基于对脑型肌酸激酶的抑制作用研究食源铝致神经元能量代谢障碍的作用机制

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基本信息

  • 批准号：
    31801453
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    22.0万
  • 负责人：
    程代
  • 依托单位：
    天津科技大学
  • 学科分类：
    C2009.食品安全风险评估
  • 结题年份：
    2021
  • 批准年份：
    2018
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Aluminum (Al) and its compounds are an important type of chemical contaminants in food. It has been well known as a neurotoxicant. Al could interfere with the energy supply and lead to apoptosis in neuron. Nevertheless, the mechanisms underlying this toxicological process, especially Al-induced upstream mechanism, are still largely elusive. In previous research, A novel post-electrophoresis staining procedure relied on the reaction of Al3+ with 8-hydroxyquinoline has been performed to achieve visualization of the high Al-affinity protein. Brain type creatine kinase (BCK), which plays a vital role in providing energy supply cushion in neuron, has been identified to be the protein with high Al3+ affinity. Hence, this project attempts to study of Al3+-induced the inhibition kinetics of BCK and the underlying repression mechanism in vitro by using methods such as fluorescent spectroscopy, molecular docking simulation and so on. Then, the affinity interactions of BCK with Al3+ and the time-effect relationship are analyzed in primary neuronal cells by immunochemical methods. Then, the mitochondrial function and expression of apoptosis-regulated proteins have been tested to investigate how Al3+ induce neurotoxicity. Based on this study, the expected results would provide theoretic evidence for food safety risk assessment of Al exposure.
铝（Al）及其化合物是食品中一类重要的化学污染物，铝暴露会显著干扰神经细胞的能量供应，诱导神经细胞凋亡，继而引发阿尔茨海默症等困扰人类健康的疾病。然而，Al诱导细胞凋亡的上游机制却是未知的。申请人前期实验已证实：Al3+与细胞能量供应体系中起能量缓冲作用的脑型肌酸激酶（BCK）发生了特异性亲和并抑制了BCK酶活。本项目首先以BCK为研究对象，研究Al3+对BCK酶活的抑制动力学；综合运用光谱分析及分子模拟技术，揭示Al3+对BCK蛋白构象的修饰特征，阐明二者确切的结合过程和酶活抑制机理。然后以神经元细胞为研究对象，运用细胞生物学及免疫学等技术，研究外源Al3+与BCK的胞内亲和作用及抑制BCK酶活的时效关系；并进一步探究亲和作用发生后对线粒体功能损伤及激活凋亡途径信号的影响，阐明由外源Al3+引发神经细胞能量代谢障碍的分子机制，为科学分析食源铝的危害及评估其食品安全风险提供坚实的理论基础。

结项摘要

铝（Al）及其化合物是食品中一类重要的化学污染物，铝暴露会显著干扰神经细胞的能量供应，诱导神经细胞凋亡，继而引发阿尔茨海默症等困扰人类健康的疾病。然而，Al诱导细胞凋亡的上游机制却是未知的。申请人前期实验已证实：Al3+与细胞能量供应体系中起能量缓冲作用的脑型肌酸激酶（BCK）发生了特异性亲和并抑制了BCK酶活。本项目首先以BCK为研究对象，研究了AlCl3和Al(mal)3对BCK催化活性的影响，结果表明AlCl3对BCK催化活性展现出较强的抑制作用，其半数抑制浓度为0.67mM，抑制类型为混合型抑制。而Al(mal)3的半数抑制浓度为3.81mM，当底物为PCr时抑制类型为双曲线非竞争性抑制、当底物为ADP时抑制类型为反竞争性抑制。两种形态的铝均会导致BCK疏水性增强，Al(mal)3对BCK内源性荧光的影响较AlCl3更为强烈。最终利用分子模拟对接研究了AlCl3和Al(mal)3与BCK的结合位点及相互作用的氨基酸残基，结果显示AlCl3位于BCK活性位点附近。在C6细胞中，3.5mM AlCl3处理后CK-BB酶活性降低了23.92%。AlCl3处理导致细胞局部ATP供应不足，从而影响F-肌动蛋白的形成和细胞形态。Al(mal)3处理后，线粒体膜电位荧光强度提高141.37%，说明细胞能量供应受损，激活了CytC/Caspase9/Caspase3凋亡通路。然后，我们发现H2O2和Al(mal)3对C6细胞有明显的联合毒性作用，表现为抗氧化酶活性降低和胞内Al增加。Al(mal)3可抑制AMPK正常的磷酸化过程，改变脑肌酸激酶的疏水性，导致BCK不能与SERCA共定位。Al(mal)3和H2O2对BCK的联合作用导致Ca2+超载引起线粒体损伤，导致能量供应障碍，最终表现为细胞凋亡。本研究的结果为科学分析食源铝的危害及评估其食品安全风险提供了理论基础。

