Hsp20及其磷酸化在脑缺血再灌注损伤中的神经保护作用

Neuroprotective agents play an important role in the treatment of cerebral ischemia-reperfusion injury. Hsp20 is highly and constitutively expressed in the brain. Phosphorylation at serine residues is a major post-translational modification that occurs to Hsp20. In previous studies, our data demonstrated that increased Hsp20 expression in neuronal cells protected against ischemia-reperfusion injury. Phosphorylation of Ser16 played an important role in the neuroprotective effect of Hsp20. We also demonstrated that cerebral ischemia-reperfusion injury induced mitochondria fragmentation and the release of cytochrome c from mitochondria to cytosol. Meanwhile, the Golgi apparatus also showed fragmentation. Mitochondria and the Golgi apparatus are crucial in cerebral ischemia-reperfusion injury and they are potential targets for neuroprotective interventions. Our results suggested that Hsp20 alleviated ischemia-reperfusion-induced mitochondria fragmentation and decreased the release of cytochrome c from mitochondria to cytosol. The protective action on mitochondria may account for its neuroprotective actions. Therefore, on the basis of our previous findings, we will investigate the expression pattern of Hsp20 and its phosphorylation upon cerebral ischemia-reperfusion injury both in vitro and in vivo. We will also define the functional significance of the nonphosphorylated and phosphorylated Hsp20 forms in neuroprotection on cerebral ischemia-reperfusion injury. Finally, we will study the potential benefits of Hsp20 and its phosphorylation form action on mitochondria and the Golgi apparatus and the underlying mechanism(s). Thus, these findings will provide experimental and therapeutic options for the treatment of a broad range of pathologic disorders associated with cerebral ischemia-reperfusion injury.

神经保护剂在脑缺血再灌注的治疗中具有重要作用。Hsp20在脑组织中表达水平较高，丝氨酸残基的磷酸化是Hsp20转录后修饰的主要方式。我们前期研究发现，Hsp20在脑缺血再灌注中对神经细胞具有保护作用，其神经保护作用与Ser16磷酸化密切相关。我们同时发现，脑缺血再灌注后，线粒体出现碎裂，细胞色素C释放增加；高尔基体同样也发生了碎裂。线粒体与高尔基体在脑缺血再灌注损伤中具有至关重要的作用，它们是神经保护的良好靶点。而Hsp20则能减轻缺血再灌注后线粒体的碎裂，抑制细胞色素C的释放，保护线粒体是其神经保护作用的重要机制。因此，在本研究中，我们将在前期研究基础上，通过体内外实验，系统研究Hsp20表达及磷酸化水平与脑缺血再灌注损失的相关性，Hsp20在脑缺血再灌注损伤中的神经保护作用及与Ser16磷酸化的关系，Hsp20及其磷酸化突变体对线粒体高尔基体的保护作用，为其早日应用于临床治疗奠定基础。

缺血性脑卒中是神经科最常见的疾病之一，发病率、死亡率及致残率均高，给家庭和社会带来了巨大的负担。神经保护剂在脑缺血再灌注的治疗中具有重要作用，Hsp20是一个潜在的具有神经保护作用的因子。在本项目中，我们成功建立了脑缺血再灌注损伤的动物及细胞模型。培养了小鼠脑神经瘤N2a细胞及原代海马神经元，成功建立了脑缺血再灌注损伤的氧糖剥夺再灌注细胞模型。同时，成功建立了SD大鼠大脑中动脉栓塞及再灌注的脑缺血再灌注损伤的动物模型（MCAO）。掌握了细胞氧糖剥夺或大鼠脑缺血及再灌注的最佳实验时间。成功构建了Hsp20野生型、Ser16磷酸化突变体Hsp20 S16D及Ser16去磷酸化突变体Hsp20 S16A过表达系统和慢病毒表达系统。通过动物及细胞实验证实Hsp20及磷酸化Hsp20的表达水平受缺血再灌注的调节并与缺血再灌注损伤明显相关。同时，感染Hsp20野生型及Ser16磷酸化突变体Hsp20 S16D病毒颗粒能减轻小鼠脑神经瘤N2a细胞、原代海马神经元及SD大鼠缺血再灌注损伤，具有神经保护作用，而感染Ser16去磷酸化突变体Hsp20 S16A病毒颗粒在体内外缺血再灌注损伤中则没有神经保护作用。同时，感染Hsp20野生型及Ser16磷酸化突变体Hsp20 S16D病毒颗粒能对小鼠脑神经瘤N2a细胞、原代海马神经元及SD大鼠缺血再灌注损伤后的线粒体及高尔基体的结构与功能发挥保护作用，而Ser16去磷酸化突变体Hsp20 S16A则在体内外缺血再灌注损伤中对线粒体及高尔基体的结构与功能没有保护作用。我们的研究，在体内外实验中证实了Hsp20在脑缺血再灌注损伤中的神经保护作用及对线粒体高尔基体的保护作用，为其早日应用于临床治疗奠定了基础。