济宁医学院 大学生创新创业训练计划管理系统

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miR-151-3p通过调控JAK2/STAT3通路参与铝致认知障碍的机制研究

申报人：王柄贻 申报日期：2025-02-12

基本情况

2025创新项目
miR-151-3p通过调控JAK2/STAT3通路参与铝致认知障碍的机制研究 学生申报
创新训练项目
医学
公共卫生与预防医学类
学生来源于教师科研项目选题
二年期
本研究旨在探讨miR-151-3p是否通过调控JAK2TAT3信号通路诱导线粒体氧化损伤参与铝致认知障碍，试图阐明职业性铝暴露导致认知障碍的神经毒作用机制，为预防职业性铝暴露对健康的危害，以及铝中毒诊断试剂的开发提供科学依据。
无
李欢近五年代表性科研项目：
1. miR-128-3p通过调控Sirt1/Nrf2/keap1信号通路参与铝致认知障碍的机制研究（ZR2022QH114），山东省自然科学基金项目，2023.01.01-2025.12.30，主持，15万元；
2. PINK1/Parkin 通路介导的线粒体自噬在铝致认知障碍中的作用及机制研究（JYHL2022 MS06），贺林院士新医学临床转化工作站科研基金项目，2023.01.01-2025.12.30，主持，10万元；
3. miR-124-3p通过调控STAT3-TGF-β1/Smad3信号通路参与铝致认知障碍的机制研究（JYGC2023KJ004），济宁医学院高层次科研项目培育计划立项项目，2024.01.01-2026.12.30，主持，10万元；
4. 铝致认知功能损害的机制研究（600941001），济宁医学院博士科研启动基金，2022.01.01-2026.12.30，主持，68万元；

张秋梅近五年代表性科研项目：
1.医学生自主学习现状的调查研究，国家社会科学基金培育项目，2020年度山东省社科规划研究高等学校思想政治教育研究专项 项目
2.医学院校毕业生就业压力及心理健康状况调查，2020年度山东省社科规划研究项目（20CSZJ11）：医学生心理健康教育与咨询服务规范化研究
3.医学院校Ａ型行为类型毕业生心理健康现状调查，济宁医学院2018年度校级教育教学研究项 目：医学生压力状况分析及对策研究（18009）；2019年度济宁医 学院国家社会科学基金培育项目：压力对A型、D型人格毕业生 心理健康影响的对比研究（JYP2019SK05）。
4.孔繁森精神融入大学生思政教育路径研究，2021年山东省本科教学改革研究项目《课程思政融入医学教育过程及其评价体系构建研究》
5.HCN1 基因多态性（rs1501357）对精神分裂症患者和健康对照者工作记忆在行为和神经层面贡献的证据
根据研究内容，做好实验室安排，提供实验经费，做好实验指导。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
王柄贻 公共卫生学院 预防医学（本科） 2022 负责安排实验分工、PPT的制作、上台展示作品
张子琦 公共卫生学院 预防医学（本科） 2024 负责对研究过程和研究结果进行收集整理
秦冰洁 公共卫生学院 预防医学（本科） 2022 负责收集整理项目研究相关的文献资料
张瑞琪 公共卫生学院 预防医学（本科） 2024 负责PPT的制作

