前已有很多研究提示A型钾电流在冲动的输入整合和神经兴奋性控制方面具有重要的作用，可能在FXS的发病过程中发挥关键的作用。当前的项目主要是研究A型钾通道在FXS疾病过程中如何参与神经元兴奋性的控制，及其可能的机制。我们将Fmr-1敲除小鼠作为FXS的研究模型，阐明不同类型神经元不同发育阶段A型钾通道的变化。首先，我们证实了Fmr-1敲除小鼠的皮层锥体神经元具有爆发性放电的倾向。而内源性膜电属性的改变与这种放电模式的改变和易化的冲动发放有关。此外，在脑片中记录的癫痫样放电也显著增多，提示皮层神经局部网络的高兴奋性。锥体神经元的普遍高兴奋性构筑了一个高兴奋性的神经网络，可解释FXS的许多临床表征，诸如活动过度，躯体感觉敏感度增高，以及癫痫发作。我们推测A型钾通道的可塑性改变与之有关。我们筛查了不同的A型钾通道，主要发现Kv4.2和Kv1.1的表达和通道属性发生了显著的变化，这种变化与不同的神经发育期有关。Kv4.2的表达下调可导致A型钾电流的显著下降，是FXS大脑普遍高兴奋性的原因之一。此外，我们还发现Fmr-1敲除小鼠海马的FS（fast-spiking）中间神经元也有类似的改变。A型钾电流的激活和失活属性发生了改变。结果提示海马的中间神经元的钾电流改变可能与海马神经回路的兴奋性和学习记忆机制等有关。Kv1.1也是A型电流的主要介导者。我们比较了Fmr-1敲除小鼠和野生型小鼠在大脑不同区域Kv1.1编辑水平和其可能的上游调节蛋白ADAR1和ADAR2。研究发现，在发育早期Kv1.1编辑转录本显著上升，而野生转录本显著下降。伴随增高的ADAR1和ADAR2提示FMRP缺失导致的ADAR增高导致更多的Kv1.1转录本被编辑。这种变化与FXS的神经兴奋性改变也有密切的联系。我们还发现mGluR5受体激活通路与A型钾电流相关，伴随兴奋性突触后电流的增加，提示A型电流的下调不但影响神经元动作电位的形成，也同时易化了突触后电传递。总之，我们根据计划书完成了在Fmr-1敲除小鼠上有关A型钾通道功能改变的研究及其与神经兴奋性调控的联系。主要的改变包括表达、通道电化学属性以及RNA编辑事件等。进一步的研究可围绕A型钾通道与FXS的关系在RNA编辑水平、通道功能调节、促表达的方面寻找治疗的靶点。