突触内NMDA受体介导的神经保护作用的分子机制研究

NMDA receptors (NMDARs) play dual roles in neuronal survival and death. Physiological NMDARs activity is required for neurological functions such as neuronal survival. In contrast, NMDARs overactivation under pathological conditions can lead to neuronal death in a process known as "excitotoxicity". More and more evidence have provided support for "NMDARs location hypothesis". The synaptic NMDARs might be coupled to synapse-specific signaling proteins, thereby exerting functions distinct from extrasynaptic NMDARs. However, it is still uncertain how synaptic NMDARs specifically coupled to signaling pathway, as well as the interaction and influence of synaptic versus extrasynaptic NMDARs by each other. In our previous research about NMDARs neuroprotective function, we found that endosomal adaptor protein APPL is involved in the coupling of NMDARs with downstream signaling pathway PI3K/Akt. So, what is the molecular mechanism underlying the specifically recruiting of APPL by activation of synaptic NMDARs? In addition, APPL is an endosomal adaptor that involved in the endocytosis of receptor and the signaling transduction of internalized receptors. Then, whether or not synaptic NMDARs neuroprotective effects is dependent on the endocytosis of NMDARs? If so, whether or not the endocytosis of NMDA receptor may affect the surface expression and/or function of synaptic or extrasynaptic NMDARs? In this project we will focus on the molecular mechanism of NMDAR neuroprotective function, so as to learn more about the molecular basis of dictometry of NMDARs signaling. It will provide valuable information as to find out new methods enhancing NMDARs neuroprotective function and protecting neurons from excitotoxicity.

NMDA受体对神经元既有保护作用，而在病理条件下又产生兴奋毒性导致神经元损伤。NMDA受体这种功能的两面性与其突触定位有关。突触内、突触外NMDA受体可以偶联不同的信号通路，产生促进保护或诱导死亡的作用。但是目前并不清楚不同突触定位的NMDA受体如何偶联特定的下游信号通路，以及突触内、突触外NMDA受体如何实现功能的彼此影响和制约。我们研究发现，突触内NMDA受体可以通过征募接头蛋白APPL来激活下游PI3K/AKT信号通路。那么,突触内NMDA受体通过怎样的机制特异性征募APPL？另外,APPL作为信息传递内体的标记物，主要参与内化受体的信号传递，因此,突触内NMDA受体信号传递是否依赖于NMDA受体的内化?该过程是否会进一步影响突触内和/或突触外NMDA受体的膜表面表达及功能？上述问题的深入研究将有助于找到增强突触内NMDA受体保护功能的靶点，为有效治疗脑损伤等疾病提供新的理论依据。

在神经系统中，突触活性调控基因表达是神经元建立其功能特性稳定改变的主要方式，也是形成长时程突触可塑性和长期记忆的基础。当神经元突触部位受到外界信号刺激后，相应的受体或通道将信号传递到突触内，并经过长距离运输过程将信号转运至细胞核内以激活转录因子调控基因转录，从而引起神经元功能长时程的改变。神经元具有极其复杂的树突结构，对于神经元如何偶联突触兴奋性与核内转录水平的分子机制目前还知之甚少。TrkB受体，是酪氨酸激酶受体家族中重要的成员之一，也是脑源性神经生长因子的受体。那么，TrkB是否可能起到偶联突触活性与核内转录水平的作用？如果是这样，那么其内在的分子机制是怎样的，以及这样的信息传递通路的功能意义如何？.APPL1作为Rab5的效应因子，被认为是早期内体的标记物。APPL1还可以将内化的受体与下游信号通路如PI3K/AKT，ERK等相偶联，因此APPL1标记的内体又被认为是一类特殊的内体——信号内体。我们早期的研究发现，APPL1在神经系统中可以偶联N-甲基-D-门冬氨酸（NMDA)受体以及胞内PI3K/AKT信号通路，并对神经元起到保护作用。在本研究中，我们鉴定出一条由APPL1介导的TrkB内体沿树突的逆向运输途径，这条通路在偶联突触活性与核内基因转录中起到关键的作用。首先，利用免疫染色、生化及活细胞成像的方法，我们发现，在海马神经元中，增强突触活性可以促进BDNF的释放并激活TrkB，TrkB随之内化到含有APPL1的内体中，并进而沿着树突微管蛋白逆向运输。然后，我们鉴定出APPL1上存在一个核定位信号，可以与核转运蛋白Importin α1有直接的相互作用。如果使用多肽干扰APPL1与Importin α1的相互作用，则干扰TrkB及APPL1的逆向运输。进一步研究发现，APPL1介导的TrkB逆向树突运输过程决定了核内ERK的活性，以及CREB磷酸化水平的维持。最后，利用电生理及行为学实验，我们发现，这一过程还参与了长时程增强（LTP）的维持以及长期记忆的形成。综上所述，我们的研究提示，在神经元的树突中，存在一条由APPL1介导的TrkB内体逆向树突运输通路，可以将突触活性信息传递到核内，该信号通路也在学习记忆过程中发挥重要的作用。