线粒体ATP合酶在脓毒症相关性脑病中的作用及机制研究

Sepsis-associated encephalopathy (SAE) is a severe central neurological complication in septic patients. Our previous study indicated that energy metabolism disturbance and mitochondrial dysfunction were involved in the pathogenesis of SAE but the exact mechanism remains unknown. We recently found that c-subunit ring in FO domain of mitochondrial ATP synthase (also termed F1FO-ATP synthase) formed a large non-selective uncoupling leak channel. Under pathological condition, F1 would be reversibly separated from the c-ring (FO) to cause the exposure of c-ring and opening of leak channel, which would lead to reduction of ATP synthesis, increase of mitochondrial permeability transition and death of neurons. We hypothesize that opening of c-ring leak channel contributes to sepsis-induced energy metabolism disturbance and mitochondrial dysfunction, and is an important pathological molecular mechanism of SAE. We will investigate the role of mitochondrial ATP synthase in SAE and the underlying mechanisms via 1) a mutant mouse by CRISPR/Cas9 genome editing of amino acid residues connecting F1 and c-ring and 2) applying a novel neuroprotectant, Dexpramipexole, to inhibit the opening of c-ring leak channel and/or strengthen the combination of F1 and c-ring (FO) complex. The findings from these experiments may lead to novel methods and targets of treating SAE and other neurological disorders.

脓毒症相关性脑病（SAE）是脓毒症患者中枢神经系统严重的并发症，我们前期研究表明能量代谢障碍和线粒体功能紊乱是SAE重要的致病原因，但确切机制尚不清楚。我们新近发现线粒体ATP合酶（又称F1FO-ATP合酶）FO区域c亚基环可形成一种非选择性的离子泄漏通道，病理状态可引起F1与c环（FO）的解离并c环的裸露，进而引起泄漏通道开放、ATP合成减少、线粒体通透性转换增加及神经元死亡。我们推测c环泄漏通道开放是脓毒症所致能量代谢障碍和线粒体功能紊乱的重要原因，是SAE发生发展的分子生物学机制。本项目1）采用突变F1与c环连接区域氨基酸残基的CRISPR-Cas9基因编辑小鼠，2）应用新型神经保护剂Dexpramipexole，通过抑制c环泄漏通道的开放和/或增强ATP合酶F1和c环（FO）结构的连接，观察线粒体ATP合酶在SAE中的作用及其机制，为SAE及其他神经系统疾病治疗提供新的靶点。

脓毒症（sepsis）是全球广泛流行的危重症之一，也是引起重症监护病房（ICU）患者死亡率增加的主要原因之一。脓毒症相关性脑病（sepsis-associated encephalopathy，SAE）是脓毒症患者中枢神经系统严重的并发症，我们前期研究表明能量代谢障碍和线粒体功能紊乱是SAE重要的致病原因，但确切机制尚不清楚。线粒体ATP 合酶（又称F1FO-ATP 合酶）是线粒体氧化磷酸化合成ATP 的关键酶也是维持线粒体功能的重要的结构。FO区域c亚基环可形成一种非选择性的离子泄漏通道，我们推测c环离子泄露通道的开放是SAE发生发展重要的蛋白分子基础，而抑制此通道的开放则具有重要的治疗意义。首先，我们通过将纯化的c 亚基构建在人工线粒体膜上并结合膜片钳技术发现，纯化的c 亚基可以形成电压门控离子通道并且加入纯化的F1 亚基可阻断此通道。我们进一步发现病理状态时如谷氨酸毒性或LPS刺激可引起F1与c环（FO）的解离并c环的裸露，进而引起泄漏通道开放、ATP合成减少、线粒体通透性转换增加及神经元死亡。在LPS诱导的脓毒症及SAE动物模型中我们发现，LPS引起了ATP合酶FO亚基表达的减少和ATP含量的降低，线粒体形态和动力学紊乱，线粒体相关凋亡通路及炎症性死亡通路的激活，并进一步引起了小鼠认知功能的降低，死亡率的增加。新型神经保护剂Dexpramipexole（Dex）此前用于阿尔兹海默症和肌萎缩侧索硬化症的治疗，机制研究发现DPX通过抑制c环泄漏通道的开放和/或增强ATP合酶F1和c环（FO）结构的连接而稳定ATP合酶结构，本研究我们通过给予SAE小鼠Dex治疗，发现Dex可有效提高脑海马组织ATP含量和线粒体功能，抑制线粒体相关凋亡和焦亡通路，改善小鼠认知功能。本课题为SAE发病的分子生物学机制提供了重要的理论参考，为SAE 和神经退行性疾病等神经系统疾病的治疗提供了新的靶点和新的药物治疗手段。