酸敏感离子通道在糖脂代谢失衡相关神经疾病中的作用及其机理研究

Glucolipide metabolic malfunction often occurs in many neurological disorders such as ischemic stroke and neurodegenerative diseases. However, the pathological significance and molecular mechanisms of metabolic malfunction remains largely unknown. Acid-sensing ion channels, in particular ASIC1a subtype channels, which mediate acidosis-induced ischemic neuronal death, may serve as the hubs of glucolipide metabolic malfunctions in ischemic brain. During ischemic stroke, the glucolipide metabolism was disturbed, causing severe extracellular acidosis, lactate and arachidonic acid accumulation, which provide sufficient and necessary conditions for ASIC1a activation. Based on both in vitro and in vivo evidence, we found that ASIC1a mediated a novel form of neuronal programmed necrosis (necroptosis), independent of ion conducting functions. Receptor-interacting protein (RIP) was recruited to ASIC1a, formed necrosome with phosphoglycerate mutase5 (PGAM5), glutamate-ammonia ligase (GLUL) and glycogen phosphorylase (PYGL), leading to mitochondrial dysfunctions which eventually caused neuronal cell death. We plan to identify other key molecules in this novel death pathway and generate related genetic manipulation mouse models via CRISPR/Cas9 system to explore their pathological relevance. Based on these findings, we will design/screen artificial peptides and small neuroprotective molecules to develop new clinical therapies for neuronal damage associated with glucolipide metabolic malfunction-related neurological disorders.

中风和神经退行性疾病常常伴随有糖脂代谢失衡，但是糖脂代谢失衡引起神经损伤的分子机制尚不清楚。以往研究提示，酸敏感离子通道（尤其是ASIC1a通道亚型）是糖脂代谢失衡和缺血性中风脑损伤的有机结合点。缺血性中风发生后，糖脂代谢失衡所导致的乳酸，花生四烯酸积累，以及组织酸化等病理条件，为ASIC1a的激活提供了充分必要的条件。结合离体细胞和在体局灶性脑缺血动物模型，我们进一步发现ASIC1a介导一种新型的神经元程序性坏死（necroptosis）模式。这种新模式不依赖通道离子通透功能，而是通过与受体结合蛋白（RIP）相互作用，偶联如磷酸变位酶5（PGAM5），谷氨酰胺合成酶（GLUL）和糖原磷酸化酶（PYGL）等糖脂代谢的关键分子形成坏死复合体，进而造成线粒体损伤所导致的。我们计划鉴定并研究这种新型死亡过程中其他关键信号分子，利用CRISPR/Cas9技术建立相应的基因改造动物模型，同时设计并筛选相关神经保护多肽和小分子化合物，研究结果有望为治疗糖脂代谢失衡相关的神经疾病提供全新的药物干预靶点。

中风和神经退行性疾病往往伴随有糖脂代谢失衡，但是糖脂代谢失衡在神经损伤中的作用及其机制尚不清楚。由于糖脂代谢失衡往往引起乳酸和花生四烯酸积累，导致组织酸化，后者可激活酸敏感离子通道（ASIC），通过介导钠离子和钙离子内流，发挥相应功能。药物干预和基因敲除ASIC1a显著减少缺血后梗死面积，表明ASIC1a可能介导了酸毒导致的神经元死亡，从而贡献于糖脂代谢失衡相关神经疾病，然而其精确机制还不清楚。在本课题中，我们系统研究了ASIC1a介导神经元死亡的分子信号通路，并针对ASIC1a的作用机制设计神经保护多肽。结合离体细胞和小鼠局灶性脑缺血动物模型，我们发现酸毒通过ASIC1a介导了神经元程序性坏死（necroptosis）过程。这种死亡模式不依赖ASIC1a的离子通透功能，而有赖于通道蛋白与细胞内死亡诱发激酶受体相互作用蛋白1（RIP1）之间的特异性结合，引发后者的磷酸化，偶联如磷酸变位酶5，谷氨酰胺合成酶和糖原磷酸化酶等糖脂代谢的关键分子形成坏死复合体，进而造成线粒体损伤，激活神经细胞程序性坏死进程，导致脑组织坏死。这一新发现颠覆了缺血过程中ASIC1a介导细胞钙离子超载致死的传统认识，首次揭示了ASIC1a的非离子通透功能，为基于ASIC1a的脑卒中治疗药物研究提供了全新的理论指导。为了揭示神经元膜上ASIC感受细胞外pH值波动的机制，我们引入光遗传技术并结合活细胞荧光成像及电生理技术研究，揭示了ASIC天然配体——质子的可能来源及其激活机制，发现了脑内质子信号和ASIC在神经通讯中的重要作用，为认识长期困扰该领域的ASIC配体来源问题提供了新思路和实验证据。最后，基于我们前期对ASIC生理意义及其作用机制的了解，为深入研究这种新型死亡通路和糖脂代谢失衡在缺血性中风过程中的重要病理意义，我们利用CRISPR/Cas9技术建立了ASIC1a的离子通透功能选择性缺失的小鼠模型，在动物整体水平验证了ASIC1a在缺血性中风中的作用机制，并基于该机制型找到全新的药物干预靶点，为糖脂代谢失衡导致的神经元死亡提供新的治疗策略。