鄒超杰,唐義凱,杜書文,程宇琪
(1)昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院精神科,云南 昆明 650032;2)清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,清華大學(xué)麥戈文腦研究院,北京 100084)
認(rèn)知障礙(包括記憶損傷)是精神疾病患者臨床表型中的核心癥狀,但是其病理機(jī)理至今尚未完全闡明。約85%的精神分裂癥患者伴隨著認(rèn)知缺陷,包括學(xué)習(xí)能力[1]、工作記憶[2]、短時(shí)程記憶[3]缺陷,社交能力降低[4],恐懼、焦慮,選擇性注意力等方面[5]?,F(xiàn)階段的研究認(rèn)為海馬、前額葉皮層等腦區(qū)和認(rèn)知功能的實(shí)現(xiàn)緊密相關(guān),精神疾病患者的海馬存在一定程度的異常,如精神分裂癥[6]和阿爾滋海默癥(Alzheimer;AD)[7]患者海馬的體積萎縮在全腦形態(tài)變化中尤其顯著。大腦海馬體積偏小的雙胞胎在經(jīng)歷創(chuàng)傷后,其患有創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(post-traumatic stress disorder,PTSD)的概率會大大增加[8]。精神分裂癥患者呈現(xiàn)工作記憶時(shí),其海馬和背側(cè)前額葉皮層(dorsolateral prefrontal cortex;DLPFC)之間的連接活性和同步性顯著性降低[9]。這些結(jié)果說明海馬結(jié)構(gòu)異常及海馬和DLPFC 之間的神經(jīng)活動失調(diào)可能是導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙的重要原因。
在細(xì)胞水平上,Rho 家族小G 蛋白在神經(jīng)發(fā)育和認(rèn)知方面有著重要的作用[10-12],并首次被發(fā)現(xiàn)不同亞家族的小G 蛋白介導(dǎo)模式動物中不同學(xué)習(xí)記憶成分的遺忘調(diào)控機(jī)制,如Rac1 蛋白的激活能夠促進(jìn)果蠅嗅覺學(xué)習(xí)記憶和小鼠學(xué)習(xí)記憶的主動遺忘[13],CDC42 蛋白則在果蠅學(xué)習(xí)范式中被證明參與調(diào)控果蠅特定記憶成分-抗麻醉敏感記憶(anesthesia-resistant memory;ARM)的遺忘[14]。同時(shí)多種精神疾病中都發(fā)現(xiàn)伴有一定程度的小G蛋白表達(dá)水平異常。自閉癥易感基因突變的果蠅模型中逆轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)能力的嚴(yán)重缺陷是由于由Rac1介導(dǎo)的主動遺忘通路不能被正常激活所導(dǎo)致的[15];自閉癥易感候選基因2(autism susceptibility candidate 2 gene,AUTS2)作為Rac1 和CDC42 蛋白的上游調(diào)控因子參與調(diào)控神經(jīng)元突觸可塑性從而進(jìn)一步影響學(xué)習(xí)記憶[16]。精神分裂癥患者大腦DLPFC 椎體神經(jīng)元中的樹突棘密度同正常人相比顯著降低,CDC42 蛋白在皮層和灰質(zhì)中的mRNA表達(dá)水平也顯著低于正常人[17]。Datta 等人[18]的研究認(rèn)為CDC42 作為一個(gè)關(guān)鍵性的調(diào)控蛋白,在大腦中的異常表達(dá)是造成神經(jīng)元樹突棘密度降低的主要原因,對CDC42 相關(guān)通路的進(jìn)一步研究有助于筆者進(jìn)一步揭示精神疾病認(rèn)知缺陷的病理機(jī)制。
筆者推測海馬中CDC42 蛋白的異??赡苁菍?dǎo)致精神疾病中出現(xiàn)認(rèn)知障礙的重要原因。本研究采用小鼠作為研究對象,通過分子生物學(xué)手段操縱小鼠海馬區(qū)中CDC42 蛋白的活性,結(jié)合多種動物行為學(xué)范式來探索小G 蛋白CDC42 與小鼠認(rèn)知缺陷之間的關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)所用動物為7~8 周齡雄性C57/B6J 小鼠,購買自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動物技術(shù)有限公司。飼養(yǎng)于SPF 級動物房,5 只每籠,溫度23 ℃,濕度50%,小鼠自由進(jìn)水進(jìn)食,墊料1 周更換2次,飼養(yǎng)房間由電腦控制光照時(shí)間12 h/12 h,保證小鼠正常的晝夜節(jié)律。本研究所有小鼠的使用和操作已得到清華大學(xué)動物倫理委員會的許可。
