发育期双酚A暴露损伤学习记忆的神经环路机制研究

Bisphenol A (BPA) , a well-known endocrine disruptor, which can induce the cognition deficits and behavioral impairment. Based on our previous work, we propose that the dysfunction of hippocampal neuro-circuitry is the keynote of BPA exposure leading to the impairments of cognition. To test the hypothesis, here is our clues: BPA exposure may regulate the expression of Wnt and other proteins which is important for the spine outgrowth, taking effects in synapse formation, leading to the dysfunction of hippocampal neuro-circuitry connection and synaptic plasticity, then causes the impairments of learning and memory. We will propose to employ a combined two-photon microscope, viral tracing, electrophysiological, optogenetic and neuroimage approaches in this study. And the three main scientific questions will be explored: 1) How developmental BPA exposure affects the spine formation, the formation and elimination of synapse in hippocampal neuro-circuitry? What about the spine trimming and Wnt signaling proteins contribution in this process? 2) With viral tracing approach, we will further explore the connection of hippocampus-prefrontal cortex altered by BPA exposure in Thy-1-Cre, Gad2-Cre and Chat-Cre transgenic mice, respectively. 3) We will further explore the dysfunction of detailed excitory/inhibitory neurons of neuro-circuitry and related behavioral changes by using the optogenetic and behavior test approaches in trans-genetic mice exposed to BPA. This study may help understanding the neuro-circuitry mechanisms of impairments induced by BPA exposure.

双酚A（BPA）是一种重要的环境内分泌干扰物，损伤认知等多种神经行为。基于申请者前期工作基础，本项目提出如下假说和思路：BPA改变了Wnt等对树突棘形成有重要作用的蛋白→损伤突触形成→海马神经环路连接异常和突触可塑性改变→学习记忆功能障碍。我们拟综合运用跨突触病毒神经示踪、光遗传学、双光子显微成像、膜片钳电生理及分子生物学等前沿技术，研究：1）BPA对发育期树突棘生成和消退动态变化的影响，并探讨Wnt蛋白在其中的贡献及突触修剪过程；2）采用Thy-1-Cre、Gad2-Cre和Chat-Cre小鼠，结合病毒示踪技术，研究BPA暴露后，与海马CA1区和DG区连接的哪一类神经投射发生了改变；3）采用光遗传学和行为学实验，明确BPA影响了哪类神经元，从而影响何种行为变化，进一步阐明BPA损伤学习记忆的环路机制。本项目将深入系统地研究BPA对海马认知损伤的神经环路机理，具有重要科学和实际意义。

作为一种分布和来源广泛的外源暴露物，双酚A对神经、生殖和内分泌等系统有着危害作用。其多年以来都被用于合成聚碳酸酯（PC）和环氧树脂等材料，据统计，全世界每年大约生产2700万吨含有双酚A的塑料。生活中双酚A几乎无处不在，矿泉水瓶、医疗器械和食品包装等均有可能成为双酚A的暴露来源。长期研究表明，双酚A能够危害机体神经系统从而造成学习记忆能力损伤，但双酚A暴露如何通过分子和神经介观水平变化导致了机体的认知功能障碍尚需要进一步研究。.本研究首先从神经介观水平入手，通过病毒示踪特别是稀疏标记技术发现了双酚A暴露对海马CA1、CA3和DG区兴奋性神经元数量和结构的损伤作用，又通过光纤同步记录技术发现双酚A暴露小鼠在水迷宫行为中其海马CA1、CA3和DG区兴奋性神经元活性均有不同程度的削弱，这可能是导致小鼠学习记忆能力下降的重要原因。随后我们聚焦于分子水平，发现了双酚A导致的神经毒性过程伴随着HDAC2的蛋白水平异常升高。通过抑制剂和质粒转染抑制HDAC2的功能，我们验证了HDAC2的确是介导双酚A神经毒性过程的关键表观遗传元件。最后，我们尝试从分子和神经介观水平对双酚A导致的小鼠学习记忆能力损伤进行修复，我们发现利用病毒注射技术敲低双酚A暴露小鼠海马区HDAC2水平后其学习记忆能力得到了显著修复，而采用化学遗传学手段增强海马CA1区兴奋性神经元功能也能挽救双酚A暴露导致的小鼠学习记忆下降。本研究进一步丰富了关于双酚A神经毒性的作用机制，为制定更有效的剂量标准提供了理论依据，也为治疗和预防双酚A导致的神经系统损伤提供了可靠靶点，具有十分广阔的应用前景和重要的社会意义。