EAAT3/Glu/Tau磷酸化在七氟烷致发育期海马神经元树突棘可塑性改变中的作用机制

The safety of anesthesia on brain development is one of the focuses of the medical community. It implied that exposure to surgery/anesthesia for a long duration during early development was an independent risk factor for adolescent learning disability by several clinical studies. Sevoflurane is a widely used volatile anesthetic for pediatric anesthesia. In our preliminary work, it was found that exposure to 2% sevoflurane for 3 hours could trigger the changes of morphological plasticity of dendritic spines in immature mouse hippocampus, accompanying with long-term cognitive dysfunction. We also found that sevoflurane could inhibit the transcription, expression and transporting glutamate(Glu) function of excitatory amino acid transporter3 (EAAT3), which induced the imbalance of extracellular Glu concentration and increase of spine Tau phosphorylation level. According to the different level of EAAT3 expression during different developmental stages and the role of Tau phosphorylation in spine plasticity, we hypothesize that regulating EAAT3/Glu/Tau phosphorylation pathway is a crucial mechanism of sevoflurane-induced changes of morphological plasticity of dendritic spines. Therefore, we apply for this project and attempt to explore the role and signal transduction mechanism of EAAT3/Glu/Tau phosphorylation pathway in sevoflurane-induced dysplasia of dendritic spine at gene-cell-animal level, using molecular biology technologies. Also, the question why immature brain is more sensitive to anesthesia-induced neurotoxicity will be answered in molecular level. Results from our study will provide new clues to prevent and treat the injury induced by anesthetics in developing brains.

麻醉药物对脑发育的安全性是医学界关注的焦点之一。临床研究提示婴幼儿接受较长时间手术麻醉是其青少年期学习障碍的独立危险因素。七氟烷是小儿麻醉常用的吸入性全身麻醉药物，我们前期工作显示幼鼠吸入2%七氟烷3h可致海马神经元树突棘形态可塑性发生改变和成年后认知受损。我们同时发现七氟烷可抑制海马神经元兴奋性氨基酸转运体3(EAAT3)的转录、表达及转运谷氨酸(Glu)功能，导致细胞外Glu浓度失衡及树突棘Tau蛋白磷酸化水平增高。结合EAAT3表达量在发育期的阶段性变化和磷酸化Tau对树突棘形态可塑性的作用，我们推测对EAAT3/Glu/Tau磷酸化的调控是七氟烷改变树突棘可塑性的重要机制。本项目拟利用分子生物学技术，从基因-细胞-整体动物水平阐明EAAT3/Glu/Tau磷酸化在七氟烷干扰树突棘发育中的信号转导机制及未成熟脑对麻醉药物易感的分子基础，从而为防治麻醉药物导致的发育期脑损伤提供新思路。

临床研究提示婴幼儿接受较长时间手术麻醉是其青少年期学习障碍的独立危险因素。七氟烷是小儿麻醉常用的吸入性全身麻醉药物，我们发现七氟烷改变了树突棘形态的可塑性，继而导致神经系统发育毒性，EAAT3 /Glu/Tau磷酸化的调控在此进程中起着重要作用。树突棘是神经元之间发生联系的枢纽，细长型树突棘具有更强的可塑性，其可塑性异常将诱发突触形成障碍继而导致日后神经发育毒性。我们发现七氟烷可致海马神经元细长型树突棘比例减少，蘑菇型树突棘比例增加。七氟烷增强了树突棘Tau磷酸化信号，且Tau磷酸化阳性树突棘以蘑菇型树突棘居多。同时七氟烷增加了细胞外Glu浓度，抑制了海马神经元EAAT3的转录、表达和转运功能。研究表明，七氟烷通过抑制EAAT3的转录、表达以及转运Glu功能，增加了细胞外液Glu浓度以及树突棘Tau磷酸化信号，最终导致树突棘形态比例异常。最后，EAAT3的过表达以及抑制细胞外液Glu浓度、Tau基因的敲除或抑制都可以回救七氟烷导致的树突棘形态比例改变。此外，研究发现，IGF-1/PI3K-Akt-mTOR 是七氟烷调控 EAAT3 表达的上游机制。外源性IGF-1不仅可以回救七氟烷引起的PI3K-Akt-mTOR信号通路磷酸化水平降低，同时可回救七氟烷诱导的EAAT3蛋白表达水平降低并部分回救七氟烷引起的海马神经元细胞外Glu浓度升高，最后回救七氟烷诱导的树突棘可塑性改变。此外，我们从整体动物水平验证了七氟烷麻醉致树突棘发育异常继而造成神经系统发育毒性中的重要调控和信号转导机制。这些发现确定了EAAT3 /Glu/Tau磷酸化的调控在七氟烷改变树突棘可塑性的重要机制，并阐明了七氟烷调控 EAAT3 表达的上游分子机制。此外，我们在深入研究七氟烷引起神经发育毒性的潜在分子机制中发现，Dusp4参与七氟烷诱导的非人灵长类动物神经分化的抑制和神经分化的调节，这提示七氟烷对脑发育的影响在灵长类和啮齿类中具有不同的机制，以及发现了Nova2是未成熟神经系统对七氟烷易感的重要分子基础。这些发现为防治麻醉药物对脑发育的负面影响找到有效靶点，对提高麻醉实施中婴幼儿发育的安全性具有重要意义和良好的应用前景。