突触结合蛋白Synaptotagmin 11对多巴胺神经元胞吞过程的调节作用

Our recent study found that Synaptotagmin-11 (Syt11) inhibits clathrin-mediated and bulk endocytosis in neurons (Wang et al., EMBO Rep, 2016, cover article), which is also involved in the pathogenesis of parkin-linked Parkinson’s diseases (PD). Loss-of-function mutations in Parkin are the most common cause of autosomal recessive PD. Many putative substrates of parkin have been reported, but their pathogenic roles in the disease remain obscure due to scarce evidence in vivo. Here, we show that Syt11 is a physiological substrate of parkin and a critical player in parkin-linked PD. We strikingly found that parkin deficiency leads to the accumulation of Syt11 in the ventral midbrain of mice, while unilateral overexpression of Syt11 in the substantia nigra pars compacta (SNpc) impairs ipsilateral striatal dopamine release, causes late-onset degeneration of dopaminergic neurons, and induces progressive contralateral motor abnormalities. This study aims to investigate function of Syt11 in parkin-linked PD using in vivo virus injection, electrochemical recordings, behavior assays, and molecular biochemical tools. This will shed light on the long-termly unsolved mechanisms underlying parkin-associated PD and the novel therapeutic target for the treatment of PD.

Parkin 功能缺失突变导致其底物异常积聚被认为是常染色体隐性遗传性帕金森病的重要原因，但其致病机制目前还不清楚。申请人对囊泡分泌调控机制与神经退行性病变的研究发现，突触结合蛋白Syt11抑制神经元的胞吞过程以确保胞吞与胞吐的耦联与平衡（EMBO Rep, 2016,封面文章），并揭示Syt11的这一功能可能还是parkin导致帕金森病的重要机制。我们发现Syt11是parkin的重要底物，它直接调节囊泡循环与多巴胺的分泌并介导parkin导致帕金森病的病理过程（见工作基础）。本申请将结合在体病毒感染技术、脑片电化学记录、行为学实验、confocal和TIRF成像、生化实验等，从分子、细胞及在体水平研究Syt11对多巴胺神经元内吞过程的调节作用及其在parkin介导的帕金森病中的重要意义，以期解决长期以来悬而未决的parkin导致帕金森病的致病机理，并为其治疗找到新的药物靶点。

帕金森病（Parkinson diseases, PD）是一种渐进性的仅次于老年痴呆症的第二大神经退行性疾病，Parkin基因的失活突变是导致常染色体隐性遗传性PD最重要的原因之一。遗传分析表明，parkin失活导致其底物在多巴胺神经元中的大量异常聚集，进而产生神经元毒性，从而引起帕金森病的病理发生过程。尽管目前已发现十几种Parkin的底物，但是由于缺乏直接的在体（in vivo）及病理证据，哪个/些底物在 parkin 功能缺陷后会导致病理性改变还没有达成共识。因此，parkin失活导致PD的病理机制是本领域长达20年之久的重要谜团。.本项目围绕Syt11对胞吞的调控作用及其在parkin相关PD病理进程中的核心机制展开了深入而细致的研究，并取得一系列研究成果：.1. 本项目的研究结果首次提供直接的在体实验证明Syt11表达上调是parkin失活导致PD的核心机制，parkin异常导致Syt11在DA神经元中异常积聚，进而抑制DA神经元的胞吞与囊泡循环过程、抑制DA分泌，最终引发PD的病理进程（Nat Commun, 2018），提出帕金森病囊泡循环新假说（Neuroscientist, 2020；Front Neurosci, 2019）.2. Syt1作为钙离子感受蛋白在胞吐-胞吞活动中同时发挥着重要的正向与负向调控作用，在低兴奋强度下促进胞吞过程，在强刺激条件下则抑制胞吞过程。这是首次发现Syt1对胞吞的抑制作用，也是首次揭示钙离子抑制胞吞作用的分子机制。.3. 发现溶酶体是神经突触重要的胞内钙库，溶酶体钙释放可直接触发分泌（J Cell Biol, 2016, 2020）；发现局部钙信号对量子化与亚量子化分泌的调节作用与机制（Sci Signal，2017，封面文章，Science亮点评述）；揭示新型钙不依赖分泌的调控机制（Neuron, 2017, Nat Rev Neurosci亮点评述；F1000Prime特别推荐）；进一步将这种全新的神经分泌模式推广至全身交感系统，对新型钙不依赖分泌进行重要延伸和拓展（PNAS, 2019）。