脊髓五羟色胺能神经元在脊髓损伤后运动神经环路重建中的作用

Spinal cord injury (SCI) is a major traumatic disease. Brainstem-derived 5-HT has been recognized as a potent modulator of spinal central pattern generator (CPG) physiological function. Spinal cord injury may cause complete severing of the supraspinal serotonergic projections. Also, the regeneration of the descending fibers is limited. Loss of 5-HT is one of the major limiting factors that prevents the recovery of spinal motor function. Our preliminary results in adult zebrafish reveal a dynamic change of intraspinal 5-HT neuron numbers after spinal cord transection, and these neurons always distribute around the injury site. The number of which shows linear correlation with axon regrowth and locomotion recovery. Therefore, we hypothesize that these intraspinal 5-HT neurons may compensate for the 5-HT deficiency after spinal cord injury, and facilitate axon regrowth and locomotor circuit reconstruction by binding specific receptors. It may be of great significance to facilitate either regeneration or differentiation of these intraspinal 5-HT neurons to improve locomotion recovery. In this application, we will combine RNA-seq and CRISPR/Cas9 based gene knockout to explore the mechanisms inducing 5-HT accumulation around injury site. And find the downstream human homologous 5-HT receptors, through which 5-HT neurons promote axon regeneration and reconstruction of locomotor circuit.

脊髓损伤是一种重大的创伤性疾病。脑源性5-HT通过相应受体影响“脊髓中央运动模式产生器（CPG）”生理活动。脊髓损伤后，大脑下行投射的5-HT神经元轴突中断，在脊髓内的再生受限，进而阻碍脊髓运动恢复。预实验数据显示，成年斑马鱼脊髓内源性5-HT神经元始终在损伤周围富集，并且其数量与神经元轴突再生及运动恢复呈线性相关。因此，我们假设这些脊髓内源5-HT神经元能补偿损伤后5-HT供应缺失，并通过作用于关键受体基因，促进损伤后的神经元轴突再生和运动神经环路重建。探索激活脊髓内源性5-HT神经元的再生或分化机制，以及筛选有效的5-HT受体靶点对促进损伤后脊髓运动恢复意义重大。本申请中，我们利用RNA-Seq结合CRISPR/Cas9基因敲除，一方面探索损伤后5-HT神经元来源及富集机制；另一方面寻找人源同系5-HT受体靶点，研究5-HT神经元促进损伤后神经元轴突再生和运动神经环路重建的分子机制。

脊髓损伤是一种重大的创伤性疾病。脑源性5-HT通过相应受体影响“脊髓中央模式产生器（CPG）”生理活动。脊髓损伤导致下行长投射脊髓神经元中断，并且破坏了脊髓CPG，从而导致运动功能丧失。然而介导脊髓损伤后脊髓神经环路重新连接和功能恢复的内在调控机制尚未明确。斑马鱼在脊髓损伤后展现了很强的轴突再生和功能恢复能力，使其成为研究再生内在机制的强大模型。在本研究中，我们利用斑马鱼研究脊髓横断损伤后促进脊髓CPG中间神经元轴突再生的内源神经机制。我们发现一群特殊的损伤诱导的脊髓内源五羟色胺能神经元（ISNs）亚群聚集在损伤部位附近。我们利用了二次损伤模型来探究运动恢复是否能独立于脑源支配发生。利用化学遗传学手段在排除脑源下行干扰的二次损伤模型中消除该亚群，表明该特殊的亚群对于促进脊髓脊髓中间神经元轴突再生和运动功能恢复具有不可或缺的作用。通过结合电生理、功能成像、液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）和RNA测序技术，我们发现损伤诱导的ISNs具有独特的内在特性，能通过高度活跃的轴突末端持续释放五羟色胺，并且与位于损伤远端脊髓节段的ISNs相比表达独特的转录因子。通过敲除不同的5-HT受体亚型结合药理学方法，我们发现该损伤诱导的ISNs亚群通过特异性激活5-HT1B受体从而促进谷氨酸能脊髓CPG中间神经元的轴突再生。从而导致脊髓损伤后脊髓神经环路的重构。总而言之，我们发现了一群损伤诱导的ISNs亚群持续释放五羟色胺特异性作用与5-HT1B受体亚型来促进脊髓兴奋性中间神经元轴突再生以及脊髓CPG重建。该五羟色胺能神经元亚群未来可能对细胞移植治疗具有重要的应用意义，5-HT1B受体也将是脊髓损伤治疗的好的潜在靶点。