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糖原合酶激酶3β在嗅觉系统中功能的研究

作　者: 许智祥
导　师: 徐富强
学　校: 中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）
专　业: 分析化学
关键词: GSK3β 嗅觉系统神经活动磷酸化状态气味交叉习惯化局部场电位
分类号: R363
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

糖原合酶激酶3β (glycogen synthase kinase3β, GSK3β)是一个广泛表达于动物各种器官组织的激酶,在中枢神经系统内的表达水平尤其高。GSK3β参与很多关键的生理过程,例如糖代谢、细胞增殖、分化及凋亡等等。因为GSK3β在生物体内分布广泛并且功能众多,所以它的活性需要受到精细的调控。调控GSK3β的活性的方式主要有三种：包括磷酸化,蛋白与蛋白之间的相互作用,细胞亚定位及以上三种方式之间的组合作用。其中,磷酸化是最主要也是目前研究最多的一种调控方式。GSK3β的磷酸化调控主要通过两个位点的磷酸化作用来实现,即第9位丝氨酸的磷酸化(S9-GSK3β,活性降低)和第216位酪氨酸的磷酸化(Y216-GSK3β,活性升高)。在大脑中,基础状态下面的GSK3β的活性比较高,因此与其他激酶不同,对GSK3β的调节方式主要是通过抑制它的活性来实现。GSK3β活性的异常调节和很多神经系统疾病有关,例如老年痴呆,精神分裂症等。嗅觉是一种很古老的感觉,相对于其它感觉系统,嗅觉系统进化得更早,对动物早期的生存和繁殖具有更加重要的生理意义。在动物的生存环境中充满了各种气味分子,而不同气味分子包含着不同的意义的信息,动物的嗅觉系统在进化过程中形成可以探测和解析这些气味的能力,进而产生相应的行为来适应外界复杂的环境。很多动物,例如小鼠,可以利用气味编码能力来寻找食物,逃避天敌,寻找配偶等等。嗅觉系统由主嗅系统和附嗅系统组成,其中主嗅系统包括嗅上皮,主嗅球,梨状皮层,内嗅皮层等。动物对外界气味分子的解析开始于气味分子和嗅感神经元上面表达的气味分子受体的结合,进而激活很多不同类型的嗅感神经元,这些不同类型的嗅感神经元再把气味分子的信息传递到嗅球里面。嗅感神经元的轴突末端会和嗅球中的投射神经元(包括僧帽细胞和丛状细胞)的树突形成突触连接,然后再通过僧帽细胞和丛状细胞的轴突进一步将气味信息投射到高级的嗅觉皮层。嗅觉系统的结构和功能的异常是很多神经系统疾病的早期症状,例如老年痴呆,帕金森病和精神分裂症。但是这些神经系统疾病和嗅觉功能障碍之间的关系还有待进一步的研究。虽然已有大量的研究表明GSK3β和嗅觉系统都分别与很多种神经系统疾病的病理过程有密切的关系。然而,目前涉及GSK3β在嗅觉系统中的功能的研究非常少。为了能更好的理解GSK3β在嗅觉系统中的功能,我们首先来研究GSK3β在小鼠嗅觉系统发育过程中的时空分布变化,这些实验数据对我们理解此重要激酶在嗅觉系统中可能的功能提供很好的前期基础。我们的结果显示：1、GSK3α在嗅觉相关脑区,包括主嗅嗅上皮和附嗅犁鼻器、主副嗅嗅球的各类神经元中都广泛存在,但是不同发育时期在这些脑区的表达水平存在差异。2、在嗅觉系统的发育过程中,Y216-GSK3β的表达水平和细胞定位都呈现出动态变化的模式：在胚胎期,Y216-GSK3β在嗅球的各类神经元广泛表达,并且在嗅上皮的嗅感神经元的胞体和轴突中都可以检测到信号；在出生后早期,Y216-GSK3β在嗅感神经元中的表达水平下降；成年后,Y216-GSK3β几乎不在嗅感神经元中表达,但仍广泛存在于嗅球神经元中。因此在成年的嗅球里面广泛存在高活性状态的GSK3β。