1.2.1 質(zhì)粒構(gòu)建初始質(zhì)粒pCyPet-CDC42(T17N)和 pCyPet-CDC42(Q61L)(Addgene plasmid # 22784和# 22783,來自Klaus Hahn 實(shí)驗(yàn)室)以及AAV核心骨架載體pAAV-CaMKIIα-EGFP(Addgene plasmid # 50469,來自Bryan Roth 實(shí)驗(yàn)室)購買自Addgene。濃度為1 μg/μL 的質(zhì)粒用于分子克隆。經(jīng)過酶切、回收、連接、轉(zhuǎn)化、測序后得到pAAV-CaMKIIα-EGFP-CDC42(T17N)和pAAVCaMKIIα-EGFP-CDC42(Q61L)用于腺相關(guān)病毒AAV 的包裝。
1.2.2 病毒制備293FT細(xì)胞培養(yǎng)24h后用vigofect 轉(zhuǎn)染質(zhì)粒,轉(zhuǎn)染60 h 后收集細(xì)胞,用鹽溶液(150 mM NaCl,20 mM Tris PH8.0)平衡柱子,加入樣品后,用鹽溶液(1×1 mL 200 mM NaCl,20 mM Tris pH8.0-discard;1×1 mL 300 mM NaCl,20 mM Tris pH8.0-discard;1×1.5 mL 400 mM NaCl,20 mM Tris pH8.0;1×3 mL 450 mM NaCl,20 mM Tris pH8.0;1×1.5 mL 500 mM NaCl,20 mM Tris pH8.0)依次洗脫,收集后3 次洗脫溶液,用AMICON μL TRA-4(100 000 MWCO;Milipore;CatNO:UFC810024)將6 mL 洗脫液濃縮至最小體積。進(jìn)行AAV 病毒滴度判定(1×1012gc/mL)。
1.2.3 立體定位病毒注射具體實(shí)驗(yàn)流程參照[19],分別將病毒AAV-CaMKII-GFP、AAV-CaMKII-CDC42-DN-GFP 和AAV-CaMKIICDC42-CA-GFP 立體定位注射到小鼠的雙側(cè)海馬區(qū)(每組20只)。注射過病毒的小鼠放回原籠飼養(yǎng)2 周。
1.2.4 免疫印跡CDC42 蛋白活性檢測注射病毒2 周后,每組隨機(jī)取4 只小鼠斷頸處死,迅速分離出海馬組織,加入10 倍于海馬重量的1×裂解液(Millipore 5×Mg2+lysis/ wash buffer.Cat.92590)和1%的蛋白酶抑制劑(Cytoskeleton Proteinase inhibitor.Cat.# PIC02),冰上研磨15 s 并靜置10 min;4 ℃高速離心機(jī)(Eppendorf 5417R)12 000 r/min 離心10 min,取上清(重復(fù)2次);BCA 法測定樣品蛋白濃度,使用免疫共沉淀法檢測Active CDC42 濃度。同時(shí)檢測Actin 和Total CDC42 的蛋白濃度。
使用一抗Anti-CDC42antibody(1∶2000對于Active-CDC42的蛋白,1∶4000對于總CDC42蛋白),Anti-Actin antibody(1∶8 000)4 ℃過夜。二抗Anti-Mouse HRP-linked IgG,2.5∶4 000對 于Active-CDC42的蛋白,1∶4000對于總CDC42蛋白,1∶8 000 對Actin 蛋白。
1.2.5 免疫熒光注射病毒2 周后,每組隨機(jī)取4 只小鼠處死灌流,取出腦組織,4%多聚甲醛中過夜固定(4 ℃);固定好的組織震蕩切片后染色(DAPI 1∶4 000),在共聚焦顯微鏡下觀察。
每組剩余的12 只小鼠用來進(jìn)行相關(guān)的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)。
1.3.1 曠場實(shí)驗(yàn)用于檢測小鼠注射病毒以后的基本活動情況,如運(yùn)動情況(locomotor activity)和焦慮程度(anxiety)[20]。行為箱(亞克力有機(jī)玻璃板50 cm×50 cm×40 cm)正上方有攝像頭記錄動物的運(yùn)動軌跡和行為,箱子中央有Anymaze 軟件(購自Stoelting Co.公司)自動劃分的中央?yún)^(qū)域(30 cm×30 cm,小鼠不可見)。如果小鼠表現(xiàn)為焦慮,則圍繞箱子四周邊緣移動,而不傾向于去中央?yún)^(qū)域探索。小鼠在箱體內(nèi)自由探索1 h,記錄其在箱體內(nèi)的軌跡速度和距離(每10 min 為一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn))。
