亲环蛋白D参与调节神经元线粒体分裂/融合的分子机制的研究

Mitochondrial fusion and fission play an important role in maintaining neuronal function. However, the detailed mechanisms controlling mitochondrial fusion and fission are still largely unknown. Cyclophilin D (cypD) is a mitochondrial protein and involves in regulating mitochondrial calcium buffering capacity and reactive oxygen species production. Our priliminary data showed significant changes in the distribution of axonal mitochondrial length in cypD deficient hippocampal neurons. Furthermore, we found that cypD deficient mice demonstrated increased expression levels of mitochondrial fusion proteins. We thusly formed a hypothesis that cypD involves in neuronal mitochondrial fusion and fission regulation. To address the concept, we will employ cypD knockout, cypD overexpressing and non-transgenic mice. We will collect data from neuron at resting state or at stimulated state. Firstly, we will study the impact of cypD on axonal mitochondrial morphology; next we will study the relationship of mitochondrial morphology and function; finally we will determine the detailed mechanisms underlying the effect of cypD on mitochondrial fusion and fission. The findings of this study will have positive impacts on elucidating the physiological function of cypD in controlling mitochondrial fusion and fission; besides, the results will help to understand the mechanisms of neuronal mitochondrial changes in their morphology and functin to meet the requirement of neuronal function.

线粒体分裂及融合在维持神经元功能中起到重要作用，但是调控线粒体分裂/融合的机制目前尚未阐明。亲环蛋白D(cypD)是一种线粒体蛋白，参与调节线粒体钙吸收能力和氧自由基产生。我们前期实验发现cypD缺失的海马神经元轴突线粒体长度分布出现异常，并且cypD敲除小鼠脑内线粒体融合蛋白表达量显著升高。因此我们推测cypD参与调控神经元分裂/融合。为明确cypD在神经元线粒体分裂/融合中的调控作用，我们采用cypD基因改造动物构建cypD敲除或cypD高表达模型。我们首先从体内及体外研究在神经元静息状态及激活状态下，cypD对神经元线粒体形态的影响，进一步观察线粒体形态改变与线粒体功能的关系，最终研究cypD参与调控神经元线粒体分裂/融合的分子机制。本研究将对阐明cypD在调控神经元线粒体分裂/融合中的生理作用以及线粒体通过调节其形态和功能以适应神经元功能活性状态的机制提供实验及理论基础。

线粒体是真核细胞中维持细胞功能的重要细胞器。近年来随着细胞生物学的发展，线粒体动态变化即线粒体通过分裂融合来改变其自身形态的现象及其生物学意义被得到越来越多的重视。亲环蛋白D是目前唯一确定的线粒体膜通透性复合孔开放的重要调节因子。基于线粒体膜通透性复合孔开放对线粒体功能的影响以及线粒体功能与线粒体动态变化的密切相关性，我们提出了亲环蛋白D及其介导的线粒体膜通透性复合孔开放影响神经元线粒体动态变化的假说。同时，线粒体动态变化在维持神经元尤其是其突触功能上发挥关键作用。我们因此进一步研究了亲环蛋白D及其介导的线粒体膜通透性复合孔在对神经元突触，尤其是形成后突触的树突棘可塑性及重构的影响。我们在本课题中利用亲环蛋白D基因改造小鼠及其对照野生型小鼠，通过生物化学、分子生物学及实时荧光记录等方法进行了研究。我们的结果提示生理性亲环蛋白D及其介导的线粒体膜通透性复合孔开放对调节控制神经元活动相关的线粒体动态变化及树突棘发育起到重要作用。值得一提的，之前研究主要集中在亲环蛋白D及其介导的线粒体膜通透性复合孔开放的病理作用上，而我们本研究首次提出了亲环蛋白D及其介导的线粒体膜通透性复合孔开放在神经生理中的作用，并揭示了一个全新的树突棘发育及重构的调控机制。此外，线粒体膜通透性复合孔形成的分子结构基础一直是一个重要的科学问题。为进一步阐明线粒体膜通透性复合孔在神经生理中的作用，我们进一步探索了神经元线粒体膜通透性复合孔的结构基础。我们研究发现亲环蛋白D与线粒体F1FO ATP 合成酶OSCP亚基的相互作用，破坏F1FO符合物的稳定性，是神经元中线粒体膜通透性复合孔形成的重要分子机制。目前基于我们的研究结果本项目在SCI收录期刊发表研究论文全文4篇，其中包括一篇研究论文全文发表在重要学术期刊Nature Communications。此外，我们还有一篇文章接受待发表，两篇相关文章已投出，目前在审稿阶段。