兴奋性神经元特异性表达Kir2.1通道通过上调miR-9抑制FoxP2翻译而损伤学习和记忆

摘要

【背景】
　　学习和记忆是人类大脑最主要的高级功能，其细胞和分子生物学机制一直是神经科学研究的重点领域。已知神经元是脑的主要构成部分,其活性变化与突触结构和功能的可塑性密切相关，而后者是学习和记忆形成的基础。研究表明，在认知障碍疾病如阿尔茨海默病(Alzheimer's disease)，帕金森病(Parkinson's disease)中，神经元活性降低，突触可塑性受损，导致学习和记忆功能障碍。目前，人们已经发现大量表观遗传学因素如老龄化、脑外伤在神经元活性降低所引起的学习记忆障碍中的作用，但相应的作用及其机理尚不明了。随着基因测序、芯片技术的飞速发展，表观遗传学对学习记忆的调控作用逐渐被揭示。人类大脑有数千亿个神经元，这些神经元细胞可以表达19,814个蛋白相关基因和数千个非编码RNA（non-coding RNAs，ncRNAs）。非编码 RNA的突变或表达异常与许多疾病的发生密切相关，研究发现微小 RNA(miRNAs)作为非编码RNA的主要成员可作用于神经元的许多转录因子。此外，在神经系统中与突触蛋白合成有关的基因大多是 miRN As的潜在靶基因，miRN As可以根据突触活性的改变来调控局部蛋白质的翻译，进而调控突触的生长和突触传递的强度，但miRN A调控神经元活性介导的学习和记忆的机制尚不清楚。
　　【目的】
　　运用条件诱导性转基因小鼠模型，我们将揭示神经元活性依赖的海马神经环路突触可塑性调节的细胞分子机制，即在兴奋性神经元中过表达内向整流性钾离子通道2.1（Kir2.1）通过上调 microRNA-9(miR-9)，抑制其靶基因核转录因子 FoxP2的表达，从而导致学习和记忆功能受损。本研究将为学习与记忆障碍相关疾病的药物开发提供有效的分子靶点。
　　【方法】
　　我们首先将在北京百奥赛图公司构建的条件诱导性过表达Ai3-Flag-Kir2.1-2A-tdTomato小鼠(Tg1)与在兴奋性神经元中表达Cre重组酶CamKII-α-CreERT2小鼠(Tg2)杂交，通过PCR方法鉴定为双杂阳性纯合子后代通过他莫昔芬药物条件性诱导小鼠特异性在兴奋性神经元过表达Kir2.1，简写为Kir2.1(+)小鼠。通过免疫荧光组织化学技术方法(IFC)、蛋白印迹(Western Blotting)、荧光定量PCR(qPCR)验证K ir2.1在兴奋性神经元的过表达。然后通过脑片膜片钳电生理技术检测Kir2.1(+)小鼠的突触传递可塑性是否受神经元活性降低的影响。通过水迷宫(Morris Water Maze Test)、条件性恐惧实验(Fear Conditioning Test)、T迷宫（T-maze Test）等实验检测学习和记忆相关行为。通过旷场(Open Field Test)、转棒仪(Rotarod)、高架十字迷宫(Elevated Plus Maze)、强迫游泳(Forced Swimming Test)等实验检测学习和记忆不相关行为。通过高通量测序(RNA-Seq)及有效组内对比筛选出与神经元活性及学习和记忆相关的基因miR-9和FoxP2。通过荧光定量PCR(qPC R)验证miR-9在K ir2.1(+)小鼠表达升高,Fo xP2在Kir2.1（+）小鼠表达下降。通过构建野生型和突变型FoxP23’端UTR的荧光素酶表达载体确认miR-9和靶蛋白FoxP23’端UTR区的直接结合。通过脑立体定位在海马齿状回（Dendrite Gyrus，DG）区注射LNA-miR-9抑制小鼠海马内源性miR-9的表达。通过尾静脉注射PUF-Fox-P抑制miR-9与FoxP2的3’UTR的直接结合。通过免疫印迹(Western Blotting)检测给予LNA-9和Fox-P处理后Kir2.1(+)小鼠FoxP2的蛋白表达增多。通过荧光定量(qPCR)检测给予Fox-P处理后Kir2.1(+)小鼠FoxP2的mRNA水平无变化。随后进行学习和记忆相关行为学及脑片膜片钳电生理实验，LNA-9和Fox-P处理组Kir2.1(+)小鼠的学习和记忆改善，突触可塑性恢复至正常。通过脑立体脑定位在Kir2.1(-)小鼠DG区注射慢病毒Lenti-miR-9过表达外源性miR-9，在Kir2.1(+)小鼠DG区注射慢病毒Lenti-FoxP2过表达外源性FoxP2，重复上述实验，明确神经元活性依赖的miR-9/FoxP2通路导致学习和记忆缺陷的机制。
　　【结果】
　　我们的研究结果显示：
　　(1)成功建立在兴奋性神经元中过表达功能性 K ir2.1小鼠（K ir2.1(+)小鼠）；(2) K ir2.1(+)小鼠突触传递功能正常，但海马 CA3-CA1环路 LTP异常；(3) Kir2.1(+)小鼠其他表型正常，但学习和记忆功能发生障碍；(4) RNA测序发现 Kir2.1(+)小鼠 miR-9表达增加；(5) miR-9抑制下游靶基因 FoxP2的蛋白翻译；(6)下调 miR-9能改善 K ir2.1(+)小鼠学习和记忆功能受损；(7)上调 miR-9导致Kir2.1(-)小鼠学习和记忆缺陷；(8)上调FoxP2改善Kir2.1(+)小鼠学习和记忆功能受损。
　　【结论】
　　兴奋性神经元过表达 K ir2.1导致神经元活性降低，miR-9表达增多并下调靶基因 FoxP2的蛋白翻译水平，引起海马神经环路突触可塑性的改变，最终导致学习与记忆功能受损。通过抑制 miR-9或者上调靶基因 FoxP2的蛋白水平可以逆转因神经元活性降低所导致的海马神经环路突触可塑性受损，进而逆转学习和记忆功能障碍。

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前言

材料方法

结果

讨论

小结

创 新 点

综述:记忆相关的分子与系统生物学

附 录 一攻读博士学位期间已发表论文

附录二攻读博士学位期间参与的国家自然科学基金项目

附录三攻读博士学位期间参加的国际学术会议

致谢