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β-arrestin介导Apelin/APJ系统改善小鼠抑郁样行为的机制研究

申报人:张雅睿 申报日期:2025-03-25

基本情况

2025创新项目
β-arrestin介导Apelin/APJ系统改善小鼠抑郁样行为的机制研究 学生申报
创新训练项目
医学
基础医学类
学生来源于教师科研项目选题
二年期
抑郁症是临床常见的精神疾病,已成为一个严重的社会和公共卫生问题。《2023 年度中国精神心理健康》显示,我国抑郁症患者达 9500 万人,山东省抑郁症患病率为 10.3%,位于全国第六,严重程度引人深思,高效合理的治疗方案迫在眉睫。研究表明,抑郁症患者免疫系统失调与神经炎症是药物耐药的重要因素,TLR4/JAK2-STAT3 信号通路在免疫炎症中发挥重要作用。已证实 ApeliAPJ 系统具有强大的神经保护作用,参与免疫调节与炎症反应,其在抑郁症中是否通过减轻免疫炎症缓解抑郁样行为,尚未报道。本课题拟构建抑郁症细胞模型与小鼠模型,利用 MTT、RTCA、Q-PCR、Western blot 以及小鼠行为学检测等技术,从基因水平、蛋白水平、细胞水平与抑郁小鼠在体水平上,深入探讨 ApeliAPJ 系统对TLR4/ JAK 2-STAT3 信号通路的调控作用,诠释 ApeliAPJ 系统抗抑郁的新机制。

负责人自2024年9月在神经生物学研究所实验室跟随指导老师参与Apelin/APJ系统改善小鼠抑郁样行为的分子机制研究。参与课题中相关质粒构建、细胞传代、培养、免疫荧光、WesternBlot、C57小鼠饲养、造模、取材等各项实验。并在带教老师的指导下查阅相关文献,进行相关实验数据分析,并同本小组成员完成此次项目的申请工作。

2024年主持山东省医药卫生科技发展项目1项,在研;
2024年首位指导省级大学生创新创业计划项目2项,在研;
2022年首位指导省级大学生创新训练计划项目一项。 
指导教师课题前期已开展Apelin/APJ系统改善小鼠抑郁样行为的相关研究,同时项目组研究资金充足,为本项目顺利开展提供有力保障。
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
张雅睿 精神卫生学院 精神医学(本科) 2024 文献调研与理论基础构建、实验操作与数据采集、文章撰写
王靖远 精神卫生学院 精神医学(本科) 2024 文献调研与理论基础构建、实验操作与数据采集、文章撰写
武素本 精神卫生学院 精神医学(本科) 2024 文献调研与理论基础构建、实验操作与数据采集、文章撰写
徐琳 精神卫生学院 精神医学(本科) 2023 文献调研与理论基础构建、分析数据构建模型
栾智顺 精神卫生学院 精神医学(本科) 2022 文献调研与理论基础构建、分析数据构建模型