1.3.2 社交行為實(shí)驗(yàn)第1天,將小鼠放入行為箱中自由探索10 min,取出置于原籠飼養(yǎng);第2天在箱體內(nèi)放入1 只新的老鼠(置于透明圓筒中),放入實(shí)驗(yàn)小鼠自由探索10 min 形成社交記憶。用Anymaze 軟件劃分新小鼠所在的區(qū)域,實(shí)驗(yàn)小鼠距離新小鼠2 cm 以內(nèi)且探索時(shí)間大于10 s,被認(rèn)為是有效探索,記錄10 min 內(nèi)的探索時(shí)間;24 h后,測試實(shí)驗(yàn)小鼠10 min 內(nèi)對熟悉小鼠和陌生小鼠的探索時(shí)間(新放入的小鼠為陌生小鼠,兩只新小鼠交換位置排出空間記憶的影響)。
1.3.3 條件恐懼反射實(shí)驗(yàn)采用HABITEST 公司的條件恐懼反射行為系統(tǒng)。(1)痕跡恐懼記憶范式:訓(xùn)練階段:將小鼠放入條件恐懼反射行為箱,適應(yīng)90 s 后給予10 s 的聲音刺激,間隔15 s 后給予2 s 0.6 mA 的電刺激。重復(fù)3 次(每次間隔4 min)。軟件自動檢測并記錄小鼠恐懼程度,用小鼠不動(freezing)的時(shí)間占總時(shí)間的百分比來表示。測試階段:24 h后,將小鼠放入訓(xùn)練的原環(huán)境中,記錄4 min 內(nèi)小鼠freezing 的時(shí)間。96 h 后進(jìn)行同樣的測試。(2)環(huán)境恐懼記憶范式:訓(xùn)練階段同痕跡恐懼記憶范式;測試階段:將訓(xùn)練后的小鼠放入新行為箱中,3 min 后給予聲音刺激,記錄4 min內(nèi)小鼠freezing 的時(shí)間96 h 后進(jìn)行同樣的測試。測試結(jié)束放回原籠飼養(yǎng)。
所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和差異分析均在GraphPad Prism 8 軟件中進(jìn)行。進(jìn)行差異分析的數(shù)據(jù)先經(jīng)過Shapiro-Wilk Test 判斷其是否符合正態(tài)分布規(guī)律,若符合則使用方差分析(ANOVAs)來比較多組間的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異;若數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布,則在組間使用Mann-Whitney 檢驗(yàn)或Kruskal-Wallis方差分析。所有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均用平均值(Mean)±方差(SEM)的形式體現(xiàn),本文中數(shù)據(jù)差異均為實(shí)驗(yàn)組和對照組間的差異,P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
為了在海馬區(qū)特異性的操縱CDC42 蛋白的表達(dá)活性,采用腺相關(guān)病毒AAV 來操縱海馬區(qū)特定細(xì)胞基因的表達(dá)。CDC42蛋白基因上的氨基酸突變,可以顯著增強(qiáng)(CA-AAV-CaMKII-cdc42 consist active;CDC42-CA)或抑制(DN-AAVCaMKII-cdc42 dominant negative;CDC42-DN)內(nèi)源性CDC42 蛋白的活性。筆者采用亞克隆的方法,將原始質(zhì)粒所包含的CDC42 突變體克隆到AAV載體當(dāng)中。將病毒注射到小鼠背部海馬CA1 區(qū)和DG 區(qū)(圖1A),2 周后發(fā)現(xiàn)AAV 病毒可以正確表達(dá)在小鼠海馬區(qū)(圖1B)。通過蛋白免疫印跡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)盡管AAV 只在海馬中表達(dá),但是能夠特異性的增加或降低CDC42 蛋白在海馬區(qū)的表達(dá)活性(圖1C)。
圖1 AAV-CaMKII-CDC42-GFP 特異性地操縱海馬區(qū)CDC42 蛋白的活性Fig.1 AAV-CaMKII-CDC42-GFP specifically regulated CDC42 activity in hippocampal neurons.
