新自噬基因Epg5在神经退行性疾病中的作用研究

Autophagy is a lysosome-mediated degradation system involving the enclosure of cytosolic components in a double-membrane autophagosome and their subsequent delivery to the vacuole/lysosome for degradation. Genetic screens in C.elegans have identified epg-5 as an essential autophagy gene that is conserved in mammals but absent in yeast. The physiological function of mEPG5 in the autophagy pathway, however, remains largely unknown. We generated Epg5 knockout mouse to study its function in mammals. The Epg5-/- mice suffered motor neuron loss, muscle denervation, myofiber atrophy, late-onset progressive hindquarter paralysis, and dramatically reduced survival, recapitulating key features of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). A recent study shows that recessive EPG5 mutations have a causative role in Vici syndrome. These results suggest that Epg5 has an important role in both physiological and pathological processes. Our recent study found that in Epg5-/- mice, the photoreceptor cell layer of the retina was thinner or even missing, and p62 aggregates dramatically accumulated in the inner nuclear layer and ganglion cell layer, indicating the functional importance of Epg5 in the homeostasis of retina. Meanwhile, we observed obvious developmental disorder in medulla oblongata, midbrain and corpus callosum in Epg5-/- mice. To investigate the physiological function of Epg5 gene, we plan to study the mechanism of the effect of Epg5 deficiency on the development of the retina and different brain regions by using the research techniques of autophagy and molecular neurobiology in combination with visual electrophysiology, behavioristics and electron microscope. To study the relationship of Epg5 with human disease, we plan to collect genomic DNA samples from ALS patients to investigate the association of Epg5 with the incidence of this disease.

自噬是真核细胞中一种由溶酶体介导的降解系统，细胞通过形成一种称为自噬小体的双层膜结构，包裹一部分底物并运送到液泡或溶酶体中进行降解。epg-5基因是张宏实验室从秀丽线虫的遗传筛选中得到的一个新的自噬基因，为了研究其在哺乳动物中的生理功能，我们构建了Epg5基因敲除小鼠，该小鼠出现了年龄相关的进行性瘫痪的表型，其关键特点与人类肌萎缩脊髓侧索硬化症（ALS）类似。近期的研究发现，Epg5基因敲除小鼠的视网膜结构不完整，缺少感光细胞层，内核层和神经节细胞层有大量的p62累积；Epg5基因敲除小鼠延髓、中脑和胼胝体发育障碍。为了进一步研究Epg5基因的生理功能及其与人类疾病之间的关系，在本项目中，我们以各年龄段的Epg5基因敲除小鼠为模型，拟利用细胞自噬的研究方法和分子神经生物学的技术，结合视觉电生理技术、行为学检测、电子显微镜技术和临床ALS病人基因组DNA样本等，来探讨Epg5基因的生理功能。

自噬是真核细胞中一种由溶酶体介导的降解系统，细胞通过形成一个称为自噬体（autophagosome）的双层膜结构，包裹一部分底物运送到液泡或溶酶体进行降解。诱导自噬作为一种细胞存活机制，可以通过降解一部分细胞质组分来适应各种外界压力；基础自噬作为一种细胞质量控制体系，能够选择性地清除错误折叠蛋白、易聚集的蛋白和损伤或不必要的细胞器。自噬的功能发生紊乱，与各种哺乳动物的疾病相关，比如肿瘤和神经退行性疾病等。.epg-5基因是张宏实验室前期从秀丽线虫的遗传筛选中得到的一个新的、多细胞动物保守的自噬相关基因。epg-5在自噬通路的下游发挥作用，但是其生理功能是未知的。于是我们建立了Epg5基因敲除小鼠，来进一步研究该基因的生理功能。前期的研究表明，该小鼠出现了年龄相关的进行性瘫痪的表型，具体表现为：从3月龄开始，双后肢开始出现不正常的“握拳”现象，随着年龄的增长，双后肢变得越来越僵硬，到10月龄左右，小鼠双后肢完全僵硬瘫痪；组织学检查发现，该小鼠大脑皮层第五层的大椎体细胞、海马锥体细胞和脊髓前角的运动神经元出现了选择性地受损。病理学检查发现，Epg5基因敲除小鼠后腿肌肉出现去神经支配、肌纤维萎缩、进行性晚发性的后腿瘫痪，这些特点与人类肌萎缩脊髓侧索硬化症的症状有许多类似之处。.本研究对Epg5基因敲除小鼠的生理功能做了进一步的研究，发现Epg5基因敲除小鼠随着年龄的增加，视觉功能明显受损，出现了选择性地视网膜感光细胞层的缺失，这与神经退行性疾病视网膜色素样变性的表型很相似。进一步的研究发现，Epg5基因敲除小鼠视网膜细胞中自噬活性被抑制，引起内源性自噬底物SQSTM1/P62和泛素的清除障碍，在细胞内大量聚集。Epg5基因的功能缺失能够诱发内质网应激，进而激发内质网未折叠蛋白反应（UPR），显著上调CHOP分子的表达，以及Caspase3的活性，最终导致视网膜感光细胞发生凋亡。