基本信息
- 项目名称：
- 大鼠胚胎脊髓神经细胞生长过程中BDNF的作用及其机制研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 脑源性神经营养因子广泛分布于各脑区和脊髓中神经元胞体及突起中，在胚胎脊髓的发育过程中发挥着重要作用，但其对发育过程中的神经细胞的具体作用及其机制不明。本实验拟通过体外培养大鼠胚胎脊髓神经细胞，从正向和反向两方面予以干预后，观察神经细胞生长状态和活力变化，并通过免疫组织化学技术检测BDNF下游信号分子TrkB和β-catenin的变化情况，初步探讨BDNF对大鼠胚胎脊髓发育的作用机制。
- 详细介绍：
- 脊椎动物胚胎发育过程中，神经胚期是一个重要的发育时期，这个阶段胚胎外胚层增厚形成上皮性神经板，神经板两侧隆起形成神经褶，随后神经褶两侧向背中线合拢并愈合成神经管。神经上皮最初为单层柱状，后演变为假复层柱状，最终变为复层，处于分裂间期的细胞呈上窄下宽的楔形，进入分裂期后变为球形并移至上皮游离面，分裂后又变为楔形并进入下一个细胞周期，神经上皮细胞的不断增殖和细胞形态的这种规律性变化，导致了神经褶的形成并逐渐闭合为神经管，这个过程发生异常会导致神经管缺陷。 脑源性神经营养因子(Brain-derived neurotrophic factor, BDNF)是神经营养因子家族的重要成员，Barde等于1982年从猪脑中分离出来，其在神经系统发育过程的表达具有时空特异性，与神经元的生长、发育、分化、成熟有密切的关系。BDNF广泛分布于各脑区和脊髓中神经细胞胞体及突起中，特别是在海马和皮层中含量最高。BDNF也参与了大鼠胚胎期、生后及成年的整个发育过程，在成年猴脑和脊髓中也有表达。中枢神经系统中BDNF主要作用于基底前脑胆碱能神经元，本体感觉三叉神经元，黑质多巴胺神经元，前脑γ-氨基丁酸能神经元，视网膜节细胞，面神经运动神经元和脊髓运动神经元。其生物学意义在于：1、维持感觉神经元、基底前脑胆碱能神经元及运动神经元的存活；2、促进神经细胞的分化； 3、保护脑缺血中的细胞变性； 4、调节非神经细胞的生理功能；5、参与神经损伤的修复。 阿尔茨海默病（AD） 是神经可塑性障碍导致突触连接消失和神经病理学改变所致，近年研究表明, BDNF 不仅能促进发育期神经元生存、生长、分化, 还在成年期中枢神经系统多个脑区调节突触传递和突触可塑性, 促进乙酰胆碱释放，实现神经重塑并改善记忆恢复受损的认知功能。帕金森病( PD) 是以黑质多巴胺能神经元选择性进行性丢失为病理特征的神经变性疾病, 其发生与黑质-纹状体中多巴胺含量减少有关，已经证实, BDNF可以促进体外培养的中脑多巴胺能神经元的生存和分化。研究表明，电针刺激可明显改善PD大鼠的旋转行为,增加黑质BDNF和TrKB的含量, 说明电针治疗PD 是通过增加黑质中BDNF和TrKB 的含量, 进而发挥保护多巴胺能神经元的作用。可知BDNF已成为治疗AD和PD的新靶标。 BDNF 的生理作用的发挥是通过与其相应的受体trkB结合而实现的，TrkB 是trk 家族中的一员，具有酪氨酸的激酶活性，是BDNF 的主要受体，广泛存在于中枢神经系统，trkB 在脑内分布基本上与BDNFmRNA 相似。在细胞表面，BDNF 与其膜受体trkB 结合后，促进了trkB 同源二聚体的形成，进而激活了trkB 酪氨酸激酶，诱导受体蛋白质磷酸化。活化的trkB 再通过细胞质途径依次激活多种蛋白质和酶，使信号从胞质传入核内，最后导致基因表达模式的改变，包括蛋白质、DNA、RNA 等大分子物质的合成。 β-catenin 又称连环蛋白。Catenin (cats) 是一组有相似结构的胞内糖蛋白家族。属一种细胞黏附因子,其与一种名为E - 钙粘蛋白( E - cadherin ) 的跨膜糖蛋白形成复合体,共同担负维持上皮细胞极性,粘附性等重要功能。另一方面，β-catenin可进入核内与TCF/LEF转录因子结合调节靶基因转录，起将信号由胞内传递到核内的作用，与胚胎发育有密切关系，那么BDNF是否也通过β-catenin对发育起调控作用，尚未可知。 BDNF在胚胎脊髓的发育过程中发挥重要作用，但其作用机制尚不清楚，对发育时期的胚胎脊髓神经细胞有什么样的影响，未见明确报道。