用曠場實(shí)驗(yàn)(見實(shí)驗(yàn)方法)來檢測小鼠注射完病毒后的運(yùn)動情況及焦慮程度。小鼠在陌生的環(huán)境中趨向于在邊緣區(qū)域運(yùn)動,當(dāng)熟悉環(huán)境后會更多的停留在中央?yún)^(qū)域,同時(shí)其運(yùn)動速度也會下降。如果小鼠表現(xiàn)為焦慮,則其更喜歡在邊緣區(qū)域活動。記錄60 min 內(nèi)各組小鼠在邊緣區(qū)域的運(yùn)動距離和速度,結(jié)果發(fā)現(xiàn)40 min后,激活海馬區(qū)CDC42 蛋白活性的小鼠在邊緣區(qū)的運(yùn)動距離和速度都遠(yuǎn)高于健康組小鼠(圖2A、2B),同時(shí)50 min后,激活海馬區(qū)CDC42 蛋白活性的小鼠在中央?yún)^(qū)域的時(shí)間明顯減少。這意味著CDC42-CA小鼠到新環(huán)境后的焦慮程度更高,在1 h 內(nèi)尚未得到緩解(圖2C)。抑制海馬區(qū)CDC42 蛋白活性的小鼠沒有表現(xiàn)出明顯的焦慮癥狀。
圖2 只有激活海馬區(qū)CDC42 蛋白活性使小鼠產(chǎn)生焦慮的行為表型Fig.2 Only activation of CDC42 activity in hippocampal neurons produced an anxiety-like behavior in mice
為了檢測海馬神經(jīng)元中CDC42 蛋白活性的改變是否對小鼠的學(xué)習(xí)記憶產(chǎn)生影響,筆者首先通過條件恐懼記憶的訓(xùn)練范式對小鼠進(jìn)行訓(xùn)練和測試(圖3A)。訓(xùn)練結(jié)束后立即測試各組小鼠的學(xué)習(xí)情況(即學(xué)習(xí)值),發(fā)現(xiàn)注射完病毒的各組小鼠學(xué)習(xí)能力無差異,P>0.05(圖3B)。幾分鐘后,將訓(xùn)練后的小鼠放入新環(huán)境中(紅色),發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練結(jié)束后,新環(huán)境不會對各組小鼠的恐懼記憶產(chǎn)生影響(圖3C)。
圖3 CDC42 活性變化不影響小鼠的學(xué)習(xí)能力且新環(huán)境對恐懼記憶的表現(xiàn)無影響Fig.3 CDC42 activity regulation did not affect the learning and the new environment did not affect the performance of fear memory in mice
筆者檢測了小鼠的24 h 痕跡恐懼記憶(圖4A),結(jié)果發(fā)現(xiàn)抑制海馬區(qū)CDC42 蛋白活性的小鼠對于聲音的恐懼記憶高于對照組小鼠,而激活海馬區(qū)CDC42 蛋白活性的小鼠對于聲音的恐懼記憶低于對照組小鼠(圖4B)。在96 h 之后測試了小鼠的環(huán)境恐懼記憶,將小鼠放回到訓(xùn)練時(shí)的環(huán)境中(綠色),不給予聲音,記錄小鼠的freezing 情況(圖4A)。與之前結(jié)果一致,筆者發(fā)現(xiàn)抑制海馬區(qū)CDC42 蛋白活性的小鼠的小鼠表現(xiàn)出恐懼記憶增加,而激活海馬區(qū)CDC42 蛋白活性的小鼠則表現(xiàn)出記憶遺忘加快的現(xiàn)象(圖4C)。因此,筆者推斷通過改變海馬中CDC42 蛋白的活性能改變條件恐懼記憶的可塑性,進(jìn)而進(jìn)一步影響了小鼠的記憶認(rèn)知表型。為了進(jìn)一步研究該相關(guān)性,筆者又對注射了AAVCDC42-DN 和AAV-CDC42-CA 的小鼠進(jìn)行了其他行為范式的訓(xùn)練測試。
