国家自然基金标书- 抑郁症和阿尔茨海默病的神经发育基础研究

1、项目名称：抑郁症和阿尔茨海默病的神经发育基础研究首席科学家：毕国强 中国科学技术大学起止年限：2009.1至2013.8依托部门：中国科学院一、研究内容拟解决的关键科学问题：基因组蓝图和外界环境因素共同决定着神经网络的结构和功能及其可塑性修饰，最终通过神经网络中高度协调的神经活动实现脑高级功能，如记忆、情绪等。这一复杂而精细的过程，经过突触联结的形成、可塑性修饰、衰老等环节，在一生中持续发育演化。早期发育的异常可能与抑郁症的发生有关，而晚期持续发育的异常则可能导致AD。神经发育的这些环节的关键分子细胞机理及其在神经网络和整体行为层次的表现，是本项目要研究的关键科学问题。在此基础上，我们将探索记忆、情绪等脑高级功能的神经发育机制以及抑郁症和AD的神经发育基础和可能的小分子调控途径。主要研究内容：(1) 利用几千种果蝇突变体，筛选与神经发育和衰老密切相关的基因和验证学习记忆的损伤模型。(2) 结合遗传学、电生理、行为学等方法研究神经发育和衰老的细胞分子机制，重点研究胰岛素信号通路在A诱导的AD病理进程中的细胞分子和行为药理规律。(3) 建立多种果蝇模型，进行小分子化合物作用靶点的分析。并进

2、一步研究相关基因在哺乳动物模型中的作用和小分子化合物调控途径。（4）利用人类原代培养神经元为实验模型，研究雌激素和雄激素对Hsp70的调节方式，并进一步探讨Hsp70对胞内A毒性抑制作用的分子机制及通路。此研究的结果有利于对Hsp70细胞保护机制的探索，并为寻找早期AD的发病机制及可能的预防措施提供新的依据。(5) 建立神经网络的结构和功能动态发育的离体实验系统，利用分子生物学、电生理、光学影像等方法，研究神经网络回响活动的动态性质，并分析其形成与演化中可塑性修饰及其稳态调控的细胞分子机制。(6) 利用电生理、药理学、行为学方法，研究CXZ-123、镁离子等小分子化合物对突触传导、可塑性修饰以及网络功能的影响。(7) 建立神经网络和行为学模型，检测若干小分子化合物对突触联结形成、神经网络动态演化的影响，从而分析其对抗抑郁症或AD的作用机理。(8) 利用分子生物学、电生理、光学影像等方法，研究神经发育可塑性关键期，阐明其细胞分子机制，并研究“再年轻化”干预对神经发育关键期的影响及相关调控途径。(9) 利用电生理、光学影像、理论分析等方法，研究镁离子等“再年轻化”因子对突触密度和可塑性的调

3、节机制，并探索突触密度调节的对神经网络功能和计算特性的影响，为神经网络的再年轻化调节提供理论基础。二、预期目标项目总体目标：本项目旨在细胞、网络、整体三个层次对神经发育与可塑性的机制以及抑郁症与AD的发生机制和小分子干预途径进行深入的探讨。长远目标是在神经发育与可塑性以及抑郁症、AD等重大疾病的生物学机理研究中取得突破性进展，并为将来发现具有自主知识产权的新药提供科学基础。通过本项目的实施，也将在我国形成一支高度互补、密切合作的高水平创新学术团队，并通过合作研究强化自己的优势与特色，在神经发育领域占据国际领先地位，同时在研究中培养具有相当国际竞争力的多学科青年研究人才。项目五年预期目标：1、在分子细胞层次，确定PKA、磷酸酶、Nogo等信号通路在发育可塑性及其关键期中的作用与信号转导机理；进一步揭示神经活动诱发的突触结构与功能可塑性及其稳态调控的规律与分子信号机制，以及“再年轻化”因子和其它相关小分子化合物对可塑性的调节作用与机制；阐明发育中神经细胞坏死过程的基因调控信息传导机理，建立一个针对抑制性中间神经元的细胞胁迫（stress）模型和一个不同于C16的细胞坏死模型（转基因果蝇UA

