Tiam1和p250GAP调控的Rac1-PAK信号通路在稀土元素镧神经毒性中的作用及机制研究

Lanthanum, a rare-earth element, can accumulate in the brain tissue and influence intelligence development and cognitive ability such as learning and memory. However, the mechanism underlying the effects is not elucidated. Our previous studies had found that neurotoxicity of lanthanum may be related with the impairment of synaptic plasticity. It has been shown that synaptic plasticity is closely related with number and morphology of dentritic spine. The abnormal changes in the number and morphology of dendritic spine will affect transmission efficiency of synaptic information and cause intelligence development retardation and low learning and memory. Rac1-PAK signalling pathway plays the central role in regulating structure and function of dendritic spine and synaptic plasticity. In this study, the effects of lanthanum exposure on Tiam1 and p250GAP expression, Rac1 activity, PAK expression, actin polymeration, number and morphology of dendritic spine will be determined in order to confirm that down-regulation of Rac1-PAK signalling pathway due to change of Tiam1 and/or p250GAP is the critical mechanism underlying neurotoxicity of lanthanum via animal, brain slices, and cells experiments, making use of techniques in neuroethology, electrophysiology, molecular biology and so on. This study will provide important reference for effective intervention of intelligence development retardation and cognitive defect caused by lanthanum and even rare-earth elements.

稀土元素镧可在脑组织中蓄积，影响智力发育和学习记忆等认知能力，但作用机制尚未阐明。我们的前期研究发现，镧的神经毒作用可能与神经突触可塑性受损有关。研究显示，突触可塑性与树突棘的数量和形态密切相关。当树突棘的数量或形态发生异常改变，影响突触信息的传递效率，将导致智力发育落后和学习记忆能力低下。Rac1-PAK信号通路在调节树突棘的结构和功能以及突触可塑性方面发挥核心作用。本研究拟通过整体动物、离体脑片与体外细胞试验相结合的方法，运用神经行为学、神经电生理学、分子生物学等技术研究镧暴露对大鼠海马Tiam1和p250GAP表达、Rac1活性、PAK表达、肌动蛋白聚合以及树突棘数量和形态的影响，证实镧改变Tiam1和/或p250GAP表达而下调Rac1-PAK信号通路是其所致神经毒作用的关键机制，为有效干预镧乃至稀土元素引起的智力发育落后和认知功能低下提供重要依据。

稀土元素镧可在脑组织中蓄积，影响智力发育和学习记忆等认知能力，具有中枢神经毒性作用，但作用机制尚未阐明。神经元是中枢神经系统结构和功能的基本单位，其结构包括胞体和突起两部分，而突起又包括轴突和树突。树突棘是位于树突分支上富含肌动蛋白的棘状突起。突触是神经元之间的连接部位，亦是信息传递、加工和储存的关键部位。突触可塑性与树突棘的数量和形态密切相关。当树突棘的数量或形态发生异常改变，影响突触信息的传递效率，将导致智力发育落后和学习记忆能力低下。Rac1-PAK信号通路在调节神经元树突棘的结构和功能以及突触可塑性方面发挥核心作用。本项目通过整体动物、离体脑片与体外细胞试验相结合的方法，运用神经行为学、神经电生理学、分子生物学等技术研究Tiam1和p250GAP调控的Rac1-PAK信号通路在镧作用下的变化情况，观察镧对Tiam1和p250GAP表达、Rac1活性、PAK表达、肌动蛋白聚合以及树突棘数量和形态的影响，从酶活性、基因转录、蛋白表达、磷酸化程度及肌动蛋白聚合程度等角度探讨镧对神经元树突棘和突触可塑性以及学习记忆能力的损害作用机制，探讨Rac1-PAK信号通路激动剂能否干预镧的神经毒性作用。研究结果显示，镧造成大鼠学习记忆能力下降、神经突触和树突棘数量形态出现异常改变，并导致细胞骨架肌动蛋白聚合程度下降、Tam1、PAR-3和p250GAP蛋白表达、Rac1活性和PAK1、LIMK1和Cofilin磷酸化以及Cortactin、ARP2/3蛋白水平降低，Rac1-PAK信号通路激动剂对较低剂量镧所致神经突触和树突棘损害以及Rac1-PAK信号通路下调具有较好的拮抗作用。研究结果表明镧染毒对大鼠产生神经毒性作用并下调了Rac1-PAK信号通路，镧染毒所致树突棘的数量和形态、突触可塑性以及学习记忆能力改变与Rac1-PAK信号通路下调密切相关，Rac1-PAK信号通路激动剂对较低剂量镧的神经毒性作用具有较好的拮抗作用，Rac1-PAK信号通路下调造成树突棘和突触可塑性受损是镧致神经毒作用的关键机制。本项目为全面阐述镧所致的神经毒作用机制提供新的实验资料，并为早期采取措施有效干预镧乃至稀土元素引起的智力发育落后和认知功能低下提供重要依据。