mitoBKCa通道在模拟失重大鼠脑动脉血管平滑肌细胞线粒体似昼夜节律紊乱及脑动脉重建中的作用

Cerebrovascular remodeling has been regarded as one of important factors which may induce postspaceflight cardiovascular dysfunction. However, the mechanism remains unknown and there are still no effective countermeasures. Our previous work has demonstrated that simulated microgravity disrupted the circadian rhythm in the mitochondrial membrane potential and reactive oxygen species (ROS）by decreasing the oscillating amplitude between light-time (12 h) and dark-time (12 h). We also found that mitochondrial large conductance Ca2+ activated-K+ channels participate in the mitochondrial circadian and the related signal pathway may include the clock gene, Bmal1 and the Long non-coding RNA (LncRNA). In the present study, we want to investigate the role of circadian regulation of mitoBKCa channels in cerebral vascular smooth muscle cells of simulated microgravity rats with electrophysiology, molecular biology, culture cell, transformation, and knock-out mice. Our study may provide a novel mechanism for cerebrovascular remodeling during real/simulated microgravity. We also want to find the zeitgeber medicine for countermeasures to ensure the health and efficiency for astronauts.

航天失重环境所引起的脑动脉功能与结构重建是航天员“心脑血管功能失调”的重要因素，其发生机理目前仍不甚清楚，也缺乏有效对抗措施。我们前期工作证实模拟失重可引起大鼠脑动脉血管平滑肌细胞（VSMCs）线粒体膜电位与活性氧含量在白天（12 h光照）与夜间（12 h黑暗）均发生改变且昼夜振荡幅度明显降低，而线粒体内膜上的大电导钙激活钾通道（mitoBKCa）可参与这一变化过程，其机制可能涉及时钟基因Bmal1的转录调控与长链非编码RNA（LncRNA）的变化。本项目拟采用电生理膜片钳、分子生物学方法、血管体外培养、细胞转染与基因敲除小鼠等技术从动物整体、器官、细胞与基因等多个水平探讨mitoBKCa通道在模拟失重大鼠脑动脉VSMCs线粒体似昼夜节律紊乱及脑动脉重建过程中的作用。本项目可对航天失重环境脑动脉的重建机制提出新的思路，并希望找到受时因子药物作为预防与对抗措施，以保证航天员的健康与工作效率。

航天失重环境所引起的脑动脉功能与结构重建是航天员心脑血管失调的一个重要因素，但尚缺乏具体的机制研究和有效的对抗措施。作为介导细胞能量代谢和信号传导的重要细胞器，线粒体内膜上表达了多种钾离子通道，包括大电导钙激活钾通道(mitoBK)，可通过调节线粒体的多种功能进而调节血管的结构和功能。近年来，大量研究表明生物钟可以调控线粒体的功能而线粒体功能的节律紊乱涉及到多种血管疾病发生。本研究证实：1）模拟失重引起大鼠脑动脉血管平滑肌细胞线粒体的功能与结构发生“昼夜振荡”紊乱，具体表现为：正常大鼠脑动脉VSMCs线粒体的ATP含量、ROS、K+、Ca2+水平以及线粒体的融合分裂表现出显著的“昼高夜低”的节律特征，而模拟失重下该昼夜振荡的幅度显著降低。2）mitoBK是调控模拟失重大鼠脑动脉血管平滑肌细胞线粒体“昼夜振荡”紊乱的关键分子。首先，利用mitoBK的特异性阻断剂IBTX和激动剂NS1619，我们明确了mitoBK对线粒体内的K+、Ca2+浓度、膜电位水平以及ATP含量具有明确的调控作用。正常大鼠脑动脉VSMCs中，mitoBK表达“昼低夜高”的节律特征在模拟失重环境下消失。3）时钟基因Bmal1靶向作用于mitoBK调控血管平滑肌细胞线粒体功能昼夜节律特征。与失重下线粒体功能和结构、mitoBK表达昼夜节律性紊乱特征相一致的是，模拟失重大鼠脑动脉血管组织Bmal1的节律性表达也发生紊乱紊乱，双荧光素酶报告基因实验、染色质免疫共沉淀实验以及细胞转染实验均证实VSMCs线粒体mitoBK是时钟节律基因Bmal1作用的下游靶基因并且时钟基因Bmal1可通过mitoBK调控平滑肌细胞线粒体功能。4）红景天苷可调控节律基因Bmal1进而抑制模拟失重大鼠脑动脉的线粒体氧化应激和血管炎性反应。总之，本项目通过分子生物学方法、血管平滑肌急性分离与细胞转染等技术从动物整体、器官、细胞与基因等多个水平发现模拟失重大鼠脑动脉线粒体似昼夜节律紊乱涉及Bmal1靶向调控的mitoBK通道，并且红景天苷可通过改善Bmal1节律紊乱减轻失重下脑动脉线粒体氧化应激和炎性反应。本项目可对航天失重环境下脑动脉的重建机制提出新的思路，并以授时因子为靶点找到药物作为对抗措施，以保证航天员的健康与工作效率。