Celsr2敲除对神经元树突发育和神经功能的影响及其机制

Neuronal dendritic development is a key step for brain wiring, and dendrite defects are associated with a variety of neurological and neurodevelopmental disorders. Previous studies have shown that some mutations of planar cell polarity (PCP) genes are involved in dendritic development and associated with autism. Celsr2 is one of the core PCP genes, whose homologous gene Flamingo regulates dendrite development in Drosophila. We found that Celsr2 knockout mice display cognitive deficits, but we know very little about the function of Celsr2 in vivo. Our hypothesis is that Celsr2 regulates neuronal dendritic development and is important for neural function in mice. We have generated Celsr2 knockout and conditional knockout mice in our lab, and we will use these mice to study the effects of Celsr2 gene knockout on dendritic development (including dendritic arborization, self-avoidance, the formation and dynamic change of spines) of hippocampal pyramidal neuron and cerebellar Purkinje cell in vivo and the related mechanisms. We will also study the effects of Celsr2 gene knockout on functions of neural networks and mice behaviors such as learning and memory, motor activity and social behaviors. This study will show the function and mechanisms of Celsr2 and its related signaling pathway in neural dendritic development. In addition to contributing to our understanding of dendritic development, our studies will also help identify mechanisms for dendrite defects associated neurological disorders, thus have important scientific and social significance.

神经元树突发育是神经网络形成过程中的关键步骤，其异常与多种神经系统疾病相关联，如一些核心平面细胞极性（PCP）基因突变导致的树突发育异常与自闭症相关。Celsr2是PCP基因核心成员之一，其同源基因Flamingo在果蝇中调控树突发育，我们预实验发现Celsr2敲除的小鼠认知功能异常，但Celsr2在体内作用缺乏深入研究。为此我们提出：Celsr2在小鼠脑内发挥着调控树突发育和维持神经功能的重要作用。本项目拟应用Celsr2全基因敲除及条件式敲除小鼠，通过体内实验研究Celsr2基因敲除对海马和小脑神经元树突发育（如树突的形态分支、自我回避和树突棘的形成及动态变化）的影响和作用模式，以及小鼠神经功能的改变，并探讨其作用的可能信号机制。预期结果将阐明Celsr2在神经元树突发育中的作用和可能的信号机制，提供树突发育异常相关神经疾病的理论基础，具有重要的科学和社会意义。

我们利用Celsr2基因敲除小鼠并结合工具小鼠为模型，综合多种神经生物学研究手段，围绕Celsr2对神经发育的调控作用展开了研究。在Celsr2敲除小鼠中，其海马体和小脑的细胞结构及神经环路的形成均基本正常。利用转基因小鼠通过体内稀疏神经元荧光标记的方法我们研究发现Celsr2敲除小鼠小脑浦肯野细胞的树突发育正常，但海马CA1区锥体神经元顶树突的分支和总长都显著增加，并且该调控作用是细胞自主性的。我们通过体外神经元培养的方式对Celsr2调控神经元树突发育的作用模式展开了研究，发现Celsr2敲除后，神经元树突分支发育过程中的伸长得到了促进，而树突的回缩受到了抑制，从而导致了树突的过度生长。Celsr2敲除之后，海马锥体神经元树突棘的密度并无显著的变化，但蘑菇型树突棘（成熟的树突棘）的密度和体积显著降低。双光子活体扫描实验研究发现，Celsr2敲除后运动皮层的树突棘形成率显著降低，而消失率无明显差异；成年敲除Celsr2仍影响树突棘的动态变化。通过脑片电生理实验发现海马的长时程增强（LTP）在Celsr2敲除小鼠中有所下降，并且Celsr2敲除后神经元的电活性下降。Celsr2敲除小鼠的恐惧学习记忆能力下降，社交能力没有改变，但社交新奇和社交记忆能力显著下降，运动学习能力下降。此外，我们增加了在成年小鼠的海马或运动皮层中利用多种手段敲低Celsr2的表达，小鼠表现出类似的行为学表型，说明Celsr2对于成年小鼠神经元功能的维持也是必需的。我们构建了Celsr2融合HA标签蛋白的基因敲进小鼠，发现Celsr2和Wnt5b有基因相互作用，并通过Cdc42/Rac1和JNK/c-Jun信号通路发挥调控作用。研究结果明确了Celsr2及相关信号通路在神经元树突发育和神经环路连接中的功能和作用机制，拓展了人们对树突发育的分子调控机制的认识。