β-羟基丁酸通过其受体HCAR偶联的Gi蛋白信号通路发挥抗癫痫作用的机制研究

The ketogenic diet (KD) is a high-fat, low-carbohydrate diet and adequate protein diet. The efficacy of the ketogenic diet is better in intractable epilepsy. But its antiepileptic mechanism is not clear. Hydroxycarboxylic acid receptor (HCAR) is the receptor of β-hydroxybutyrate (BHB) coupled with Gi protein downstream. Studies have shown that Gi protein signaling pathway plays an important role in regulating the balance between brain excitatory and inhibitory. But HCAR-Gi protein signaling pathways in terms of antiepileptic are not studied in depth. Our previous study found that the level of the activation of Gi protein was elevated via HCAR in the epileptic rats treated with KD. Thus we propose the receptor hypothesis: BHB may activate Gi protein-coupled signaling pathways through HCAR. On the one hand Gβγ inhibits Ca2+ influx and promotes K+ influx resulting in cell hyperpolarization and less neurotransmitter release; on the other hand Gαi inhibits cAMP/PKA/CREB signaling pathway, and then inhibits gene expression to promote neuronal hyperexcitability. So BHB may have the antiepileptic effect. This research project intends to reveal the antiepileptic mechanism of HCA-Gi protein signal pathway by molecular biology and neural electrophysiological methods. This research project may provide a basis for the discovery of new drug targets.

生酮饮食(KD)是一种高脂、低碳水化合物和适当蛋白质的饮食，对部分难治性癫痫疗效显著，但其抗癫痫作用机理尚不明确。β-羟基丁酸(BHB)是KD的主要代谢产物，其受体为羟基羧酸(HCAR)，该受体下游偶联Gi蛋白。Gi蛋白信号通路在调节脑内兴奋性和抑制性平衡方面发挥重要作用。我们前期研究发现给予KD的癫痫大鼠脑组织中HCAR和活化的Gi蛋白含量增加，据此推论BHB可能通过HCAR激活偶联的Gi蛋白信号通路，一方面抑制Ca2+内流，促进K+内流，加剧细胞超极化；另一方面抑制cAMP/PKA/CREB信号通路，抑制促使神经元过度兴奋的基因表达，从而实现抗癫痫的作用。然而对“HCAR-Gi蛋白”通路的抗癫痫机制研究尚不清楚。本课题拟通过分子生物学和神经电生理等方法，在大体、细胞和分子等层面探索“HCAR-Gi蛋白”信号通路的抗癫痫作用机制，完善KD治疗癫痫的理论，有望为治疗癫痫提供新的药物靶点。

生酮饮食(KD)是一种高脂、低碳水化合物和适当蛋白质的饮食，对部分难治性癫痫疗效显著，但其抗癫痫作用机理尚不明确。β-羟基丁酸(BHB)是KD的主要代谢产物，而HCAR1为羟基羧酸受体(HCAR)，这提示HCAR1在调节脑内兴奋性和抑制性平衡方面发挥重要作用。结合相关研究现状，我们通过分子生物学和神经电生理等方法，在大体、细胞和分子等层面展开深入研究以阐明HCAR1在癫痫发病机制和生酮饮食治疗中发挥的作用。本项目的研究内容主要有以下几个方面：1.首次发现β-羟基丁酸受体HCAR1（HCA1）在神经元中表达，并在癫痫发病过程中的表达水平逐渐降低。2. 发现β-羟基丁酸能够改变神经元基因表达谱，主要影响炎症反应和蛋白乙酰化。3.基本确定β-羟基丁酸通过miR-146a和HIF-1α调控炎症反应，而抑制HIF-1α则能能降低炎症（IL-1β、IL-6、）和凋亡相关分子的表达水平，从而减少神经元死亡。4.初步阐明在癫痫小鼠模型中， GAD65/67和组蛋白H3/4的乙酰化的变化存在相关性，而且发现这一变化与HDAC的变化有关；表明β-羟基丁酸通过影响蛋白乙酰化水平调控基因表达变化的机制。以往的研究关注于生酮饮食代谢产物（β-羟基丁酸和乙酰乙酸）直接进入线粒体参与能量代谢的抗癫痫假说。与这一假说不同，我们的研究证实生酮饮食代谢产物β-羟基丁酸还可能通过其受体发挥调节脑组织兴奋性和抑制性平衡的作用。生酮饮食的调节作用不是单一途径的，可以通过影响miRNA的表达或组蛋白的修饰等多途径广泛影响下游基因的功能。该项目的研究发现有助于阐明HCAR1在癫痫发病机制中的作用，明确生酮饮食抗癫痫作用机制，完善KD治疗癫痫的理论，有望成为治疗癫痫的新的药物靶点。