Shh信号调控5-羟色胺能神经环路发育的分子机理研究

In our previous studies, we conclude that Shh signaling-mediated multidirectional repulsion is required to push descending serotonergic RST axons in the A-P (anterior to posterior)direction and to restrict these axons to the ventral and ventral-lateral funiculus in the M-L (medial to lateral) direction. This is the first demonstration that Shh signaling-mediated multidirectional repulsion of serotonergic raphespinal axons maintains spatial axon pathfinding in the developing spinal cord. In this proposal, we plan to explore deeply into the endocellular signaling pathway of Shh involved in controlling the projection of these descending raphespinal axons. We will identify the key receptor(s) in the cellular membrane and endocellular siganling component(s) in growth cones to mediate the Shh repulsion of serotonergic raphespinal axons. Moreover, we will elucidate the molecular mechanism underlying the pathfinding of the ascending serotonergic axons. Based on these findings, we will try to describe the molecular mechanism of serotonergic neural circuit formation including the descending and ascending serotonergic axons. Furthermore, using this system, we will also try to find the molecular mechanism underlying the bidirectional Shh guidance of serotonergic axons that switch between repulsion and attraction.

我们以前的研究发现，神经轴突导向分子Sonic Hedgehog（Shh）通过多方向性的排斥性神经轴突导向作用，调控下行的5-羟色胺能神经轴突（即缝核脊髓束神经）在小鼠脊髓中的空间精确投射。在此，我们拟深入研究在小鼠发育的中枢神经系统中，Shh对下行5-羟色胺能神经轴突排斥性导向作用的细胞内分子机理，包括阐明阶导Shh排斥性神经导向作用的关键性膜受体和引起下行5-羟色胺能神经轴突生长锥排斥性改变的细胞内信号机制。另外，我们也拟阐明Shh对上行5-羟色胺能神经轴突（向脑区投射的神经轴突）吸引性神经轴突导向作用的分子机理。最后，我们拟在上述研究结果的基础上，以发育的5-羟色胺能神经环路为研究系统，全面揭示5-羟色胺能神经环路（上行和下行5-羟色胺能神经）发育形成的分子机理，并阐明Shh 对5-羟色胺能神经轴突双向神经轴突导向作用（排斥性和吸引性作用）之间转换的分子机理。

我们以前的研究工作发现Shh-Ptch1-Smo信号通过多方向的排斥性作用调控下行的5-羟色胺能神经轴突在脊髓中的空间投射。在这个项目的研究中，我们发现Shh(Sonic Hedgehog)沿头尾两个方向梯度性表达在胚胎小鼠的后脑。in vitro, ex vivo 和 in vivo的证据显示Shh-Ptch1-Smo信号吸引胚胎小鼠后脑上行的5-羟色胺能神经轴突。更多的研究揭示了下游的信号分子是如何调控Shh-Ptch1-Smo信号通路在两个方向上控制5-羟色胺能神经轴突的投射。通过激活Gα13和提高PKA活性，上行的5-羟色胺能神经轴突被由低到高的Shh表达梯度所吸引向头端投射。相反，通过激活Gαi和降低PKA活性，下行的5-羟色胺能神经轴突被由高到低的Shh表达梯度所排斥向尾端投射。在小鼠胚胎中，在阻断Gα13和降低PKA活性的条件下，上行5-羟色胺能神经轴突会出现明显的投射错误。而在阻断Gαi和提高PKA活性的条件下，下行5-羟色胺能神经轴突则会出现明显的投射错误。因此，通过此项目的研究中，我们发现了一个G蛋白依赖的信号分子机制通过调控细胞内PKA的活性来介导Shh对胚胎小鼠上下行的5-羟色胺能神经轴突双方向的轴突导向作用。