线粒体内膜蛋白mitofilin在神经元退行性变中的作用及机制研究

Mitochondria dysfunction is one of the main factors that cause neurodegenerative diseases. It has been shown that altered expression of mitofilin, a mitochondrial inner membrane protein have been found in several neurodegenerative diseases, including Parkinson's disease. However, the role of mitofilin in the neurodegenerative diseases remain unknown. To study its biological functions in the development of neurodegenerative diseases, we generated a mitofilin-deficient mouse model using "gene-trap" strategy. Although mitofilin-/- mice were early embryonic lethal due to severe oxidative phosphorylation defects, preliminary study showed that mitofilin+/- mice display a progressive neurological phenotypes, resembleing neurodegenerative disorders. This project is going to investigate mice at various age groups for behavior changes, such as balance, learning and memory using ETHOVISION system and Morris water maze test, to explore the molecular imaging and morphological changes using small animal MRI, PET, and systematic pathological analysis, in order to establish a mouse model for mitofilin-deficient neurodegenerative diseases. To dissect the molecular mechanism of mitofilin in the development of neurodegenrative disorders, mitochondria function in live animals is being analyzed using in vivo fluorescence micro-image, and isolated cerebellar tissues and primary cultured cerebellar neurons are being analyzed for mitochondrial ATP production, O2 consumption, membrane potential, respiration control rate, reactive oxygen species，and mitochondrial protein constituents. Moreover, neuronal protective role of novel drugs will be tested in mitofilin-deficient mice.

线粒体功能异常是神经元退行性病变的主要因素之一。研究表明一些神经退行性疾病中线粒体内膜蛋白mitofilin表达与转录会发生改变，但其生物学作尚不清楚。为研究mitofilin的生物学功能，我们构建了mitofilin基因敲除小鼠，初步研究结果提示mitofilin+/-小鼠呈渐进性神经退行性变。本课题将进一步探索mitofilin杂合缺失对小鼠学习、记忆、平衡等行为学的影响，通过小动物核磁、PET等脑组织分子影像分析，建立mitofilin功能缺失性神经退行性病小鼠模型。同时，通过活体荧光显微技术来研究mitofilin对不同脑区神经元线粒体功能的影响，进一步应用原代培养的神经元来研究mitofilin功能缺失对小鼠线粒体氧耗、ATP产生、膜电位、呼吸控制率、活性氧、及线粒体蛋白组成功能的等影响，探讨mitofilin在神经元退行性变发生中的作用及机制，同时探讨神经元保护性新药的作用。

神经退行性疾病是一类以神经元的结构和功能逐渐丧失为特征的慢性进行性神经系统疾病。线粒体功能异常是引发神经退行性病变的主要因素之一，但具体的分子机制尚不明确。目前在一些神经退行性疾病中已发现线粒体内膜蛋白Mic60表达与转录的改变，因此本课题着重于研究Mic60在神经退行性改变中的角色与功能。.Mic60基因纯合缺失小鼠发生胚胎早期死亡现象，杂合子（Mic60+/-）小鼠可以正常出生，虽然早期未显现任何异常，但随着年龄的增大其逐渐出现渐进性神经退行性变症状，包括：形态上出现神经纤维缠结、脂褐素沉积等神经退行性表现；结构上脑部呈现不均质状态，且侧脑室部分扩张，小脑、海马的体积变小；同时小鼠平衡能力下降，学习记忆功能障碍。进一步发现Mic60+/-小鼠的线粒体功能显著下降，神经元中许多线粒体相关基因蛋白表达出现改变。Mic60+/-小鼠会产生更多的活性氧ROS，并在脑内造成了氧化损伤。我们进一步通过18F-FDG-PET方法观测到Mic60+/-小鼠脑组织FDG摄取显著升高，伴有血糖及血乳酸水平的升高。由于 Mic60+/-小鼠可产生大量的ROS，我们给予Mic60+/-小鼠接受四周的抗氧化剂NAC，结果显示其ROS的量明显下降，并且线粒体功能及其代谢水平也得到了一定程度的恢复。.经分析比较发现Mic60+/-小鼠出现的神经退行性表型与人线粒体脑病具有极大的相似性。为此我们收集了多例线粒体脑病的肌肉组织进行检测，发现Mic60蛋白表达显著降低，进一步证明Mic60功能异常在神经元退行性病变中的作用。.另一方面，有研究表明Mic60与心脏疾病发生有关，但在心脏衰老中的作用尚未见报道。本项目发现老龄Mic60+/-小鼠心重指数明显增加，且出现心肌肥厚、心肌细胞活性氧升高的表型，分子水平上证实这与部分OXPHOS复合物相关基因表达下降有关。.综上所述，Mic60+/-小鼠是一种用于研究线粒体功能异常如何引发神经退行性疾病或心脏衰老病变机制的重要动物模型，同时还可用做相应药物筛选的平台。