PTEN缺失致线粒体异常在孤独症发病中的作用及机制研究

Autism is a wordwide, complex and serious neurodevelopmental disorder. Recently epidemiological data indicate that mitochondrial disorder is prevalent in autism patients, but the reason is unknown. PTEN mutations in individuals with autism have also been reported, although a causal link between PTEN and autism remains unclear. Our study found that while knockdown of PTEN in mouse cortical neurons, the quantity of mitochondria, the copy number of mtDNA and the level of PGC-1α which is a key regulation protein of mitochondrial biogenesis are all increased significantly whereas the level of ATP is decreased. Furthermore, knocking down of PTEN causes the primary neurons hypertrophy and abnormal dendritic and axonal growth. Knockdown of PGC-1α at the same time can reverse the above phenomenon. These results suggest that PTEN deficiency may be induce mitochondrial hyperplasia and dysfunction through PGC-1α. Thus, it is worthy to do the further investigation. In this project we will use PTEN knockdown neuron as model in vitro and PTEN mature neurons conditional knockout mice as animal model to investigate the effect of PTEN deficiency on mitochondrial number and function and look for its possible molecular mechanism. Furthermore we will also investigate the effect of mitochondrial disorder that caused by PTEN deficiency on the neuron, synapse, neurotransmitter release and autism. Finally we will try to disturb the mitochondrial disorders by blocking PGC-1α in pten mature neurons conditional knockout mice autism model to see whether it can be a new target for the treatment of autism.

最新临床研究显示孤独症患者普遍存在线粒体异常，pten是孤独症高度易感基因，其致病机制不明。我们研究发现在小鼠皮层原代神经元中敲减pten后，线粒体异常增生，ATP水平下降，调控线粒体生物合成的关键蛋白PGC-1α含量显著上升，并且神经元出现肥大、轴突、树突形态异常等现象，同时敲减PGC-1α则可逆转以上现象。这些结果提示PTEN可通过调控PGC-1α致线粒体增生及功能障碍而影响神经元形态，其具体调控机制及其对神经元和孤独症的影响值得深入研究。本项目拟采用体外培养细胞及pten成熟神经元条件敲除小鼠孤独症模型来验证pten缺失对线粒体的数量及功能的影响，探索其可能的分子机制，并进一步研究pten缺失所致的线粒体异常对神经元、突触以及神经递质释放的影响，分析其在孤独症发病中的作用；同时在pten成熟神经元条件敲除小鼠孤独症模型中尝试干预这种线粒体异常是否可能成为孤独症治疗的新靶点。

最新研究显示孤独症患者普遍存在线粒体异常，但具体原因不明。pten是孤独症高度易感基因，其致病机制仍有待研究。我们研究发现在体外培养的小鼠皮层神经元中敲减pten后，线粒体异常增生，并伴随ATP水平的下降，调控线粒体生物合成的关键蛋白PGC-1α含量显著上升；敲减pten后的原代神经元出现肥大、轴突、树突形态异常，同时敲减PGC-1α则可逆转该现象。这些结果提示PTEN可通过调控PGC-1α致线粒体增生及功能障碍而影响神经元形态，本项目采用细胞及动物模型验证PTEN缺失对线粒体的数量及功能的影响，分析其可能的分子机制。在体外神经元细胞系中通过过表达和敲减PTEN研究表明，PTEN可通过调控磷酸化AKT1水平影响GSK-3β 磷酸化水平，GSK-3β 磷酸化水平直接调控了线粒体生成相关蛋白PGC-1α的水平，进而调控线粒体的生成与数目。采用孕期注射高剂量VPA方法造小鼠孤独症模型后，与对照组相比，VPA造模组小鼠的运动能力并无显著变化，学习记忆功能正常。但孤独症模型小鼠更热衷于刻板重复行为。VPA造模小鼠接近陌生鼠的时间和鼻触数均显著降低，同时VPA造模小鼠的社交指数存在显著差异，存在显著的社交障碍。与Control组相比，VPA造模后，海马区PTEN表达水平显著降低，小鼠脑内神经元PGC-1α的mRNA表达水平未有明显变化，而其底物 mCOX-2 的mRNA水平显著升高（TFAM未有显著变化）。免疫荧光染色的结果也显示，较对照组，VPA造模后，小鼠海马区神经元内线粒体生成相关蛋白PGC-1α及线粒体标志蛋白COXIV的表达显著升高。结果表明，VPA造模的孤独症小鼠模型中，海马区PTEN表达水平显著降低，粒体生物合成的关键蛋白PGC-1α含量上升,线粒体数目显著上升。本项目在体内外阐明了PTEN 缺失后可过度活化AKT / mTOR 通路，通过磷酸化GSK-3β使其失活，从而进一步活化PGC-1α，持续活化的PGC-1α 可诱导线粒体的异常增生和功能异常，这在孤独症的发生发展中起到重要作用。同时指出AKT / mTOR，GSK-3β, PGC-1α信号通路可作为孤独症治疗的潜在干预通路，为孤独症的治疗提供新的靶点和思路。