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
李欢 公共卫生学院 否
张秋梅 公共卫生学院 否

立项依据

研究目的
1）阐明miR-151-3p调控JAK2/STAT3/SOCS3信号通路在参与铝致认知障碍中的作用。
2）研究铝通过过表达miR-151-3p，靶向JAK2/STAT3/SOCS3通路中的关键分子，从而导致神经细胞凋亡，最终参与铝致认知障碍的具体机制。
本研究拟采用体内和体外实验来阐明miR-151-3p通过调控JAK2/STAT3/SOCS3信号通路参与铝致认知障碍过程中的分子机制。实验内容整体思路，如下图所示：
研究内容一：动物体内实验
1）研究铝暴露后大鼠miR-151-3p、JAK2、STAT3、SOCS3等表达情况，观察大鼠神经细胞凋亡和学习记忆功能的变化情况。
亚慢性铝暴露SD大鼠，分组为：正常对照组、低剂量组（10μmol/kg）、中剂量组（20μmol/kg）、高剂量组（40μmol/kg）。观察铝暴露后大鼠学习记忆功能损伤情况，神经细胞凋亡和突触可塑性损伤情况；检测大鼠脑组织中miR-151-3p表达水平和JAK2/STAT3/SOCS3通路中关键信号分子的表达情况。
2）阐明铝通过上调miR-151-3p抑制STAT3进而激活JAK2/STAT3/SOCS3通路，诱导神经细胞凋亡。
大鼠铝暴露后，进行侧脑室注射慢病毒转染miR-151-3p，分组为手术对照组、生理盐水对照组、20μmol/kg麦芽酚铝+miR-151-3p mimics组、20μmol/kg麦芽酚铝+miR-151-3p inhibitor组、20μmol/kg麦芽酚铝+空载体组。
铝暴露情况下过表达和沉默miR-151-3p后，观察大鼠的学习记忆功能、神经细胞凋亡、突触可塑性的变化情况；观察过表达miR-151-3p和JAK2、STAT3、SOCS3等蛋白表达量的影响。
研究内容二：细胞体外实验
1）研究miR-151-3p通过调控JAK2/STAT3/SOCS3信号通路导致神经细胞凋亡。
（1）双荧光素酶报告基因实验：验证miR-151-3p与STAT3的直接作用情况。
（2）利用PC12细胞铝暴露模型，通过基因转染技术，阐明铝通过miR-151-3p靶向JAK2/STAT3/SOCS3导致神经细胞凋亡。实验分组：空白对照组、100μM麦芽酚铝组、200μM麦芽酚铝组、400μM麦芽酚铝组分别染毒0、3、6、12、24 h终止。观察miR-151-3p和JAK2/STAT3/SOCS3通路中信号分子的变化。同时探讨不同铝暴露剂量和时间点miR-151-3p、JAK2/STAT3/SOCS3共定位和互作关系。
2）研究铝暴露情况下miR-151-3p调控JAK2/STAT3/SOCS3通路的具体分子机制。
铝暴露处理24h后，分别进行转染试剂转染。分组为：正常对照组、200μM麦芽酚铝、200μM麦芽酚铝+miR-151-3p mimics、200μM麦芽酚铝+miR-151-3p inhibitor、200μM麦芽酚铝+miR-151-3p NC（空载体）组。观察铝暴露情况下过表达和沉默miR-151-3p后对细胞凋亡的影响。观察过表达和沉默miR-151-3p后对JAK2/STAT3/SOCS3通路中各蛋白表达量的影响。
研究内容三：
人群流行病学调查：研究铝暴露人群miR-151-3p、JAK2、STAT3、SOCS3表达情况，比较其与非暴露人群的表达差异。
在前期体内体外实验的基础上，发现miR-151-3p在铝致认知障碍的过程中发挥一定的作用，接下来采集铝暴露职业工人和非铝暴露工人的血液和尿液，来检测其血液中miR-151-3p、JAK2、STAT3、SOCS3等指标的变化情况，为寻找铝暴露所致认知障碍的生物学标志物提供科学依据。
铝可通过诱导神经细胞凋亡引起认知障碍
