双孔钾通道TWK-40调控运动机制研究

Two-pore domain potassium (K2P) channels, through conducting background K+ leak currents, establish neuronal resting membrane potential (RMP), but their role on the physiological property and functional output of intact neural circuits, is poorly understood. Our preliminary experiments discover that C. elegans K2P channel TWK-40 modulate locomotion behavior by regulating neuronal RMP and excitability of premotor interneuron AVA through K+ leak currents. Furthermore, background Na+ leak channel NCA coordinates with TWK-40 for locomotion regulation. Therefore, we have identified an unexpected role of TWK-40 in determining locomotion. We will employ quantitative behavioral analysis, optogenetics, cellular Ca2+ imaging, in vivo patch clamp electrophysiology approaches to study the physiological mechanisms of TWK-40 in neuronal excitability and motor circuit output. Together with genetics screen methods, this study will establish TWK-40 related diseases animal models and identify twk-40 specific regulating genes and small molecules. This project will decipher the neural circuit and molecular mechanisms of TWK-40 on locomotion. Our results will shed new insights into the mechanism of locomotion regulation, provide possible diagnostic tools or treatments for related diseases.

双孔钾（K2P）通道调节背景K+漏电流控制神经元静息膜电位，但其在完整神经环路中的生理特征和功能还知之甚少。我们发现秀丽线虫K2P通道TWK-40通过背景K+漏电流调节运动前中间神经元AVA的静息膜电位和兴奋性，调控运动行为。此外，背景Na+漏电流通道NCA能与TWK-40协同调控运动。以上预实验结果提示TWK-40对运动神经环路调控起着重要作用。我们拟运用量化行为分析、光遗传、胞内钙成像、在体膜片钳电生理等技术，系统阐述TWK-40调控细胞活性和运动神经环路输出的生理机制。利用遗传学方法建立TWK-40相关疾病线虫模型，筛选twk-40关键调节亚基或互作基因，以及小分子药物。本项目将从“分子--细胞--神经环路--运动行为--疾病模型--药物筛选”等多层次，揭示K2P通道TWK-40调控运动的神经与分子机制。研究结果将有助于理解运动调控机理，为预防和治疗运动相关疾病打下基础。

神经元静息膜电位对支配感觉、情绪和运动等行为至关重要。静息膜电位受包括双孔钾通道（K2Ps）在内的多种蛋白调节，研究特定K2P通道如何精确调控神经细胞活性、神经环路动态平衡以及行为输出等，对运动障碍疾病预防、麻醉等领域，具有重要理论和临床意义。我们以秀丽线虫为动物模型，联合量化行为分析、膜片钳电生理、实时胞内钙成像、分子遗传学、药理以及数学模拟等手段，系统探讨了K2P通道TWK-40的生理功能及其分子机制，主要研究成果包括：1）揭示TWK-40对于维持线虫中间神经元AVA的强直活性起到关键作用，调控AVA在不同时间尺度上无缝协调两种互斥的运动状态的转换（前进和后退）。2）发现TWK-40超极化线虫GABA能神经元DVB的静息膜电位，抑制节律排便行为。3）在本项目的支持下，还意外发现味觉感受神经元ASI释放神经肽NLP-18，激活下游头部运动神经元SMD和中间神经元AIB上的胆囊收缩素样受体CKR-1，调控快速逃避行为，提示慢时程的神经调质（神经肽）信号通路在快速逃避行为中也能发挥关键作用。4）技术上，通过在传统宽场荧光显微镜上增加水平激光光片照明光路，运用亚体素空间位移重建图像体积算法，结合离轴扫描策略，实现了快速、低光毒、低成本的细胞三维光片成像；其次，开发了多种基于镧系上转换纳米粒（Upconversion nanoparticles, UCNPs）的近红外光光遗传（NIR-optogenetics）技术，实现线虫神经元的高效激活与损伤。以上研究结果为理解运动产生以及协调机制，预防运动障碍疾病奠定了实验基础。本项目计划发表论文3-4篇，实际标注资助的发表论文7篇、在投论文4篇，皆为通讯作者论文。