线粒体超氧炫在镉暴露致神经细胞线粒体过度分裂中的作用及机制研究

Mitochondrial superoxide flashes (SF) exhibit the bursts of superoxide generation in live cells and tissues,which stands for a mitochondrial redox signal . Our previous data indicated that cadmium (Cd) exposure induced a dramatic increase of mitochondrial fragmentation and mitochondrial dysfunction. Meanwhile, mitochondrial-targeted antioxidant efficiently reversed mitochondrial fission and damage. However, it is largely elusive how the Cd exposure triggered the mitochondrial oxidative stress, how to “catch” this kind of mitochondrial oxidative stress, how the mitochondrial oxidative stress lead to excessive mitochondrial fission, whether the inhibition of mitochondrial oxidative stress attenuated the mitochondrial damage by promoting mitochondrial fusion. Based on the outstanding advantages of SF, we are planning to study the effects of Cd on mitochondrial redox signal by monitoring SF properties (including frequency, amplitude, time to peak and time of decay) in the nerve cells of mt-cPYFP Tg mice. Moreover, we will manipulate the genesis of SF to determine the causal relationship of SF with mitochondrial fission and damage in the neurotoxicity of Cd. To further explore the potential mechanism how Cd-induced SF regulates mitochondrial fission, we will detect whether SF affects the functional pathway of Drp1 (a key mediator of mitochondrial fission),including gene expression, mitochondrial translocation and posttranslational modification. All together, our project will provide promising clues for understanding what’s the mechanism underlying the Cadmium’s neurotoxicity and how to protect against it.

新近发现的线粒体超氧炫(SF)是线粒体量子化的超氧阴离子自发性爆发事件，能灵敏地反映线粒体内动态变化的氧信号。我们前期研究表明，镉暴露能引起皮层神经元线粒体过度分裂和功能紊乱，而拮抗线粒体氧化应激能改善镉的神经毒性。然而，镉暴露是如何引起氧化应激的？如何精确捕捉这种氧信号？这种氧信号是如何引起线粒体过度分裂的？调控这种氧信号能否促进线粒体融合，改善镉的神经毒性？目前尚不清楚。本项目以SF转基因小鼠为模型，实时动态监测镉暴露对神经细胞SF爆发频率、幅度、到达峰值及衰落时长的影响，阐明镉暴露对神经细胞线粒体氧信号的作用规律。通过调控SF发生基础，明确SF在镉致神经细胞线粒体过度分裂及功能障碍中的作用。并以线粒体分裂关键调控因子Drp1为切入点，探讨SF对Drp1基因表达、线粒体转位和翻译后修饰的影响，揭示SF介导线粒体过度分裂的分子机制。通过研究，为阐明镉神经毒性的机理和防护提供依据。

中枢神经系统是重金属镉作用的敏感靶器官之一。我们前期研究表明，线粒体过度分裂是镉暴露引起神经细胞损伤的形态功能表型，而且与氧化应激密切相关，但是机制不清。线粒体超氧炫是活体细胞线粒体超氧阴离子自发性爆发事件，超氧炫过度增加被认为是线粒体氧化损伤和功能紊乱的早期信号。为此，本项目立项时旨在研究镉暴露对神经细胞线粒体超氧炫的影响，阐明线粒体超氧炫在镉暴露致神经细胞线粒体过度分裂的作用及分子机制。通过研究我们发现了：（1）镉暴露能显著引起皮层神经元线粒体超氧炫的爆发并且呈频率依赖性增加（frequency-dependent），而与超氧炫爆发的幅度（△F /F0）、到达峰值时长（Tp）及衰落时长（T50）关系不大，阐明了镉暴露对神经元线粒体氧信号的作用规律；（2） 通过线粒体靶向性抗氧化、调控线粒体呼吸和mPTP通道开放等多种途径抑制线粒体超氧炫的爆发，区分线粒体源性和非线粒体源性的氧化应激作用，明确了非线粒体源性氧化应激是介导镉暴露致神经元线粒体过度分裂的重要原因；（3）研究了镉暴露对线粒体分裂调控蛋白Drp1基因表达、转位及磷酸化等多个环节的影响，揭示了非线粒体源性的氧化应激是通过促进Drp1的线粒体转位介导神经元线粒体过度分裂的分子机制；（4）基于线粒体钙信号和氧信号的交互关系，运用MCU转基因敲除小鼠拓展研究了钙信号在镉暴露致神经元线粒过度分裂中的作用，阐明了胞浆钙而不是线粒体钙是介导神经元线粒体过度分裂的新机制；（5）对比镉神经毒性与心肌肥厚损伤模型，探讨了线粒体超氧炫能否引起线粒体过度分裂与病理损伤中线粒体超氧炫爆发的时间、空间和频率有关。基于以上发现，本项目明确了镉暴露对神经细胞线粒体氧信号的作用特点，阐明了非线粒体源性的氧化应激在镉暴露致神经细胞线粒体过度分裂的作用及分子机制，系统揭示了钙信号和氧信号在镉线粒体毒性中的作用机制，为揭示镉暴露致神经系统损伤机理和探讨防治措施提供新的依据。