铝主要对神经系统产生危害，是认知障碍疾病的重要环境危险因素之一。铝可改变成体神经干细胞的分化，导致新生神经元凋亡，对海马神经元的树突发育也有明显抑制作用[12, 13]。铝可诱导PC12细胞和SH-SY5Y细胞两种体外神经元细胞模型的氧化损伤和细胞凋亡[14]。铝可造成神经细胞的程序性死亡包括凋亡和程序性坏死，从而导致学习记忆受损，但其具体的分子机制并不十分清楚。
研究表明，多种miRNA参与了铝暴露引起的子代大鼠空间学习记忆障碍[15]，本课题组对铝暴露大鼠模型进行全转录组测序，发现有111个miRNA的表达出现差异，其中包括miR-151-3p，说明miRNA在铝诱导的认知功能障碍中起到了一定的作用[16]。
miRNAs参与了神经退行性疾病的发生和发展过程
miRNAs是一类内源性的具有调控功能的非编码RNA，大小约20~25个核苷酸，其通过一系列调控机制，参与细胞的生长、增殖、分化和凋亡等生物学行为[17, 18]，对神经系统进行着广泛的调节，是基因表达的重要转录调控因子。有研究证实，多种miRNA异常表达与神经系统疾病有关[19, 20]，在神经退行性疾病的发生和发展过程中发挥着重要作用[21]。
miRNA可与下游靶mRNA的3‘-非翻译区相结合[22]，调节靶基因的表达。一种miRNA往往可以调控多个靶基因，一个靶基因又可以被多种miRNA所调控[18]。多种miRNA已被报道在AD患者中异常表达，经前期对麦芽酚铝动物建模进行全转录组测序，发现miR-151-3p表达明显，并可能通过靶向STAT3对神经元造成损伤[16, 23]。miR-151-3p通过调控STAT3激活JAK2/STAT3通路，可以导致大鼠脑神经细胞凋亡，从而损害大鼠的学习记忆功能。由此可见，miRNAs参与了神经系统相关疾病的发生和发展过程。那么铝是否通过miR-151-3p调控信号通路参与铝的神经毒作用呢？其具体分子机制是什么？首先我们先介绍一下miR-151-3p与神经退行性疾病的关系。
miR-151-3p是一种潜在的神经退行性疾病诊断的生物标志物
越来越多的文献表明，miR-151-3p在小胶质外泌体中表达丰富，并且参与小胶质细胞来源的外泌体对神经发挥的保护作用[24]。miR-151-3p的异常表达已被发现与许多神经系统疾病有关，影响突触功能[25]，还会影响炎症和凋亡[26]。STAT3 参与炎症相关损伤[27]，STAT3表达异常可造成神经元损伤，表现为细胞活力和超氧化物歧化酶活性增加，以及细胞凋亡、Caspase-3 活性、炎症因子 IL-6和 IL-1β水平变化，STAT3也被证实是miR-151-3p的靶标[28]。这些研究表明，miR-151-3p 通过靶向 STAT3 在神经退行性疾病中发挥作用。血清miR-151-3p水平与神经退行性疾病患者的MMSE评分存在显著相关，并通过ROC曲线评估血清miR-151-3p对神经退行性疾病的诊断敏感性和特异性，血清miR-151-3p可能是一种潜在的神经退行性疾病诊断的生物标志物[29]。还有研究表明，过表达miR-151-3p可诱导细胞凋亡[24]，但miR-151-3p在神经退行性疾病中的特异性作用和潜在分子机制尚不清楚。
miR-151-3p与STAT3的结合位点特异性结合，激活JAK2/STAT3/SOCS3通路从而导致细胞凋亡
众所周知，miRNA通过抑制其靶基因来发挥其功能作用。miRNA-151-3p与STAT3的3’ UTR相互作用，下调STAT3蛋白水平[23]。miR-151-3p表达在miRNA模拟转染后升高，并通过抗miRNA治疗降低，表明转染的有效性[30]。因此， miR-151-3p可以与STAT3结合。
