FMRP静默损伤海马突触可塑性的APP-GSK3信号转导通路机制研究

Fragile X Syndrome (FXS), caused by the silence of Fmr1 gene, is an inherited disease with mental retardation. How to effectively remedy and relieve pathogenic symptoms of FXS remains an unsolved problem. In our proposal, we will first explore how the signaling pathway of FMRP, which is encoded by Fmr1 gene, and its downstream APP regulate hippocampal synaptic functions by using electrophysiological, biochemical, and pharmacological techniques. We will especially focus on Aβ which is the cleaved product of APP for its role in the regulation of hippocampal synaptic plasticity in FXS. We suppose that the increase of Aβ in the brain of Fmr1 KO mice leads to abnormal LTP and LTD in hippocampus. Aβ-mediated activation of BAX-Caspase 3-Akt-GSK3 signaling pathway might be the critical event related with hippocampal LTP impairment. Moreover, the abnormally enhanced mGluR-dependent LTD in hippocampus of Fmr1 KO mice might be related with Aβ-mediated increase of AMPA receptor endocytosis. We will verify these hypotheses in this proposal, and then take efforts to improve synaptic plasticity and learning and memory in Fmr1 KO mice through the way of drug interventions on APP-GSK3 signaling pathway. Our proposal will provide a chance for a deeper understanding about pathogenic mechanism of FXS, and for the development of therapeutic drugs with specific molecular targets at FXS.

脆性X综合症（FXS）是由Fmr1基因甲基化静默导致的遗传性智力发育迟滞精神疾病，如何有效改善FXS病理症状目前仍是一个难题。本项目采用神经电生理、生物化学和药理学等方法，对Fmr1编码蛋白FMRP及其下游蛋白APP的信号通路如何调控海马突触可塑性进行研究，尤其关注APP裂解产物Aβ在FXS突触可塑性损伤中的作用。我们认为，Fmr1 KO小鼠脑内Aβ的增加是造成LTP和LTD异常的危险因素，BAX-Caspase 3-Akt-GSK3信号通路的激活是Aβ损伤Fmr1 KO小鼠海马LTP的分子机制；Fmr1 KO小鼠海马异常增强的mGluR-LTD可能与Aβ介导的AMPA受体内吞作用增加有关。我们将对这些假设进行验证，在此基础上，通过药物干预APP-GSK3信号通路，以改善Fmr1 KO小鼠突触可塑性和学习记忆。本项目的开展，有助于更深入地了解FXS的病理机制，为筛选特异性药物靶点提供依据。

Fmr1基因静默造成其编码蛋白FMRP表达缺失是造成脆性X综合征（FXS）的遗传学病因，FXS患者存在智力缺陷和社交障碍，其具体分子机制尚不完全清楚。本项目探讨了FMRP表达缺失如何影响小鼠海马突触可塑性及其分子信号机制。目前，主要完成了以下研究内容：1）探讨FMRP缺失导致海马NMDA受体依赖型LTP损伤的分子机制，发现Fmr1 KO小鼠海马在体LTP的损伤与NMDA受体亚基GluN2A和CAMKII的表达上调有关；2）检测FMRP对小鼠海马在体LTD的调控作用，发现低频成对脉冲刺激不能诱导Fmr1 KO小鼠海马在体mGluR-LTD，与前人报道的Fmr1 KO小鼠海马脑片mGluR-LTD明显增强的结果不同；3）检测Fmr1 KO小鼠海马组织中的APP-BAX-Caspase 3-Akt-GSK3信号通路以及细胞自噬相关蛋白分子活性的改变，发现FMRP缺失导致这些信号分子的表达上调，而细胞自噬相关蛋白的表达也出现异常，提示该信号通路和细胞自噬在Fmr1 KO小鼠脑组织中出现紊乱；4）检测发现Fmr1 KO小鼠不仅表现出社交焦虑行为，非社交焦虑行为也明显增加；5）通过构建腺相关病毒AAV9载体，使FMRP在FXS模型小鼠脑组织中获得性表达，以期采用基因干预手段改善Fmr1 KO小鼠的行为缺陷；6）采用行为药理学和生化方法，探讨了FMRP的上游受体信号分子mGluR1/5对小鼠社交偏好行为的调控作用及其机制；7）采用Western blotting实验，研究了不同月龄APP/PS1双基因突变小鼠海马组织中FMRP相关自噬蛋白表达水平的改变，结果发现4月龄APP/PS1双基因突变小鼠海马组织中FMRP表达降低，而12月龄APP/PS1小鼠自噬活性明显升高，该结果结合前述FMRP缺失后APP表达上调的发现，提示FMRP和APP可以通过相互作用调控细胞的自噬水平，从而影响神经细胞功能。通过本研究项目的开展，有助于加深人们对脆性X综合征病理机制的理解和认识。