项目成果

期刊论文数量（12）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（1）
Characterization of the binding mechanism and conformational changes of bovine serum albumin upon interaction with aluminum-maltol: a spectroscopic and molecular docking study
牛血清白蛋白与铝-麦芽酚相互作用时的结合机制和构象变化的表征：光谱和分子对接研究
  • DOI：
    10.1039/c9mt00088g
  • 发表时间：
    2019-10-01
  • 期刊：
    METALLOMICS
  • 影响因子：
    3.4
  • 作者：
    Cheng, Dai;Wang, Xuerui;Li, He
  • 通讯作者：
    Li, He
Malus micromalus Makino phenolic extract preserves hepatorenal function by regulating PKC-α signaling pathway and attenuating endoplasmic reticulum stress in lead (II) exposure mice
Malus micromalus Makino 酚提取物通过调节 PKC-α 信号通路和减轻铅 (II) 暴露小鼠的内质网应激来保护肝肾功能
  • DOI：
    10.1016/j.jinorgbio.2019.110925
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    Journal of Inorganic Biochemistry
  • 影响因子：
    3.9
  • 作者：
    Wang Guangliang;Tang Jinlei;Song Qi;Yu Qianqian;Yao Congying;Li Pengfei;Ding Yixin;Lin Mibin;Cheng Dai
  • 通讯作者：
    Cheng Dai
Protection Mechanisms Underlying Oral Administration of Chlorogenic Acid against Cadmium-Induced Hepatorenal Injury Related to Regulating Intestinal Flora Balance
口服绿原酸对镉引起的与调节肠道菌群平衡相关的肝肾损伤的保护机制。
  • DOI：
    10.1021/acs.jafc.0c06698
  • 发表时间：
    2021-01-26
  • 期刊：
    JOURNAL OF AGRICULTURAL AND FOOD CHEMISTRY
  • 影响因子：
    6.1
  • 作者：
    Ding, Yixin;Li, Xiang;Cheng, Dai
  • 通讯作者：
    Cheng, Dai
Neuro-protection of Chlorogenic acid against Al-induced apoptosis in PC12 cells via modulation of Al metabolism and Akt/GSK-3β pathway
绿原酸通过调节 Al 代谢和 Akt/GSK-3β 途径对 Al 诱导的 PC12 细胞凋亡的神经保护
  • DOI：
    10.1016/j.jff.2020.103984
  • 发表时间：
    2020-07-01
  • 期刊：
    JOURNAL OF FUNCTIONAL FOODS
  • 影响因子：
    5.6
  • 作者：
    Cheng, Dai;Wang, Guangliang;Wang, Shuo
  • 通讯作者：
    Wang, Shuo
Chlorogenic acid protects against aluminum toxicity via MAPK/Akt signaling pathway in murine RAW264.7 macrophages
绿原酸通过小鼠 RAW264.7 巨噬细胞中的 MAPK/Akt 信号通路防止铝中毒
  • DOI：
    10.1016/j.jinorgbio.2018.11.001
  • 发表时间：
    2019-01-01
  • 期刊：
    JOURNAL OF INORGANIC BIOCHEMISTRY
  • 影响因子：
    3.9
  • 作者：
    Cheng, Dai;Zhang, Xinyu;Wang, Shuo
  • 通讯作者：
    Wang, Shuo

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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