3、S9-GSK3β的表达水平和细胞定位也都呈现出动态变化的模式：在胚胎期,S9-GSK3β在嗅感神经元的胞体中大量表达,但是不存在于嗅感神经元轴突上面；在出生后早期,S9-GSK3β在嗅感神经元的胞体中一直维持比较高的表达水平,在轴突中的表达量逐渐升高；在成年后,S9-GSK3β主要集中在嗅球的嗅神经层和SEZ区域的未成熟神经元(该区域主要由SVZ处迁徙过来的未成熟神经元组成)。4、我们发现在嗅觉系统的发育过程中,GSK3β的活性受到Wnt/Dvl/β-catenin信号通路的调控。研究了GSK3β在小鼠嗅觉系统的时空表达情况后,我们进一步研究GSK3β在嗅觉系统里面可能参与的功能。由于以上表达模式的结果揭示了GSK3β的表达水平和活性(磷酸化状态)可能受到嗅觉活动(输入)的影响,因此我们通过失嗅,气味刺激的模型,结合免疫荧光,免疫印迹,电生理记录,动物行为等等研究手段来探索GSK3β在嗅觉系统中的功能。结果显示：1、嗅觉缺失(离子通道敲除的转基因动物和硫酸锌损毁嗅上皮两种模型)会造成嗅感神经的GSK3β的活性升高,但在嗅球中的GSK3β活性会降低；相反,增强气味刺激会造成嗅球中的GSK3β的活性升高。嗅觉缺失(包括离子通道敲除的转基因动物模型和硫酸锌损毁嗅上皮的动物模型)会造成嗅感神经中的GSK3β的活性升高,但是会降低嗅球中GSK3β的活性；相反,增强气味刺激会造成嗅球中的GSK3β的活性升高2、抑制GSK3β的活性以后,嗅球颗粒细胞层的神经元自发活动减弱。3、通过特异性的GSK3β抑制剂,我们发现降低GSK3β的活性不影响小鼠正常的气味辨别行为,但是会影响动物的正常习惯化行为以及对气味的短期记忆能力。以上结果表明GSK3β在嗅觉系统中的活性(磷酸化状态)会受到神经元活性的影响,并且这个激酶自身的活性反过来也会影响嗅球神经元的活性,这种相互作用的模式对于嗅觉信息处理功能具有很重要的意义。通过以上研究,我们进一步地了解了这样一个参与到很多生理和病理过程的激酶在嗅觉系统中的功能。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-8
ABSTRACT  8-11
中英文缩略表  11-12
目录  12-14
第一章绪论  14-23
  1.1 GSK3β简介  14-17
  1.2 嗅觉系统简介  17
  1.3 嗅上皮的基本结构  17
  1.4 嗅球的基本结构  17-19
  1.5 嗅球内部的微环路  19-20
  1.6 嗅觉信息向高级皮层的传递  20-21
  1.7 高级皮层对嗅球的调控  21
  1.8 嗅觉障碍和神经系统疾病  21-23
第二章实验材料与方法  23-33
  2.1 主要仪器设备  23
  2.2 主要试剂  23-24
  2.3 实验动物  24-27
  2.4 硫酸锌损毁嗅上皮  27
  2.5 免疫荧光过程  27-28
  2.6 Western Blot分析  28-30
  2.7 气味刺激小鼠嗅觉  30
  2.8 堵鼻子  30
  2.9 习惯化与非习惯化行为分析  30-31
  2.10 电生理过程  31
  2.11 实验数据处理和统计  31
  2.12 本实验中使用到的抗体列表  31-33
第三章 GSK3β在嗅觉系统的分布情况  33-48
  3.1 结果  33-46
  3.2 讨论  46-48
第四章 GSK3β在成年的嗅球中的功能  48-61
  4.1 结果  48-59
  4.2 讨论  59-61
参考文献  61-68
已发表和待发表文章  68

糖原合酶激酶3β在嗅觉系统中功能的研究

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