Gβ2调节新皮质发育及机制研究

Neural circuit in neocortex is the functional basis of mammalian brain, which relies on accurate neuron localization and correct synaptic connections. Heterotrimeric G protein, composed of α, β and γ subunits, is one of the most important intracellular signal transduction molecules. When activated by upstream signals, Gα separates from Gβγ to transduce signal to the downstream factors. In this way, Gα has been shown to regulate asymmetric cell division, neuronal electrical activity and neurotransmitter release. Gβγ is also an independent signal transducer and regulates cross talking between G protein and other signaling pathways. With respect to our knowledge of Gα, biological roles of several Gβ subtypes are still obscure. Evidence from recent publications and our own results showed Gβ2 was highly expressed in the developmental neocortex and regulated neuronal migration. In order to further investigate the roles of Gβ2 in the developmental stage, we have generated Gβ2 knockout mouse by using CRISPR technique. With this mouse model, we will systematically study the roles of Gβ2 in the proliferation and differentiationneural of precursor cell, neuronal migration and connection of neuronal synapse with loss-of-function, signaling inhibitor and functional rescue. The results from this proposal will enhance our understanding of G protein in neural development, and will be helpful to reveal the pathogenesis of neurological disorders.

哺乳动物新皮质发育依赖于新生神经元的皮层定位并建立正确的突触连接，是行使脑功能的结构基础。异源三聚体G蛋白是细胞内重要的信号转导分子，由α，β和γ亚基组成，细胞内外信号激活导致Gα和Gβγ分离，在细胞不对称分裂、神经元电活动和神经递质释放等环节中发挥作用。Gβγ能够独立介导信号传递，还可能调节G蛋白与其它信号通路交互转导(cross talking) 。相对于Gα亚基，几种Gβ的生物学意义并不明确。结合近年研究进展和我们的工作基础显示，在新皮质发育过程表达丰度较高的Gβ2，调节新生神经元迁移。为此，我们制备了Gβ基因敲除鼠，在此基础上，将综合利用功能缺失、功能抑制和功能补偿等技术手段，深入研究Gβ2在新皮质神经前体细胞增殖与分化、新生神经元的迁移和成熟神经元的形态发生中的具体作用和调节机制。本研究将增进和完善G蛋白调控脑发育机理的认识，为正确理解脑发育相关疾病的发病机制提供科学依据。

哺乳动物大脑的发育依赖于神经前体细胞的增殖、分化、有丝分裂后神经元的迁移和投射，构筑大脑皮层高度有序的板层结构。大脑皮层神经元辐射迁移及整合是皮层发育成熟的关键步骤。异源三聚体 G 蛋白是细胞内重要的信号转导分子，由 α、 β 和 γ 亚基组成，将从 G蛋白耦联受体而来的信号传递给下游信号分子，调控细胞中的激酶活性、离子通道活性及细胞骨架稳定性等等。 Gβγ 二聚体具有失活 Gα 亚基抑制 G 蛋白持续激活作用，近来发现Gβγ能够独立激活下游信号，调控细胞骨架运动、囊泡运输和基因转录调控等生命活动。因此，阐明每一种G蛋白β亚基的时空表达特征和生物学作用，对理解Gβγ 二聚体的功能有重要意义。.通过免疫印迹和免疫组织化学染色发现 Gβ2 在小鼠大脑皮层IZ 的表达水平较高，利用子宫内电穿孔技术在体内敲减 Gβ2 的表达，导致神经元辐射迁移受到抑制，高尔基体朝向迁移方向的定位异常，提示Gβ2 对迁移神经元的极性确立尤为重要。为了深入理解Gβ2在发育中的作用，我们分析了Gnb2基因敲除小鼠神经元迁移情况。通过BrdU标记分析发现，Gnb2敲除鼠神经元部分阻滞。然而，在出生后的小鼠脑中，没有检测到鼠脑整体结构和皮层结构的明显区别，说明Gnb2缺失造成的迁移阻滞是暂时性效应。.对成年小鼠锥体神经元形态分析结果显示，Gnb2敲除主要导致锥体神经元的树突棘密度减低，这种表型在皮质外锥体细胞、内锥体细胞和海马锥体细胞广泛存在。Gnb2功能缺失的小鼠表现焦虑并损害短期记忆行为。机制研究显示，Gβ2作为支架蛋白，为ERK 信号途径转导胞外信号。进一步，Gβ2作为突触组分可能调节突触受体的动态分布以便维持突触兴奋性。本项目研究结果对于脑发育的认识以及神经性疾病的防治有着重要的意义。