细胞凋亡是机体自身的防御机制，早期可清除体内明显受损的细胞，后期因细胞过度死亡，导致细胞功能障碍。Janus激酶2/信号转导和转录激活因子3（JAK 2/STAT 3）信号通路是一个保守的细胞内基本信号级联，它可以影响参与生物过程如细胞生长、代谢、分化降解和血管生成。炎症反应、细胞凋亡、氧化应激是神经退行性疾病发病的主要因素[31]。STAT3是JAK2的底物，JAK2/STAT3是定位于细胞质的信号转导途径。细胞因子受体激活JAK2磷酸化，随后激活细胞质STAT3，STAT 3转移到细胞核以控制靶下游基因的转录。研究表明胶质细胞STAT3表达缺失与小鼠学习记忆功能衰退密切相关[32]。细胞因子信号传导抑制因子3（SOCS3）是通过负反馈机制引起STAT信号传导的抑制[28]。SOCS3上调可对SD大鼠和PC12细胞神经元线粒体功能造成影响[33]。提示 JAK2/STAT3/SOCS3 信号通路对神经退行性疾病中发生的细胞凋亡过程至关重要。研究发现，过表达miR-151-3p也可显著破坏肿瘤的免疫抑制微环境并诱导细胞凋亡[34]。作用机制可能是miR-151-3p抑制STAT3进而激活了JAK2/STAT3/SOCS3的表达，导致细胞凋亡。但是，该调节机制是否参与了铝诱导的认知功能障碍还是未知。从而在铝导致的神经毒性作用中发挥作用，还需我们进一步探索。
本研究的特色与创新之处在于：
1）探索铝神经毒作用的具体分子机制，为miRNA作为铝神经毒性作用靶点提供初步理论依据。
2）提出miR-151-3p通过调控JAK2/STAT3/SOCS3信号通路参与铝致认知障碍的分子机制，较为新颖的阐述了铝的神经毒作用机制。 
本研究拟采用体内实验和体外实验探索miR-151-3p通过JAK2/STAT3/SOCS3信号通路诱导神经细胞凋亡参与铝致认知障碍的具体机制，并通过人群流行病学调查寻找铝致认知障碍的生物学标志物。
1.动物体内实验
2.细胞体外实验
3.人群流行病学调查
拟解决的关键科学问题：
1.阐明铝是否通过影响miR-151-3p进而调控JAK2/STAT3/SOCS3信号通路诱导神经细胞细胞凋亡，表现为大鼠学习记忆功能降低？
拟采取的解决方法：利用体内实验和体外实验探索miR-151-3p通过JAK2/STAT3/SOCS3信号通路诱导神经细胞凋亡参与铝致认知障碍的具体机制。miRNA参与铝致认知障碍已被证实，JAK2/STAT3/SOCS3通路参与细胞凋亡的理论也是事实，铝能够导致神经细胞凋亡也是有许多实验证明的，所以该理论问题是有理论依据的。
2.TargetScan计算分析表明miR-151-3p与STAT3的结合位点特异性结合，但是两者是否存在直接作用关系？
拟采取的解决方法：双荧光素酶报告实验验证miR-151-3p与STAT3靶向结合，这是评价miR-151-3p对靶蛋白调控的先决条件。
预期研究成果
1.证实miR-151-3p靶向调节JAK2/STAT3/SOCS3通路，诱导神经细胞凋亡和突触可塑性损伤，最终导致机体认知障碍。该通路是铝神经毒作用机制之一。
2.铝引起miR-151-3p以及下游分子变化，这些分子可能成为铝致认知障碍的早期生物学标志。
2025.03-2025.10动物体内实验：亚慢性铝暴露SD大鼠模型;Morris水迷宫实验;指标检测、PCR，Western-blot和ELISA 检测等。数据分析，
2025.11-2026.08细胞体外实验：细胞培养;指标检测。人群流行病调查数据分析。写研究论文，
2026.09-2026.02整理数据，统计分析，写研究论文。
本课题预实验结果
 1.大鼠的脑组织和血浆铝含量
ICP-MS法检测铝暴露后的大鼠血浆和脑组织铝含量，发现随着暴露剂量的增加，血浆和脑组织铝含量逐渐增加。说明铝暴露后，大鼠血液和脑组织中存在铝蓄积现象。
 2.大鼠新物体识别实验