圖4 調(diào)控海馬區(qū)神經(jīng)元CDC42 蛋白活性雙向影響小鼠的條件恐懼記憶Fig.4 Regulation of CDC42 activity in hippocampal neurons bidirectionally affected fear conditioning memory
社交能力的降低是臨床上用來評價(jià)精神疾病患病程度的重要指標(biāo)之一。如圖5A 所示,實(shí)驗(yàn)組小鼠首先與1 只新小鼠接觸并形成社交記憶,間隔24 h后,將實(shí)驗(yàn)小鼠放置在包括熟悉小鼠和另一只陌生小鼠的環(huán)境中(2 只新放入的小鼠交換位置,避免小鼠的空間記憶產(chǎn)生干擾),通過記錄實(shí)驗(yàn)小鼠對于熟悉小鼠和陌生小鼠的社交活動時(shí)間來分析小鼠的社交記憶(圖5A)。
圖5 調(diào)控海馬神經(jīng)元中CDC42 蛋白的活性不影響小鼠社交記憶Fig.5 Regulation of CDC42 activity in hippocampal neurons had no effect on social memory of mice
通過分析不同實(shí)驗(yàn)組小鼠的社交時(shí)間以及小鼠頭部指向小鼠的時(shí)間參數(shù),筆者并未發(fā)現(xiàn)激活海馬神經(jīng)元中CDC42 蛋白活性和抑制海馬神經(jīng)元中CDC42 蛋白活性的小鼠對照組相比其社交記憶有顯著性的差異,P>0.05(圖5B、圖5C)。因此,筆者認(rèn)為無論激活或抑制小鼠海馬神經(jīng)元CDC42蛋白的活性均不會影響小鼠的社交記憶。
筆者通過腺病毒注射在小鼠海馬組織表達(dá)CDC42 蛋白的氨基酸突變從而調(diào)控CDC42 蛋白活性,通過條件恐懼記憶范式,社交記憶范式和曠場實(shí)驗(yàn)以及結(jié)合生化和免疫熒光的方法證明了CDC42 蛋白能夠參與到認(rèn)知障礙以及焦慮的行為表型中。這進(jìn)一步證明了筆者的研究假設(shè)即精神患者大腦海馬區(qū)CDC42 蛋白活性的異??赡芎筒∪吮憩F(xiàn)出的認(rèn)知障礙(記憶損傷)有關(guān)。研究中發(fā)現(xiàn)只有增加CDC42 蛋白活性能夠影響小鼠的焦慮行為,筆者猜測只有激活CDC42 蛋白能夠?qū)е抡{(diào)控焦慮相關(guān)的下游分子環(huán)路的改變從而改變了小鼠的行為,而抑制CDC42 蛋白活性并不能負(fù)向調(diào)控相關(guān)的信號通路,因此不影響小鼠的焦慮行為。