鉴于此，本研究拟通过对体外培养的大鼠胚胎脊髓细胞中BDNF水平的上调或下调，显微镜下进行细胞计数并应用MTT法做细胞活力检验，观察发育过程中神经细胞的生长状态和活力变化情况，确定BDNF对大鼠胚胎脊髓发育的作用，同时观察BDNF受体TrkB及其下游信号分子β-catenin的表达变化，探讨BDNF对脊髓发育的作用机制。为胚胎脊髓发育机制、缺陷机制及脊髓损伤后的治疗、修复提供理论依据。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：探讨大鼠胚胎脊髓神经细胞发育过程中BDNF的作用及其相关机制。 基本思路：本实验拟通过体外培养大鼠胚胎脊髓神经细胞，从正向（给予BDNF蛋白）和反向（BDNF抗体封闭）两方面予以干预后，观察神经细胞生长状态和活力变化，并通过免疫组织化学技术检测BDNF下游信号分子TrkB和β-catenin的变化情况，初步探讨BDNF对大鼠胚胎脊髓发育的作用机制。
科学性、先进性及独特之处
- 脑源性神经营养因子是神经营养因子家族的重要成员，广泛分布于各脑区和脊髓中神经元胞体及突起中，在胚胎脊髓的发育过程中发挥着重要作用，但其对发育过程中的神经细胞有什么样的作用，其机制如何？尚不清楚。该项目从正反两方面通过上调和下调神经细胞中BDNF的表达，观察神经细胞数量及活力的变化，并检测BDNF的下游相关信号的变化情况，阐明其对神经细胞的作用机制。
应用价值和现实意义
- 为临床预防治疗新生儿中神经管畸形发育所致的神经系统先天发育障碍及死亡的发生提供实验依据。并为脊髓损伤、阿尔茨海默病和帕金森病的预防和治疗提供理论依据和参考。
学术论文摘要
- 摘要：目的 研究脑源性神经营养因子对大鼠胚胎脊髓神经细胞生长状态的影响。方法 体外培养大鼠脊髓神经细胞，分为正常对照组，BDNF蛋白组 (A组)，BDNF抗体封闭组 (B组)，显微镜下对各组细胞进行计数并以MTT法检测细胞活力，免疫组织化学检测BDNF下游信号TrkB及β-catenin的表达情况。结果 1. 与对照组相比，A组TrkB及β-catenin免疫阳性物表达无明显变化，而B组的阳性产物少于对照组，且神经元突起比对照组要短；2. 各组神经元数目比较依次是A组多于对照组(P<0.05)，对照组多于B组(P<0.05)；3. MTT活力检测显示A组OD值高于对照组(P<0.05)，B组低于对照组(P<0.05)。结论 BDNF可通过TrkB和β-catenin通路促进神经细胞的存活、生长和轴突延伸。 关键词：脑源性神经营养因子, 脊髓, 神经细胞, 抗体封闭
获奖情况
- 该作品荣获“青春彩云南•动感地带杯”第六届云南高校青年学术科技作品竞赛三等奖
鉴定结果
- 国内领先
参考文献
- 1. Barde YA, Edger D, Thoenen H. Purification of a new neurotrophic factor from mammalian brain[J]. EMBOJ, 1982, 1(5): 549-553. 2. Numan S, Gall CM, Seroogy KB. Developmental expression of neurotrophins and their receptors in postnatal rat ventral midbrain[J]. J Mol Neurosci. 2005, 27(2): 245-260. 3. Zhang HT, Li LY, Zou XL, et al. Immunohistochemical distribution of NGF, BDNF, NT-3, and NT-4 in adult rhesus monkey brains[J]. J Histochem Cytochem, 2007, 55(1): 1-19. 4. Calabrese, F., Molteni, R., Racagni, G., & Riva, M. A.. Neuronal plasticity: A link between stress and mood disorders[J]. Psychoneuroendocrinology. 2009, 34(1), S208−S216. 5. Henderson CE. Role of neurotrophic factors in neuronal development[J]. Curr Opin Neuro,1996, 6(1): 64-70.