通过辨别指数和偏好指数来评价大鼠的空间学习记忆能力。随着铝暴露剂量的增加，偏好指数呈现下降趋势，大鼠探索新物体的时间减少，对于新物体的探索偏好减弱。随着铝暴露剂量的增加，辨别指数有所下降，大鼠辨别新物体的能力减弱。各组大鼠新物体探索实验的轨迹图如图1所示，对照组；10μmol/kg Al(mal)3组；20μmol/kg Al(mal)3组；40μmol/kg Al(mal)3组。说明铝暴露后，大鼠学习记忆功能减退，出现认知障碍。
 3.大鼠脑组织镜下轴突形态结构
轴突串珠样改变（Neuritic Axon Beading）
高尔基染色观察大鼠海马CA1区神经细胞的形态变化。对照组；10μmol/kg Al(mal)3组；20μmol/kg Al(mal)3组；40μmol/kg Al(mal)3组。对照组大鼠海马CA1区神经元轴突树突结构正常；铝暴露大鼠海马CA1区神经元轴突呈串珠状改变。随着铝暴露剂量的增加，神经元串珠状改变出现的情况增多。随着铝暴露剂量的升高，海马CA1区出现了神经元细胞丢失的现象。
 4.大鼠脑组织神经细胞凋亡情况
透射电子显微镜观察大鼠脑组织神经元细胞凋亡发现，对照组海马神经元形态结构正常，细胞核结构完整；10μmol/kg Al(mal)3组海马神经元形态结构基本正常，染色质致密；20μmol/kg Al(mal)3组海马神经元染色质致密，出现细胞核皱缩现象；40μmol/kg Al(mal)3组海马神经元细胞核染色质致密凝聚，细胞核固缩，铝暴露会导致大鼠海马神经元细胞凋亡。
5.大鼠脑组织海马神经元突触结构
透射电子显微镜观察大鼠脑组织海马CA1区神经元突触结构。透射电子显微镜观察显示，对照组海马神经元突触形态良好，可见突触囊泡结构正常，突触后致密区结构也正常；10μmol/kg Al(mal)3组海马神经元突触形态正常，可见突触囊泡结构正常，突触后致密区结构比对照组结构要薄；20μmol/kg Al(mal)3组海马神经元突触形态正常，可见突触囊泡结构正常；40μmol/kg Al(mal)3组海马神经元突触形态有异常结构出现，可见前膜囊泡减少，突触囊泡结构基本正常，突触后致密物变薄。随着染毒剂量的增加，海马CA1区神经元突触结构损伤，突触后致密物变薄，突触前膜囊泡减少。
6.铝暴露引起PC12细胞凋亡率变化
随着铝暴露剂量的升高，PC12细胞凋亡率升高，与对照组相比，中、高剂量暴露组细胞凋亡率的差异有统计学意义（p<0.05），高剂量组早期凋亡明显增多。
已具备条件：1.指导老师在神经毒理学领域有丰富经验，主持省级科研项目，发表多篇SCI论文，具备指导科研项目的能力。2.学校拥有Morris水迷宫、ICP-MS、流式细胞仪等关键设备，满足动物行为学、分子检测需求。
尚缺少条件：1.技能不足，缺乏一定的实验设计、复杂技术操作（如基因转染）、数据统计分析等系统训练。
解决方法：1.利用课余时间，针对性提升文献阅读、实验设计、数据分析（SPSS/GraphPad）等方面的能力。2.研究分解为“文献调研→预实验→数据收集→论文撰写”阶段，明确每周任务与目标。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 20000.00 实验试剂耗材、实验动物、细胞购置 10000.00 10000.00
1. 业务费 6000.00 论文发表、铝含量测定 1000.00 5000.00
（1）计算、分析、测试费 1000.00 无 1000.00 0.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 5000.00 无 0.00 5000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 14000.00 实验动物购置，实验试剂耗材购置 9000.00 5000.00
结束

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