Caspase-8 调控的 mTOR 信号通路在铝诱导神经细胞程序性坏死和认知功能障碍中的作用

Necroptosis is a newly recognized cell death model. Our previous research indicated that aluminum-induced neural necroptosis is one of the major mechanisms for the decline of cognitive capability in aluminum treated mice, but the involved signal pathway is still not elucidated. Based on the latest references and our preliminary data, we hypothesized that caspase-8 regulated mTOR signal pathway may involve in aluminum induced necroptosis that could induce cognitive impairment. In the current project, we will investigate the hypothesis through human epidemiological, zebrafish in vivo and neuroblastoma cells in vitro experiments: ① we will investigate miRNAs expression of caspase-8 and mTOR pathway signal molecules in lymphocytes from aluminum electrolysis workers. ②caspase-8 knock-out zebrafish will be treated with aluminum and necroptosis inhibitor Nec-1 to evaluate role of caspase-8 in necroptosis and aluminum caused learning and memory impairment. At the same time, the zebrafishes will also be treated with mTOR pathway inhibitor rapamycin to illustrate the relationship of mTOR signal pathway and cognitive impairment. ③ aluminum-exposed neuroblastoma cells will be treated with caspase-8 shRNA knock-down to confirm the role of caspase-8 regulated necroptosis, and rapamycin will be used to verify the role of mTOR signal pathway in aluminum-induced necroptosis. The present project may provide theoretical basis for the mechanism of aluminum-induced neurotoxicity and cognitive impairment.

程序性坏死是一种新近确认的细胞死亡方式。申请人前期研究表明，铝致神经细胞程序性坏死可能是认知功能障碍的作用机制之一。在此基础上，本研究提出caspase-8调控mTOR信号通路与铝诱导神经细胞程序性坏死致认知功能障碍有关，并拟通过人群、整体动物及体外实验验证这一假说：①探讨铝电解作业工人的认知能力与血淋巴细胞中caspase-8及mTOR相关信号分子miRNA表达的关系；②用caspase-8基因敲除斑马鱼染铝并加程序性坏死抑制剂Nec-1处理，证实caspase-8调控的程序性坏死在铝诱导的学习记忆障碍中的作用；用mTOR信号通路抑制剂 rapamycin验证其与学习记忆障碍的关系；③在染铝+Nec-1细胞中用shRNA特异性抑制caspase-8基因表达，再进一步加 rapamycin 处理，验证caspase-8调控mTOR信号通路的作用。本研究可为铝致认知功能障碍研究提供理论依据。

在国家自然科学基金项目“Caspase-8调控的mTOR信号通路在铝诱导神经细胞程序性坏死和认知功能障碍中的作用(编号: 81673142)”的资助下，我们通过染铝建立了斑马鱼阿尔茨海默病模型，初步探讨了mTOR信号通路和程序性坏死在铝致斑马鱼阿尔茨海默病模型中的作用。实验方法和结论如下，① 职业流行病学分析：在本课题组已建立的职业性铝接触队列基础上，用2014年采集的铝作业暴露人群和对照人群的血样，提取淋巴细胞，检测血铝含量和血淋巴细胞中caspase-8 及mTOR信号通路相关基因miRNA表达。研究数据表明，血铝水平与mTOR信号通路相关基因miRNA表达及认知功能障碍有相关关系；② 体内实验：用显微注射法注射mTOR基因特异性抑制剂（荧光寡聚肽标记Mopholino），比较不同组别斑马鱼染铝或染铝+信号通路抑制剂雷帕霉素（rapamycin）后的神经行为与神经细胞凋亡、坏死基因表达水平的关系。研究数据表明，不同浓度的染铝组可以引起学习记忆能力下降、氧化应激反应、神经细胞的程序性坏死，caspase-8和 mTOR 信号通路的改变。使用雷帕霉素抑制mTOR信号通路后，神经细胞死亡增加；③ 染铝斑马鱼特异性抑制程序性坏死体内实验：选取成年斑马鱼，采用程序性坏死的特异性抑制剂Nec-1处理染铝后的斑马鱼。研究数据表明，特异性抑制程序性坏死可以改善染铝斑马鱼的学习记忆行为，减少神经细胞的死亡、减轻氧化应激反应和降低神经细胞坏死基因表达水平的变化。用mTOR信号通路抑制剂雷帕霉素（rapamycin）处理不同组别染铝斑马鱼，研究数据表明程序性坏死和caspase-8 及 mTOR 信号通路的改变有关。因此，caspase-8 调控的mTOR 信号通路在铝诱导程序性坏死和铝致斑马鱼阿尔茨海默病模型中发挥着重要的作用。