I类组蛋白去乙酰化酶调节中枢神经环路构建、功能以及可塑性的机制研究

Neural structural and synaptic plasticity are thought to be one of the major neural mechanism for learning and memory. Many studies have shown that neural circuit integrates visually-guided information and mediates experience-dependent synaptic and behavioral plasticity. Dynamic changes in dendritic structure, synaptic transmission and newly-synthesized proteins underlie the synaptic and structural plasticity in vitro and intact animals. Histone deacetylase (HDAC) affects neural development and mediates neurological diseases by regulating transcription factor as a co-factor. However, little is known the epigenetic regulation of structural, functional and plasticity in vivo. This project is intended to combine the use of bio-orthogonal noncanonical amino acid tagging (BONCAT) and protein mass spectrometry sequencing to screen for newly-synthesized proteins in response to visual conditioning stimuli. We will use the multi-disciplined methods of three-dimensional reconstruction and electrophysiological recording in vivo to study the effect of visual conditioning on the neural circuit and plasticity in the central nervous system. We propose to investigate the distinct roles of class I histone deacetylases of HDAC1/2/3/8, which would demonstrate the effect of epigenetic modification on the neural circuit function and visual avoidance behavior by elucidation of the relationship between HDAC and β-catenin. The aim of the project is to screen the newly-synthesized proteins involved in visual conditioning based neural circuit plasticity and elucidate the epigenetic regulation of neural circuit formation, function and plasticity of the central neural circuit. We expect that the ongoing proposal would potentially provide a powerful Xenopus model for the study of the neural circuit plasticity and function in vivo.

神经元结构和突触可塑性是学习与记忆的主要机制之一，树突动态变化、突触传递和新生蛋白增加是其产生的主要原因。但是，中枢神经环路构建、功能和可塑性的表观遗传调控机制还缺少详尽的研究。本项目拟联合运用生物正交非天然氨基酸标记（BONCAT）和蛋白质谱测序技术筛选视觉条件刺激诱导的新生蛋白组分；运用在体神经元三维重构和电生理记录等技术，研究神经环路构建和和可塑性产生的内在机制；通过研究HDAC和β-catenin的相互作用及信号途径，阐释I类组蛋白去乙酰化酶（HDAC1/2/3/8）所扮演的不同角色，探索表观遗传修饰对神经环路结构功能的调控以及对视觉逃避行为的影响和拯救作用。通过本项目的研究，旨在筛选参与视觉条件刺激调控的新生蛋白组份，阐明中枢神经环路构建、功能和可塑性的表观遗传调控机制，建立视觉条件刺激研究中枢神经环路可塑性的动物模型。

神经元结构和突触可塑性是学习与记忆的主要机制之一，树突动态变化、突触传递和新生蛋白增加是伴随其发生的主要因素。但是，视觉经验依赖的中枢神经环路构建、功能和可塑性变化的表观遗传调控机制以及其分子信号通路还缺少详尽的研究。.本项目使用非洲爪蟾作为模式动物，联合运用生物正交非天然氨基酸标记（BONCAT）和蛋白质谱测序技术筛选到一批视觉条件刺激诱导的新生蛋白组分，包括组蛋白去乙化酶3（HDAC3），Flotilin-1和β-链蛋白(β-catenin)等。运用在体神经元三维重构和电生理记录等技术，揭示了Rab5介导的谷氨酸受体膜转运在调控突触传递和突触缩放中的重要过程，阐明了神经环路构建和突触缩放的表观遗传调控机制；通过研究HDAC和β-catenin的相互作用及信号途径，阐释了I类组蛋白去乙酰化酶在表观遗传修饰调控细胞增殖分化的稳态调控过程以及对视觉逃避行为的影响，揭示了HDAC3和SOX2以及β-catenin通过蛋白互作共同调节细胞增殖和分化的分子机制。通过本项目的研究，筛选了参与视觉条件刺激调控的新生蛋白组份，阐明了中枢神经环路构建、功能和可塑性变化的表观遗传调控机制，建立了系统研究中枢神经环路结构和功能的爪蟾动物模型。迄今为止，本项目在国内外期刊发表7篇论文，其中包括SCI收录6篇，国内核心期刊1篇；项目组成员能加国际和国内学术会议16人次。.本项目使用的点击化学和蛋白质谱联用技术，为在体筛选新合成蛋白提供了新的解决思路，适合在不同的模式生物中推广使用，具有潜在的应用价值。对Wnt/β-catenin信号通路调控前体细胞增殖和分化的分子机制研究，有助于人们进一步理解神经发育早期细胞增殖调节的表观遗传机制。本项目从分子、细胞、环路以及行为水平系统研究大脑的发育机制，为系统建立爪蟾模式生物的在体研究提供了新的范式。