神经细胞内蛋白质量控制系统对锰诱导α-Synuclein蛋白寡聚化的影响及其分子机制研究

Manganese (Mn) is one of the common heavy metal pollutants in the environment and one of the environmental pathogenic factors of Parkinson's disease. The protein quality control system plays an important role in Mn-induced oligomerization of α-Synuclein (α-Syn) protein. But, the specific mechanisms are not clear. This project aims to, based on our previous research, further put forward inference: In the early stage of Mn-induced α-Syn protein overexpression, ubiquitin-proteasome system and autophagic-lysosomal pathway were activated by the action of unfolded protein response and related molecular chaperones in order to eliminating the abnormal α-Syn protein in the nerve cells; Under the action of Mn for a long time, the proteasome activity was inhibited; In addition, Mn-induced S-nitrosylation and the combination of the α-Syn protein and HMGB1 protein disturbed the ability of autophagy to the removal of abnormal proteins resulting in the emergence of α-Syn protein oligomers. Through the study of proteins associated with protein quality control systems and their interactions using live cell imaging and bimolecular fluorescence complementation technologies, this project will reveal that the protein quality control system play an important role in Mn-induced oligomerization of α-Syn protein. This project will provide a scientific theoretical basis for the mechanism study and therapeutic targets of Mn neurotoxicity.

锰（Mn）既是环境中比较常见的重金属污染物，又是帕金森病的环境致病因素之一。在锰诱导α-突触核蛋白（α-Syn）寡聚化过程中，神经细胞内的蛋白质量控制系统发挥了重要作用，但具体机制尚不清楚。本项目拟在申请人既往研究的基础上，进一步提出推断：锰诱导α-Syn蛋白过表达的早期，在未折叠蛋白反应和相关分子伴侣信号的作用下，泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体途径对异常α-Syn蛋白进行清除，以达到保护的作用；在锰的长期作用下，蛋白酶体活性被抑制；锰诱导的亚硝基化作用和α-Syn通过结合高迁移率族蛋白1（HMGB1）干扰自噬对异常蛋白的清除，导致α-Syn蛋白寡聚体出现。本项目将活细胞成像与双分子荧光互补（BiFC）技术相结合，通过对蛋白质量控制系统相关的蛋白分子及其相互作用的研究，揭示蛋白质量控制系统对锰诱导α-Syn蛋白寡聚化过程的调控作用，为锰神经毒作用机理的研究和治疗靶点提供科学的理论依据。

锰是环境中比较常见的重金属污染物。锰可以在脑中蓄积产生神经毒性。我们课题组前期研究发现，锰可以诱导神经细胞中的a-突触核蛋白（α-Synuclein, α-Syn）寡聚化参与其神经毒性作用。在锰诱导α-Syn蛋白寡聚化过程中，自噬信号分子的变化规律及其调控机制，以便找到防止α-Syn蛋白寡聚化的治疗靶点，显得尤为重要。该课题分别以野生型小鼠和α-Syn基因敲除小鼠，原代培养神经元和SH-SY5Y细胞系为研究对象，围绕锰诱导α-Syn蛋白寡聚化过程展开研究，揭示异常蛋白出现早期内质网应激信号对自噬的活化以及锰诱导的亚硝基化和α-Syn蛋白寡聚体对神经细胞自噬的影响及其分子机制。动物体内实验发现，自噬活化可以缓解锰诱导的α-Syn寡聚化；α-Syn在缓解锰诱导的自噬过度活化和神经毒性过程中的起到了重要作用。另外，我们也通过细胞体外实验证实，锰暴露早期PERK和IRE1α信号通路激活保护性自噬减少细胞凋亡；锰可以诱发iNOS活化导致神经细胞内产生大量NO，导致自噬相关蛋白亚硝基化，干扰自噬的活化；同时，锰诱导α-Syn蛋白过表达干扰HMGB1 介导的自噬启动。我们也利用1400W，自噬调节剂和Cory B等干预药物和RNA干扰技术手段对上述结论进行了验证。因此，本课题得出以下结论：在锰诱导α-Syn蛋白过表达的早期，PERK和IRE1α信号通路活化自噬途径，对异常α-Syn蛋白进行清除；随着锰作用时间的延长，其诱导的亚硝基化作用和α-Syn蛋白通过结合HMGB1蛋白，而干扰自噬对异常蛋白的清除，导致α-Syn蛋白寡聚体出现。此研究不仅为预防和治疗锰中毒及其他神经退行性疾病提供一定的实验和理论依据，而且在加强锰中毒防治和保护锰接触者健康方面有重要的现实意义。