细胞器高尔基体调控小脑共济失调的机制研究

The Golgi apparatus lies at the heart of the secretory pathway where it is required for secretory trafficking and cargo modification. Disruption of Golgi architecture and function has been widely observed in neurodegenerative disease, but whether Golgi dysfunction is causal with regard to the neurodegenerative process, or is simply a manifestation of neuronal death, remains unclear. Our previous work has reported that loss of golgin GM130 causes disruption both of golgi ribbon structure and polarized distribution in Purkinje cells and induced Purkinje neuron loss and ataxia in mice. The polarized distribution and ribbon-like structure of Golgi apparatus are two key characters in normal mammalian cells. However, the role of Golgi ribbon structure and polarized distribution in animal develoment and disease biogenesis remains unknown. In this study, we will generate LKB1fl/fl-Nestin-Cre and Golgin84fl/fl-Nestin-Cre mice which impares Golgi polaried distribution or ribbon structure respectively. We will investigate into the motor defects, ataxia phenotype, progressive cerebellar atrophy, Purkinje cell fate, Golgi architecture, Golgi positioning, and specific secretory cargo trafficking in these mutant mice. Our studies will reveal a significant pathogenic mechanism of neurodegerative disease in human.

极性分布和带状结构是细胞器高尔基体在哺乳动物细胞中的重要结构特征，但是其生理学功能还不清楚。本项目在前期的研究中，通过研究高尔基体基质蛋白GM130基因敲除小鼠，发现GM130敲除既破坏小脑浦肯野细胞的高尔基体带状结构，也影响了极性分布，导致浦肯野细胞进行性死亡，呈现严重小脑共济失调症状，证明高尔基体的结构紊乱是神经退行性疾病发生的重要起因。在此基础上，本项目拟构建特异性影响高尔基体极性的LKB1和带状结构的Golgin84基因敲除小鼠，通过行为学病理学细胞学和生物化学等手段对突变体小鼠运动平衡能力、小脑发育、浦肯野细胞命运、高尔基体结构和极性分布、被调控的靶蛋白等进行系列分析，并与GM130基因缺失小鼠进行比较，揭示高尔基体极性分布和带状结构的生理学功能这个细胞生物学目前存在的关键问题。其结果对揭示浦肯野细胞进行性死亡、神经细胞退行性病变、小脑共济失调的疾病发生机制都有重要的科学意义。

在前期工作中，我们通过研究高尔基体基质蛋白GM130基因敲除小鼠，发现GM130缺失导致浦肯野细胞内高尔基体带状结构发生片段化，高尔基体从主要分布在树突侧改为轴突侧，浦肯野细胞发生进行性死亡和丢失，进而发生小脑萎缩和小脑共济失调症状。这项研究结果证明高尔基体结构的片段化和在细胞内的空间分布异常是导致小脑共济失调等神经退行性疾病的直接原因。但是，是高尔基体片段化，还是高尔基体空间位置变化导致浦肯野细胞死亡并不清楚。.本项目通过构建LKB1、Golgin84、TMF1、PRMT5和PRMT7等多个调控高尔基体结构和空间分布的基因缺失突变体，研究了高尔基体片段化和空间位置分布变化对浦肯野细胞命运的调控作用。在本项目支持下，完成了九个方面的研究工作：①LKB1调控小脑浦肯野细胞中高尔基体位置分布的分子机制的研究，发现LKB1通过抑制STK25对GM130 S273磷酸化调控高尔基体在浦肯野细胞中的位置分布，从而阻止了小脑共济失调发生。②高尔基体基质蛋白GM130调控小脑共济失调的机制研究，发现GM130缺失导致浦肯野细胞中ATF6介导的UPR途径失活；小分子化合物147通过激活ATF6能够减轻GM130缺失导致的小脑共济失调，为治疗GM130突变发生神经退行性疾病的家族性患者探索了一条新途径。③基质蛋白Golgin84调控高尔基体结构和浦肯野细胞功能研究，发现Golgin84缺失部分修正了GM130缺失导致高尔基体位置分布，从而降低浦肯野细胞丢失，减轻GM130缺失导致的小脑共济失调。④基质蛋白TMF1调控高尔基体位置和神经细胞命运研究，发现基质蛋白TMF1通过抑制浦肯野细胞中高尔基体outpost，负调控老年小鼠神经细胞树突分枝，从而降低了老年小鼠的运动能力。⑤研究了高尔基体基质蛋白GM130缺失对肺泡脂质的调控作用，发现GM130选择性调控脂类在肺泡细胞中的分泌。⑥揭示了PRMT7介导肺肌成纤维细胞增殖和分化的表观遗传机制。⑦发现高尔基体和PRMT5在儿童淋巴细胞白血病发生中的作用机制。⑧揭示了PRMT5调控肺器官发育的分子机制。⑨揭示了PRMT5调控肝纤维化发生的表观遗传机制。在本项目支持下，获得如下成果：发表SCI论文五篇，待发表SCI论文4-5篇；合作发表SCI论文4篇，培养博士研究生7名。我们完成了项目的所有研究内容，实现了项目的总体目标。