神经细丝磷酸化调控慢向轴突运输及轴突形态的理论研究

Neurofilament(NF) is one of the most abundant cytoskeletal protein in determining axonal caliber. However, neurofilaments are not static but are continuously transported by molecular motors along microtubule tracks into axon, which is named “slow axonal transport”, and characterized by bidirectional, intermittent and stochastic movement. Slow axonal transport of neurofilaments plays an important role in shaping the morphology of axon and functioning in signal conduction. Defects in slow axonal transport could cause many neurodegenerative diseases..This project will focus on the mechanism of how the dynamics of NF phosphorylation regulates slow axonal transport of NF. We propose that, the dynamic balance between phosphorylation and dephosphorylation of NFs modulates NF interspacing, NF interaction, NF transport, all of which contribute to shape axonal morphology. We will develop a set of non-linear partial differential equations and use computational modeling to interprate the experimentally observed data, and eventually provide a mechanism for understanding the function of phosphorylation of NF in regulating slow axonal transport of NFs and axonal morphology.

神经细丝是细胞轴突中最重要的细胞骨架蛋白，其数量直接与轴突半径大小相关. 但是神经细丝并不是在轴突中静止不动，而是由分子马达承载，沿微管轨道，源源不断地向轴突中输运，称之为“慢性轴突运输”（Slow Axonal Transport)。细丝的轴突运输对轴突形态的形成及神经信号的正常传导，具有非常重要的作用。细丝的轴突运输发生异常会导致各种神经退行性疾病。 .此项研究将从理论上探讨，关于细丝的磷酸化动态地调控细丝运输和轴突形态的机制。我们提出，神经细丝的磷酸化水平，和磷酸化与去磷酸化的动态过程，通过影响细丝间距，细丝相互作用，细丝与马达相互作用，来调控细丝运输，最终影响轴突形态。此项研究将紧密联系实验数据，发展一套非线性的时空耦合偏微分方程，利用计算机模拟和数学解析的手段，解释实验观测的数据，提供一套细丝磷酸化调控细丝运输和轴突形态的理论机制。

神经细丝是一种中间神经细丝，主要填充神经轴突内部空间的骨架蛋白。神经轴突的半径与其内部的神经细丝的数量成正比关系。神经细丝并不是不动的，而是由分子马达沿着微管输运到神经轴突末梢。其输运平均速度非常低，被称之为“慢向轴突输运”。 单个神经细丝的输运特征是随机的“走走停停”， 神经细丝群体速度的慢性特征是由于低的输运时间，即神经细丝在停的状态的时间比例非常高，仅仅在非常短暂的时间内有比较快速的运动。.我们应用数学模型来研究轴突有髓鞘包裹和无髓鞘包裹的情况下，神经细丝的动力学变化，及其与轴突形态之间的关系。神经细丝的“走走停停”的行为是由“6-态”模型来模拟的，不同态之间的转换几率是从以前发表的文章和实验中获得。 蒙特卡洛方法和数值解偏微分方程的方法都用到，来模拟神经细丝的动力学过程。.我们基本的理论假设是，轴突的髓鞘化导致其内部的神经细丝的磷酸化，而磷酸化又使得神经细丝与周边邻居会有相互作用，导致神经细丝上轨道的几率降低。相对另一方面，无髓鞘包裹的轴突内部则存在去磷酸化的神经细丝，这些神经细丝具有短的“手臂”，更加容易被分子马达载运到微管上输运。从而他们的上轨道几率会比磷酸化的神经细丝高很多。为了验证我们的假设，我们认为上轨道几率在影响神经细丝输运速率方面是最直接的因素，也是可以从我们的模型中进行调节的。.神经细丝输运的平均速度是各态转化几率的函数，可以表示为高斯波包中的平均速度和方差。我们将上轨道几率重新表达为平均速度的函数, 来探究小鼠视神经始端的轴突内部神经细丝的输运特征。.我们发现，小鼠视神经的始端（excavation），神经细丝的上轨道几率的上调加快了神经细丝的输运速率，并且导致神经细丝的数量降低，对应于神经轴突的半径减小。我们的结果可以解释神经细丝的数量分布，在始端无髓鞘包裹下的数量与150微米后有髓鞘包裹的数量相比，与实验数据相一致。