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项目名称： 神经元发育与退行性病变的分子细胞遗传机制 起止年限： 依托部门： 一、研究内容 关键科学问题: 神经元的发生和发育是一个多步骤、多因子参与的复杂过程。目前已知，胞外信号（包括生长因子、营养因子、神经活动）在神经元的发生、分化（极化）和神经网络形成过程中发挥着关键作用。这些胞外信号可以激活各种信号通路，从而启动一些对神经元发生、发育起关键作用的转录因子的mRNA表达和蛋白质合成。本项目将围绕神经元的发生、极化，突起的形态发生及其退行性病变，从分子、细胞到整体进行系统而深入的研究。 我们拟解决的关键科学问题是：揭示与神经细胞发生，极化，突触形成及神经退行性病变相关的重要信号分子（包括小G-蛋白及其偶联激酶）的功能并研究其作用机理，以及环境与遗传表型的关系。 主要研究内容: （1）Rheb/mTor信号通路在神经元发生、极化、网络化及神经退行性病变中的作用及分子机制： 体外研究发现，而Rheb处于mTOR蛋白上游并对其起正调节作用，前期工作发现，Rheb1敲除小鼠的大脑发育出现明显异常。我们的初步研究表明小鼠中mTOR的激活需要与神经元早期发育密切相关的Rheb1。 Nestin-Cre介导的神经前体细胞敲除Rheb1导致小鼠大脑体积和重量均减少约50%。基于上述，我们计划深入研究Rheb/mTOR信号通路在神经元发生阶段作用和机制。预计本课题将帮助我们阐明Rheb1/mTOR信号通路在神经元发生作用和机制，为相关疾病的防治提供理论基础。信号通路在神经元极化中的作用和分子机制。预计通过本课题的研究将确定Rheb/mTOR信号通路是神经元极化所必需的，同时将为进一步揭示Rheb调控神经元发生分子机制，为相关疾病防治提供新途径。 体外研究表明，抑制mTOR会减少神经元树突棘的形成。由于Rheb1缺失会导致mTOR完全失活，我们推断Rheb1的敲除会引起树突和树突棘形成的缺陷。我们初步数据表明Rheb1敲除将降低突触后骨架蛋白Shank3的表达。Shank3是树突发育的必需因子，所以Rheb1可能通过提高Shank3的表达调节树突生长。我们将通过本课题的研究确定Rheb/mTOR/Shank3信号通路在树突和树突棘形成中的作用和分子机制，并揭示它在行为神经网络形成中的作用。 此外， 我们的研究显示，Rheb1敲除小鼠脑体积比野生型减小约50%，小脑皮层的厚度及海马体大小也均减少约50%。且Rheb1敲除小鼠小脑体积显著减少，其只有五个小脑叶片而正常小脑为七个。上述所有这些发育缺陷可能由于Rheb1敲除小鼠神经祖细胞的增殖率减慢和（或）脑发育过程中神经干细胞/祖细胞群的早期损失引起。大量研究表明mTor信号在多个细胞系中具有抑制自噬的作用，我们前期研究发现，Rheb1中枢神经系统敲除小鼠所有脑区域中mTor活性被显著抑制。因此，我们推测Rheb1敲除小鼠由于缺失mTor信号发生过度自噬，从而导致神经祖细胞增殖率减慢及脑发育过程中神经干细胞/祖细胞群的早期损失，最终导致其脑发育异常。本课题的研究将确定Rheb1/mTOR通路介导的自噬抑制在维持神经祖细胞生存和增殖中的功能及Rheb1/mTOR信号异常是否引起线粒体自噬异常从而导致神经祖细胞受损。 （2）与铁离子代谢相关基因在神经元发生、极化和网络化中的作用及分子机制： 研究结果表明，铁离子与神经元的发育密切相关，但其分子机理尚不清楚。为深入研究铁离子和铁转运蛋白在脑神经发育中的分子机理，我们将在神经前体细胞中敲除铁离子运输基因包括铁转运蛋白受体（Transferrin Receptor，TFR）、二价金属转运体（DMT1）和运铁素（Ferroportin，Fpn或SLC40A1)。 铁转运蛋白受体主要摄取转铁蛋白结合铁（Transferrin-bound iron，Tf-Fe），二价金属转运体主要摄取非转铁蛋白结合铁（Non-Transferrin-bound iron，NTBI），而运铁素在机体内唯一具有从细胞内泵出铁离子的蛋白。这三个基因涵盖了细胞摄取和泵出铁离子的主要通路。通过本课题的研究我们将确定铁离子转运在神经元发生过程中的作用和机理，为防治铁离子代谢失调引起的神经性疾病奠定基础。 并且体外试验已经表明Numb调节神经元的极化。铁离子、转铁蛋白与内吞调节蛋白Numb共同参与内吞功能，但在脊椎动物中还未有遗传学证据证明这些分子介导的内吞调节神经元的极化。本课题将以这些基因敲除小鼠为模型，运用多种前沿生物学技术阐明中枢神经系统神经元摄取、泵出铁离子的通路和内吞调节蛋白Numb/Numblike在神经元极化中的作用及分子机制。课题的研究将确定TFR、DMT1、Fpn、numb和numblike信号通路是否是神经元极化所必需的，同时将为进一