The Protein Degradation Pathway after Brain Ischemia

脑缺血后蛋白质降解途径

基本信息

  • 批准号:
    8666528
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2013
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2013-04-01 至 2017-03-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): Ischemic brain injury is a common disorder among veterans, but the underlying mechanisms of it are not completely understood. Our latest studies strongly suggest that abnormal protein aggregation and multi-organelle damage lead to delayed neuronal death after brain ischemia. There are two major routes for clearance of protein aggregates and damaged organelles: (i) the ubiquitin-proteasomal system; and (ii) the autophagy pathway. Very recently, a renaissance in the autophagy field has shed light on many areas of biological diseases. The autophagy pathway is the chief route for bulk degradation of protein aggregates and aberrant organelles. Failure of autophagy leads to accumulation of protein aggregates and aberrant organelles, resulting in delayed neuronal death. The objective of this proposal is to study the impairment of autophagy after brain ischemia. The hypothesis is that brain ischemia leads to disruption of the autophagy pathway via irreversible inactivation of N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein (NSF) ATPase, resulting in multiple organelle damage/failure and delayed neuronal death. Our latest studies show that accumulation of: (i) autophagy vacuoles (AVs), (ii) protein aggregates, and (iii) aberrant organelles are the most prominent early ultrastructural changes in neurons after brain ischemia. These new results clearly indicate that the autophagy pathway is severely damaged after brain ischemia. Our studies further show that impairment of the autophagy pathway is mainly attributable to irreversible inactivation of NSF after brain ischemia. NSF is the key ATPase for AV-to-lysosome fusion, and is completely inactivated in neurons undergoing delayed neuronal death after brain ischemia. We therefore generated an NSF- deficient transgenic mouse line. The dominant pathologic phenotype of this transgenic mouse line is continuous buildup of AVs and damaged organelles, which is followed by delayed neuronal death, virtually replicating the pathological changes observed after brain ischemia. Aim 1 will study the mechanisms of autophagy impairment after brain ischemia by analyzing all key autophagy and NSF-related proteins. We will investigate: (i) whether the autophagy pathway fails to keep up with the generation of damaged organelles after brain ischemia; (ii) if this failure is due to malfunction of the NSF-dependent AV-to-lysosome fusion; (iii) whether NSF inactivation contributes to selective neuronal vulnerability; and (iv) if presynaptic NSF-related presynaptic proteins also contribute to ischemic neuronal injury. Aim 2 will investigate the specific role of NSF in the impairment of the autophagy pathway after brain ischemia by using inducible and neuron-specific NSF loss/gain-of-function mouse models. This aim will test the prediction that NSF deficiency will disrupt the autophagy pathway, leading to delayed neuronal death, whereas overexpression of functional NSF will restore autophagy deficiency and offer neuroprotection after brain ischemia. Aim 3 will explore: (i) ischemia-induced dysfunction of the autophagic clearance of damaged mitochondria; and (ii) if an increase in autophagic load by mtDNA damage leads to more severe ischemic neuronal injury. We will test this hypothesis in a quantitative manner using an inducible and neuron-specific mitochondrial DNA damage mouse model. This multi-approach proposal should provide key information about the mechanisms underlying the autophagy impairment and new strategies for treatment of ischemic brain injury.
描述(由申请人提供): 缺血性脑损伤是退伍军人中的常见疾病,但其潜在机制尚不完全清楚。我们的最新研究强烈表明,异常的蛋白质聚集和多细胞器损伤导致脑缺血后延迟性神经元死亡。清除蛋白质聚集物和受损细胞器有两种主要途径:(i)泛素-蛋白酶体系统; (ii) 自噬途径。最近,自噬领域的复兴为生物疾病的许多领域带来了曙光。自噬途径是蛋白质聚集体和异常细胞器大量降解的主要途径。自噬失败会导致蛋白质聚集体和异常细胞器的积累,从而导致神经元延迟死亡。 本提案的目的是研究 脑缺血后的自噬。假设脑缺血通过 N-乙基马来酰亚胺敏感融合蛋白 (NSF) ATP 酶不可逆失活导致自噬途径破坏,导致多种细胞器损伤/故障和延迟神经元死亡。 我们的最新研究表明,(i)自噬空泡(AV)、(ii)蛋白质聚集体和(iii)异常细胞器的积累是脑缺血后神经元最显着的早期超微结构变化。这些新结果清楚地表明,脑缺血后自噬途径受到严重破坏。我们的研究进一步表明,自噬途径的受损主要归因于脑缺血后NSF的不可逆失活。 NSF 是 AV 与溶酶体融合的关键 ATP 酶,在脑缺血后经历延迟性神经元死亡的神经元中完全失活。因此,我们产生了 NSF 缺陷的转基因小鼠品系。该转基因小鼠系的主要病理表型是 AV 和受损细胞器的持续积累,随后是延迟性神经元死亡,实际上复制了脑缺血后观察到的病理变化。 目标 1 将通过分析所有关键的自噬和 NSF 相关蛋白来研究脑缺血后自噬损伤的机制。我们将研究:(i)自噬途径是否无法跟上脑缺血后受损细胞器的生成; (ii) 如果该失败是由于 NSF 依赖性 AV 与溶酶体融合的故障所致; (iii) NSF 失活是否会导致选择性神经元脆弱性; (iv) 突触前 NSF 相关突触前蛋白是否也导致缺血性神经元损伤。目标 2 将通过使用诱导型和神经元特异性 NSF 功能丧失/获得功能小鼠模型来研究 NSF 在脑缺血后自噬途径受损中的具体作用。这一目标将测试 NSF 缺乏将破坏自噬途径,导致神经元延迟死亡的预测,而功能性 NSF 的过度表达将恢复自噬缺陷并在脑缺血后提供神经保护。目标 3 将探讨:(i)缺血引起的受损线粒体自噬清除功能障碍; (ii) mtDNA 损伤导致自噬负荷增加是否会导致更严重的缺血性神经元损伤。 我们将使用可诱导的神经元特异性线粒体 DNA 损伤小鼠模型以定量方式检验这一假设。这种多方法提案应提供有关自噬损伤机制的关键信息以及治疗缺血性脑损伤的新策略。

项目成果

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