同時(shí),結(jié)果顯示調(diào)控海馬CDC42 蛋白活性能夠雙向調(diào)控小鼠的條件恐懼記憶,但是不影響小鼠的社交記憶,這意味著CDC42 蛋白活性的改變只參與特定類型的記憶調(diào)控(類似于Rac1 和CDC42 蛋白對果蠅學(xué)習(xí)記憶遺忘的調(diào)控模型),而非所有記憶類型的調(diào)控。在果蠅嗅覺懲罰記憶范式中[13],Rac1 蛋白參與調(diào)控果蠅麻醉敏感記憶的主動遺忘,而CDC42 蛋白在果蠅學(xué)習(xí)范式中被證明參與調(diào)控果蠅特定記憶成分抗麻醉敏感記憶的遺忘,但并不參與記憶的形成[14]。除此之外,在其它模式動物中也有發(fā)現(xiàn)Rac1 蛋白和CDC42蛋白在神經(jīng)突觸可塑性上的不同作用,如在海兔(Aplysia)上的研究表明CDC42 蛋白,參與了長時(shí)程易化的過程,而Rac1 蛋白并不參與該過程[21];在小鼠中發(fā)現(xiàn)Rac1 蛋白的缺失能夠特異性的影響海馬的突觸可塑性,進(jìn)而導(dǎo)致工作記憶的缺陷[22],而CDC42 蛋白的缺失能夠特異性的損害神經(jīng)突觸可塑性,并影響久遠(yuǎn)的記憶[23]。這意味著小G 蛋白Rac1 和CDC42 在大腦中可能參與調(diào)控不同的學(xué)習(xí)記憶類型,但是其具體分工及機(jī)制還需要在更高等的動物模型上進(jìn)行進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。從本文的數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步猜測,精神分裂癥等精神疾病患者社交需求的降低并不是由海馬中的CDC42 來參與調(diào)控的,這一過程可能存在其它的分子機(jī)制或其它的腦區(qū)來調(diào)控。
目前針對認(rèn)知障礙的病理機(jī)制尚未有完整的解釋,之前的研究主要集中在神經(jīng)遞質(zhì)的發(fā)放紊亂、神經(jīng)損傷以及基因遺傳等方面。本工作中發(fā)現(xiàn)的CDC42 蛋白活性異常和部分記憶類型的損傷以及焦慮行為相關(guān),但還需要在更多的行為學(xué)范式上檢測其對不同記憶類型的影響,如新物體識別、水迷宮實(shí)驗(yàn)等。同時(shí),除海馬外,其它在認(rèn)知功能中起重要作用的腦區(qū)(如皮層、杏仁核等)中也有著小G 蛋白的表達(dá)異常,CDC42 蛋白在這些腦區(qū)中的活性改變也可能參與到該認(rèn)知障礙理論中。其次還可以利用一些阻斷CDC42 蛋白活性的化合物,探索這些化合物的使用是否對造成的記憶損傷有改善作用。另外,有研究表明精神分裂癥高危因子DISC1 能通過Rac1 蛋白調(diào)節(jié)谷氨酸能突觸的樹突棘形成[24],精神分裂癥病人樹突棘中觸發(fā)CDC42 蛋白介導(dǎo)的肌動蛋白纖絲重組的級聯(lián)信號通路發(fā)生了改變[25],這意味著小G 蛋白的上游調(diào)控因子在精神分裂癥中可能也有著直接的作用,如果能夠找到CDC42 蛋白上游的調(diào)控因子或蛋白,驗(yàn)證這些蛋白在認(rèn)知損傷中的功能,這將進(jìn)一步完善精神分裂癥中影響認(rèn)知缺陷的CDC42 信號通路。
本研究運(yùn)用分子生物學(xué)結(jié)合動物行為學(xué)的方式在動物模型中來探索小G 蛋白CDC42 和精神疾病認(rèn)知缺陷之間的關(guān)系?,F(xiàn)階段CDC42 蛋白和精神疾病之間的研究主要集中在臨床患者,特別是患者去世后的尸檢、影像學(xué)研究等方面,變量多且復(fù)雜,個(gè)體差異明顯且具有局限性,目前并沒有很好的動物模型可以用來探究其病理機(jī)制。通過AAV 病毒表達(dá)載體構(gòu)建的這一CDC42 突變模型能夠化繁為簡、特異性的作為部分認(rèn)知障礙機(jī)制的研究模型。