三叉神经节钙感受器蛋白STIM1在偏头痛中的作用及机制研究

Migraine is one of the most common periodically neurological disorders. However to date, the underlying mechanisms remain still unclear. Our previous studies have shown that the calcium sensor protein STIM1 (stromal interaction molecule 1) was highly expressed in both medium- and small-diameter trigeminal ganglion (TG) neurons. The induction of cortical spreading depression (CSD) robustly enhanced the protein expression of STIM1, which strongly suggested that STIM1 might be involved in the pathophysiology of migraine. In the present study, by using multiple animal behaviour tests, molecular biological approaches, immunohistochemistry as well as electrophysiological recordings, we firstly determine the effects of STIM1 on the photophobia and CSD parameters of migraine. Secondly, we investigate the endogenous expression of STIM1 in mouse TGs and detect the co-localization of STIM1 with different nociceptive markers, such as substance P (SP) and calcitonin gene related peptide (CGRP) etc. Finally, we examine the role of STIM1 in synaptic transmission, TG neuronal excitability, and elucidate the underlying ion channel mechanisms in small TG neurons. Our studies will help to clarify the cellular and molecular mechanisms of the trigger of migraine. Moreover, we hope to translate our findings to the development of novel therapeutic targets and new regimens for the clinical treatment of migraine.

偏头痛是一类周期性发作的神经系统疾病，其发病机制迄今仍未明确。我们的前期研究结果显示：钙感受器蛋白STIM1（stromal interaction molecule 1）在小鼠三叉神经节（TG）中小直径神经元内大量表达。诱导偏头痛先兆发作后TG神经元STIM1蛋白表达显著增高，提示STIM1可能参与偏头痛的病理生理。本项目在前期研究的基础上，应用行为学、组织化学、分子生物学及电生理记录等实验方法，首先研究STIM1对小鼠偏头痛行为学及皮层扩散性抑制的影响；其次阐明TG内STIM1表达/共定位、STIM1对TG神经元功能活动及相关蛋白磷酸化的改变；最后揭示STIM1对TG神经元突触递质释放、神经元兴奋性改变及离子通道电流变化及分子机制。研究结果不仅将明确STIM1参与偏头痛发生的细胞及分子机制，有助于发展和完善偏头痛的病因学说，而且也为偏头痛临床治疗和研发理想的药物提供新的分子靶标。

本项目研究中，我们探讨了TG内钙感受器蛋白STIM1（stromal interaction molecule 1）参与调节头面部疼痛疾病的发生及其表观遗传机制。研究项目拟从行为学、组织学、分子等层面，阐明了外周感觉神经元TG中STIM1参与疼痛功能调节及其与痛觉高敏的相关性，进而为开发防治包括偏头痛在内的头面部疼痛疾病治疗药物提供新的分子靶标。通过一系列的实验研究，我们的结果显示：1）上矢状窦硬脑膜电刺激模型及三叉神经分支损伤模型均表现为面部机械痛阈值降低，TG感觉神经元及模型动物血清中降钙素基因相关肽表达显著升高。行为学结果表明，硬脑膜电刺激模型表现为明显的畏光现象。2）其次，应用化学修饰siRNA干扰序列（胆固醇及聚乙二醇修饰）STIM1-siRNA进行TG内立体定位注射，发现STIM1-siRNA有效转染并抑制STIM1蛋白表达，干扰STIM1不改变小鼠自主运动能力，但明显翻转上矢状窦硬脑膜电刺激诱导的面部机械痛敏，并抑制模型组诱导的畏光行为反应。3）免疫荧光双染色结果显示STIM1与CGPR及IB4等共表达，而与大直径神经元标记物NF200及胶质细胞标志物GS无共定位。4）TG内立体定位注射STIM1-siRNA可显著降低三叉神经分支损伤模型诱导的小鼠机械性痛敏，降低模型组TG神经元动作电位发放频率。5）表观遗传机制研究表明，miR-233可显著抑制TG内STIM1表达，调控小直径TG神经元兴奋性，参与痛觉过敏。机制研究显示，miR-233启动子区组蛋白甲基化水平改变（H3K9me2及H3K27me3）可影响转录因子GR与其结合，影响miR-223转录水平，调节STIM1表达，参与模型组动物的痛觉高敏。6）此外，应用全细胞记录模式，STIM1-siRNA可显著降低模型组TG神经元突触递质释放，且改变突触后电流幅度。7）应用全细胞电压钳，发现STIM1可通过影响白细胞介素释放，改变瞬时外向钾电流，增强TG神经元兴奋性，该作用被相应受体拮抗剂所阻断。8）此外，我们对偏头痛及三叉神经分支损伤模型进行全基因组测序，发现STIM1表达增高还与其mRNA的m6A甲基化水平密切相关，该作用由ALKBH5所介导。综上，本研究阐明了激活外周感觉神经元STIM1分子调节包括偏头痛在内的头面部疼痛系统疾病的发生，研究结果可为临床预防和开发治疗偏头痛提供新的思路。