4、S-Glutd2Lurcher）。以期有利于对Hsp70细胞保护机制的探索，并为寻找治疗早期AD的药物靶点及可能的预防措施提供新的依据。2、在网络层次，建立功能性神经网络动态发育研究的离体实验系统，以阐明神经网络回响活动的时空动态性质，并验证突触可塑性修饰及其稳态调控在网络回响活动形成与演化中的作用；揭示不同突触密度下网络的计算特性，并检测“再年轻化”因子等若干小分子化合物对神经网络动态演化的影响。3、在整体层次，构建研究发育可塑性关键期的神经系统异常发育动物模型，以检测镁离子等 “再年轻化”化合物对神经发育的作用；用行为学方法检测啮齿动物（大鼠、小鼠等）的空间记忆能力及偏爱探寻新目标的本能特征，以验证 “再年轻化” 化合物分子对动物认知水平影响。4、在疾病机理与小分子化合物作用检测方面，找到数个（5-6）能导致AD疾病的基因，构建与完善细胞坏死和AD相关的果蝇疾病模型，并以此为平台对中药分离馏分样品及单体的作用进行检测，确定若干针对果蝇细胞坏死与A神经毒性有干预效果的化合物的作用靶点；阐明抗抑郁症CXZ-123小分子化合物等与单胺类神经递质、应激、海马神经可塑性的关系，确定其抗抑郁症

5、的潜在的新机理。5、量化考核指标：以通讯作者在国际神经科学重要学术期刊（IF5）发表论文20-30篇，在国际一流学术期刊（IF10）发表论文5-10篇，国内和国际(PCT)专利受理或授权4-6项。6、人才培养：培养博士30-50名，中科院“百人计划”、国家杰出青年基金获得者等高级研究人才1-2名。三、研究方案实现项目五年预期目标的总体研究思路和技术路线、可行性及创新点：神经系统的发育是一个由基因与环境因素共同驱动的、持续终生的过程。基因与环境因素在根本上必须通过神经细胞间与细胞内的分子信号系统来起作用，这些作用在网络水平上可以表现为特定结构与功能的形成与演化，而网络结构与功能的异常则可导致系统水平上相关神经、精神疾病的发生。因此，在细胞、网络和整体三个层次上探索神经网络结构与功能发育和相关疾病的基本规律与机理，可以起到相辅相成的效果。与国内外同类研究相比，项目组成员拥有独特的技术优势和科研积累，例如已建成大规模果蝇学习记忆行为检测平台及几千种果蝇基因突变体；已建成几十种类型的抑郁症动物模型；已经建立了新颖的神经网络的电生理与光学综合记录和分析方法；已经建立了神经发育中起关键作用的基因敲

6、除与基因干扰技术等等。同时，中医药遗产为我们提供了研究神经发育和相关疾病的独特资源。项目组成员在前期工作中，通过与相关合作单位长期密切的科研合作，取得了重大突破。例如利用独特的转基因果蝇AD模型，已经从上千种中药和天然药物有效成分中筛选出多种具有显著效果的前体化合物；利用鼠类抑郁症模型对数十种传统中药材进行了大量的筛选，已经发现10多种小分子化合物具有抗抑郁症的功效。这些小分子化合物很可能直接或间接作用于神经细胞分子信号系统，进而影响网络与系统的功能发育。利用这些新药并对其作用靶点和对网络发育演化影响的综合分析，有望在神经发育和相关疾病的机理研究中取得重大突破。因此，我们拟从“遗传机制、环境影响与小分子干预”三方面切入，结合分子细胞生物学、遗传学、药理学、电生理学、光学影像学、动物行为学、心理物理学等多学科方法，并利用中医药宝库的独特资源，在细胞、网络和整体三个层次上深入地研究神经网络结构与功能发育和相关疾病的基本规律与机理。基于项目组成员在相关前沿领域的创新优势和已取得的成果，本项目目标明确、技术途径新颖并切实可行。课题设置：为了系统研究神经发育中遗传与环境因素的交互作用机制和相关疾