同类课题研究水平概述
- 脑源性神经营养因子（BDNF）在神经系统发育过程的表达具有时空特异性，与神经元的生长、发育、分化、成熟有密切的关系。BDNF广泛分布于各脑区和脊髓中神经细胞胞体及突起中。在鸡胚脊髓发育的7-14天，BDNF从灰质腹角扩展到整个背角。BDNF也参与了大鼠胚胎期、生后及成年的整个发育过程，在成年猴脑和脊髓中也有表达。Josephson A的研究显示E9w人胚脊髓有BDNF和TrkB 的表达。中枢神经系统中BDNF主要作用于基底前脑胆碱能神经元，本体感觉三叉神经元，黑质多巴胺神经元，前脑γ-氨基丁酸能神经元，视网膜节细胞，面神经运动神经元和脊髓运动神经元等。其生物学意义在于：1、维持感觉神经元、基底前脑胆碱能神经元及运动神经元的存活；2、促进神经细胞的分化；3、参与神经损伤的修复。 BDNF是神经可塑性的分子标记物，近来的研究表明，慢性长期应激导致BDNF 表达下调，其可能进一步对神经可塑性造成不利影响。阿尔茨海默病（AD）是神经可塑性障碍导致突触连接消失和神经病理学改变所致，而BDNF可在成年期中枢神经系统多个脑区调节突触传递和突触可塑性, 促进乙酰胆碱释放，实现神经重塑并改善记忆恢复受损的认知功能。帕金森病（PD）是以黑质多巴胺能神经元选择性进行性丢失为病理特征的神经变性疾病, 其发生与黑质-纹状体中多巴胺含量减少有关，BDNF可以促进体外培养的中脑多巴胺能神经元的生存和分化。研究表明，电针刺激可明显改善PD大鼠的旋转行为,增加黑质BDNF和TrKB的含量, 说明电针治疗PD 是通过增加黑质中BDNF和TrKB 的含量, 进而发挥保护多巴胺能神经元的作用。 BDNF 的生理作用的发挥是通过与其相应的受体trkB结合而实现的，TrkB具有酪氨酸的激酶活性，广泛存在于中枢神经系统。在细胞表面，BDNF 与其膜受体trkB 结合后激活trkB 酪氨酸激酶，诱导受体蛋白质磷酸化。活化的trkB 再通过细胞质途径依次激活多种蛋白质和酶，使信号从胞质传入核内，最后导致基因表达模式的改变。BDNF可通过磷酸化使GSK-3β失活，导致胞浆中β-catenin积聚并进入核内, β-catenin在核内与转录因子LEF/TCF协作启动转录调控。本课题研究将为胚胎脊髓发育机制、缺陷机制及脊髓损伤后的治疗、修复提供理论依据。
