MicroRNAs在线虫不同发育时期对树突生长的调控

Anatomical precision of dendritic arborization is essential for the normal development and function of our brain. Dendritic patterning is regulated by multi-layers of molecular mechanisms and involves sequential events, from sending out dendrites to the correct target to docking of the dendritic terminal at the appropriate synaptic site on its targets. The transition of these events requires precise timing mechanisms, but the timing devices used by neurons for making precise connections are only partly understood. This research focuses on understanding how microRNAs time orderly dendritic development. We study this question using a combined genetic, molecular, biochemical and optic approach in a well-established animal model Caenorhabditis elegans. The goal of this project is to understand how these neuronal timers control the precisely timed events required for establishing proper coverage of dendritic field and making specific connections between neurons. Genes that control orderly neuronal connectivity to form functional circuits are highly similar between worms and humans. Thus, the outcomes of this work will provide better understanding of the human brain as well as the therapeutic targets for neurological disorders.

树突作为神经元用来接受来自周围环境和其它神经元信息传入的重要结构，其特异化的形态和结构对于突触传递、信息整合、神经环路形成及可塑性都至关重要。树突的发育过程包括了一系列的连续事件，例如树突发生的起始、往特定位置的延伸、在靶目标上形成突触等，这些事件触发、衔接和转承的时机都需要精确的调控。本项目研究microRNAs在树突发育时机中发挥的次序调节作用和信号转导机制。目的是为了解析控制树突发育的多重机制是如何被调控，从而能使它们在不同发育阶段和水平上协同作用，共同介导树突整个复杂而精确的发育过程。因此，本研究可以为发育相关神经系统疾病的治疗提供理论基础，同时也将给相关药物的开发带来新思路和潜在靶标。

神经元树突和轴突的有序发育和精确定位，对于大脑形成复杂有序的神经网络至关重要，也是大脑正确行使感觉、运动、认知等功能的解剖学基础。我们利用秀丽隐杆线虫和哺乳动物细胞为工具，对树突和轴突发育中的时空调节因子进行了研究，主要侧重在以下几个方面：.一、神经系统发育的时序性由复杂的信号网络来严格调控，但这些信号通路是如何整合时间信息，来在不同的发育阶段调控特定事件的发生，还有待研究。我们基于树突发育表型的反向遗传筛选和microRNA表达时间的关联性分析，发现lin-4和let-7两个异时性microRNAs和它们下游的信号通路lin-14和lin-41，在神经元树突发育的不同阶段起作用。lin-4在早期幼虫阶段通过lin-14信号通路促进树突生长,但晚期在lin-4突变体里过表达lin-4依然能使树突生长恢复；而let-7 – lin41通路作用则在成年到老年时控制树突有序排布，抑制树突再生能力，以维持稳定的树突网络。由于microRNA是发育中的灵活调控信号，以及其在药物开发中的易于靶向性，深入了解其在神经系统发育中的功能和分子机制，对于寻找新的方法治疗发育性神经紊乱疾病和神经退行性疾病都非常重要。.二、痉挛性截瘫（HSP）是由于皮质脊髓神经轴突病变而引起明显下肢痉挛的神经退行性疾病，很多HSP与Atlastin基因中的突变相关。Atlastin是内质网上的类动力蛋白GTP酶，通过消耗GTP来促进内质网膜的融合以及延伸。但是Atlastins是如何被调控来保持内质网动态稳定，以及内质网形态异常和痉挛性截瘫之间存在的关联性都不清楚。我们从Atlastin的相互作用蛋白入手，发现泛素化连接酶Hrd1通过泛素化修饰Atlastin来抑制其GTP酶活性，从而调节神经元轴突里的内质网形态，该通路从线虫到哺乳动物细胞中都是保守的。这一工作首次发现内质网形态调控受到泛素化修饰的影响。此外，我们还构建了线虫里的atln-1敲除突变体，为进一步探索HSP的分子机制打下了很好的基础。.三、树突发育过程中导向分子受体的正常产生和上膜对于树突正确定位至关重要。我们在树突生长突变体筛选中发现，定位于内质网膜上的CATP-8/P5A ATP酶通过控制树突定位受体DMA-1膜蛋白发生时的转位过程，参与树突生长的调控。该工作揭示了新的树突生长调控通路，发现了P5A ATP酶在神经系统里的作用机制。