7、病、特别是抑郁症和AD的生物学机理，我们设置了 (1) 神经网络结构发育的分子信号机制；(2) 神经网络功能发育的可塑性机制；(3) 神经网络的老化与再年轻化调节等三个课题，涵盖了上述不同的层次与阶段。其中课题一侧重于研究分子遗传因素在神经发育中的作用，并利用转基因果蝇模型研究老年痴呆症等退行性疾病的发生及小分子药物干预的机理。课题二侧重于研究受环境因素影响的神经可塑性及其在神经网络功能发育中的作用，并以海马可塑性为基础，研究抑郁症等精神疾病的发生及小分子药物干预的机理。课题三通过研究神经可塑性本身随发育与老化而下降的调控机制，探索小分子干预如何使神经网络“再年轻化”。每个课题组设包括课题组长在内的两、三位研究专长互补的主要学术带头人。三个课题的研究内容相互关联，技术途径高度互补。因此，课题组之间将形成密切合作关系。课题一：神经网络结构发育的分子信号机制课题负责人：刘磊主要承担单位：北京大学联合清华大学占用经费比例：41%研究目标：总体目标是利用果蝇衰老和细胞坏死模型进行基因和小分子化合物的检测。并利用果蝇遗传学和生物信息学等手段，对基因功能或小分子化合物作用机理进行深入研究。 并对A

8、b引起的衰老机制和Hsp70的作用进行深入研究。具体目标是：1）、在检测对果蝇A神经毒性有干预作用的小分子基础上发现参与A神经毒性的重要靶点，为药物开发提供一条新的研究途径。力争检测出5到6个与AD疾病的发病机制相关的新基因。深入探讨胰岛素信号通路在A诱导的AD病理进程中的作用机理，为AD疾病治疗提供有价值的理论依据。2）、在果蝇中构建新的细胞坏死模型。我们将通过使用谷氨酸受体1“Lurcher”突变通道(GluR1Lc)产生另一种坏死模型。我们希望它能够和C16转基因果蝇达到相同的效果。这个新的模型能够帮助分辨与C16产生特异性作用的基因或C16激活的参与细胞坏死的基因。3）、通过已有的生物信息学的工具对基因微阵列的信息进行鉴定检测小分子化合物。检测阻断坏死的小分子化合物。我们希望能够找到一些新的抑制细胞坏死的小分子化合物。4）、在培养的人类原代神经元上，发现Hsp70对胞内Ab毒性的抑制作用的机制。主要研究内容：1、利用几千种果蝇突变体，筛选与神经发育和衰老密切相关的基因和验证学习记忆损伤模型。进一步研究行为学干预的机制和小分子化学物质的调控途径。2、结合遗传学、电生理、行为学等方

9、法研究神经发育和衰老的细胞分子机制，重点研究胰岛素信号通路在A诱导的AD病理进程中的细胞分子和行为药理规律。 3、小分子化学物质及其作用靶点分析。通过高通量的基因和药物分析平台，利用果蝇A42转基因模型为基础进行药物作用检测。在此基础上，通过有效组分分析、结构分析等手段，结合化学基因组学知识，预测小分子化合物可能作用的靶点基因或者相关的信号通路。4、利用人类原代培养神经元为实验模型，研究雌激素和雄激素对Hsp70的调节机理，揭示Hsp70对胞内A毒性抑制作用的分子机制及通路。为寻找治疗早期AD的药物靶点及可能的预防措施提供新的依据。5、通过已经完成的和正在建立的果蝇细胞坏死模型, 筛选参与细胞坏死的基因组。利用细胞生物学、遗传学和生物化学等手段, 分析基因间作用关系。 6、研究细胞坏死与凋亡可能存在的制约性关系。初步建立细胞坏死与凋亡的分子调控机制。7、研究小分子化合物抑制细胞坏死的功能。并进一步鉴定这些小分子化合物在哺乳动物疾病模型中的有效性。课题二：神经网络功能发育中的可塑性机制课题组长：毕国强主要承担单位：中国科学技术大学联合中科院昆明动物所占用经费比例：39%研究目标：总体目标是通过离体、在体及行为学模型，阐明神经网络功能发育的可塑性修饰规律与机理，并利用反向药理学的概念，确定小分子化合物对抑郁症等病的防治作用，进而探讨该病在神经发育过程中的生物学机制。具体目标是：1）、阐明网络回响的动态性质与时空模式，发现网络回响形成与演化中突触可塑性规律与分子细胞机理。通过结合电生理记录、光学成像等方法，将可以分析神经网络活动的动态性质，及其演化过程中突触形成与可塑性修饰的规律，特别是神经活动对此过程的影响。进一步，结合光子学与药理学方法，可以分析突触形态与功能修饰中关键分子信号的作用，从而阐明突触可塑性及可塑性的稳态调控的分子机制。2）、利用选择性基因敲除小鼠，并结合电生理的方法，确定蛋白突变引起的神经元形态和突触传递功能以及整体行为的改变，进而初步阐明PP2A等信号通路在

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