Drp1在BDNF诱导线粒体动态平衡变化中的作用

线粒体作为细胞中重要的细胞器，在神经元能量代谢、Ca2+浓度调节等生理活动中发挥着至关重要的作用。近期研究表明线粒体的动态平衡的变化-即线粒体分裂、融合和运动，影响着线粒体功能。BDNF作为脑中含量最丰富的神经营养因子在神经元活动中发挥重要的作用，而BDNF与线粒体动态平衡二者之间的关系并未见报道。本研究课题将利用细胞模型，阐明BDNF如何影响神经系统中线粒体的动态平衡-即线粒体的形态、分布和运动，进而通过分子生物学、生物化学等方法分析BDNF如何通过其下游信号通路调控线粒体分裂和融合蛋白，从而影响线粒体动态平衡的机制，以及线粒体动态平衡对BDNF诱导的神经元功能的作用。我们还将利用BDNF KO+/-小鼠，验证体外细胞实验的结果,明确生理状况下BDNF对线粒体动态平衡的影响。此项研究将加深我们对BDNF在神经系统中作用的认识，同时进一步阐明了线粒体动态平衡变化的机理。

线粒体作为重要的细胞器，参与细胞内ATP生成，钙离子浓度的维持以及细胞凋亡等过程。在神经元中，线粒体在突触部位的定位，对于调控突触前的递质释放，突触后的离子转运以及树突棘的形成都有重要的意义。BDNF是脑中含量最为丰富的神经营养因子，在调节神经元的生长、分化、突触可塑性等方面发挥重要作用。而BDNF能否调控线粒体的运动和分布鲜有报道。本课题首先发现BDNF可特异性地阻止线粒体运动。机制研究表明BDNF通过调控细胞内钙离子释放和胞外钙离子内流引起胞浆钙离子浓度升高，从而抑制线粒体的运动。此过程中线粒体的外膜蛋白Miro1作为钙离子感受器，通过与钙离子的结合，诱导线粒体和马达蛋白KIF5复合物从微管脱离，从而导致线粒体停止运动。BDNF诱导的钙离子浓度升高在轴突末端表现的更为明显，更多的线粒体聚集在突触前，有利于BDNF促进神经递质释放。本部分的研究加深了我们对BDNF调控突触可塑性的认识。.除线粒体在神经元内分布，线粒体动态平衡对于线粒体和神经元的功能也至关重要。线粒体动态平衡异常是多种神经退行性疾病-如AD-重要的病理特征。以往研究表明，线粒体过度分裂会影响神经元的突触形成及存活，是导致AD发病的重要因素。然而，AD中神经元线粒体过度分裂机制的研究较少，而特异性的保护线粒体动态平衡能否对AD起到治疗作用也不清楚。本课题还发现调控线粒体分裂的蛋白Drp1可以被AD中活性异常升高GSK3β磷酸化，导致神经元内线粒体过度分裂。进一步的分子机制研究发现Drp1上两个为报道的磷酸化位点-第40位和44位的丝氨酸可被GSK3β磷酸化，导致其GTPase活性升高，更多Drp1聚集在线粒体，促进线粒体分裂。GSK3β诱导的线粒体的过度分裂导致神经元对Aβ更为敏感-更易于凋亡。而采用特异性的Drp1肽段（TAT-Drp1-SpS）可以有效的特异性阻止GSK3β对Drp1的磷酸化及线粒体过度分裂。在AD模型小鼠海马脑区注射TAT-Drp1-SpS，其中的线粒体形态得到明显的恢复，并且在水迷宫等测试中，AD小鼠的学习记忆能力也得到了显著的改善。此项研究从分子水平揭示了AD神经元中线粒体过度分裂的机制，同时体内研究证实改善线粒体动态平衡可作为治疗AD的重要靶点。