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
姜云璐 精神卫生学院

立项依据

1. 在HEK293细胞过表达体系中明确APJ在不同内源性配体(Apelin-13/17/36、Glu-apelin-13)作用下与β-arrestin的作用机制;
2. 在抑郁细胞模型中通过检测细胞活力、细胞凋亡、氧化应激、炎症因子以及JAK、STAT等相关蛋白的表达变化明确Apelin/APJ系统的抗抑郁作用;
3. 通过观察、分析抑郁小鼠的抑郁样行为以及小鼠体内炎症因子、JAK、STAT等相关蛋白的表达分布,体内进一步验证Apelin/APJ系统的抗抑郁作用与可能的分子机制。 
本课题的研究内容主要是围绕神经损伤、神经炎症、神经毒性等三个方面为中心建立抑郁细胞模型与抑郁小鼠模型,从基因水平、蛋白水平、分子水平、细胞水平与抑郁小鼠在体水平上,不同维度深入探讨Apelin/APJ系统是如何介导β-arrestin抑制蛋白调节TLR4/JAK2 -STAT3信号通路发挥减少神经损伤、减轻神经炎症、降低神经毒性进而缓解小鼠抑郁样行为的分子机制。具体研究内容如下:
1. 细胞模型研究内容
1.1 Apelin/APJ系统与β-arrestin的互作机制
1.2不同 Apelin(Apelin-13/17/36、Glu-apelin-13)配体对不同抑郁细胞模型中神经损伤、神经炎症、神经毒性的作用,具体检测指标见表1。 
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注:以上检测指标均在对照组、模型组、Apelin-13/17/36干预组、Apelin-13/17/36 干预+β-arrestin siRNA干扰组、Apelin-13/17/36干预+JAK/STAT抑制剂(AG490)组同时进行。
1.3Apelin/APJ系统调节TLR4/JAK2-STAT3的分子机制
在LPS诱导的BV2细胞模型中检测APJ、β-arrestin1/2、TLR4、JAK2、p-JAK2、STAT3、p-STAT3、TNF-α、IL-6、IL-1β、IL-10等蛋白水平的表达变化。Co-IP检测Apelin-13/17/36干预15~20 min时,APJβ-arrestin1/2是否能形成复合物,Apelin-13/17/36干预20~30 min时,β-arrestin1/2STAT3是否形成复合物。上述复合物是否在加入β-arrestin siRNA、JAK/STAT抑制剂(AG490)后消失,用以诠释Apelin-13/17/36作用于APJ后是通过介导β-arrestin调节JAK2-STAT3信号途径。
2. 动物模型研究内容(以下研究内容均在C57BL/6正常小鼠、C57BL/6模型组、Apelin-13/17/36干预组;APJ-eGFP基因敲入C57BL/6小鼠(APJ-eGFP/+)、APJ-eGFP/+模型组、Apelin-13/17/36干预APJ-eGFP/+组; APJ敲除C57BL/6小鼠(APJ-/-)、APJ-/-模型组、Apelin-13/17/36干预APJ-/-组)。
2.1小鼠的行为学研究
观察小鼠的糖水偏好、体重变化、悬尾时的行为反应、强迫游泳时游泳状态与漂浮时间、旷场实验时小鼠的活动频率、持续时间等。
2.2分子机制研究
在基因与蛋白水平上检测APJ、TLR4、JAK2、STAT3 、炎症相关因子TNF-α、IL-6、IL-1β、IL-10等表达变化;在细胞水平检测APJ、β-arrestin、TLR4、JAK2、STAT3等蛋白的表达分布。
 
抑郁症是临床常见的精神疾病,其发病率高、复发率高、致残率高,已成为一个严重的社会和公共卫生问题。据WHO统计[1],全球约有3.22亿人遭受抑郁的折磨,并预测2030年重度抑郁症将成为第一大负担疾病。《2023年度中国精神心理健康》显示,我国抑郁症患者达9500万人,18岁以下未成年群体占总人数的30.28%。山东省抑郁症患病率为10.3%,位于全国第六,严重程度引人深思,高效合理的治疗方案迫在眉睫。目前抑郁症的治疗主要是采取由低到高强度的阶梯式策略,常用药物为新型各类抗抑郁药物,包括但不限于选择性5-羟色胺重摄取抑制剂(5-hydroxytryptamine, 5-HT)(Selective serotonin reuptake inhibitors, SSRIs)、选择性NA、5-HT重吸收抑制剂(Selective serotonin and norepinephrine reuptake inhibitors, SNRIs)去甲肾上腺素能等[2]。
抑郁症的发病机制复杂,一度成为临床用药无效但又找不到原因的痛点。研究表明,约三分之二的抑郁症患者对标准的抗抑郁治疗有反应,三分之一的患者出现抗抑郁药物耐药。免疫系统失调是导致耐治性抑郁症的重要因素之一,免疫系统在抑郁症发病机制中的作用不可估量,针对性引入免疫系统原件的生物疗法对耐治性抑郁症具有重要的前景意义[3-5]。
TLR/JAK-STAT信号通与抑郁症。
Janus 激酶-信号转导和转录激活因子(JAK-STAT)信号途径参与多种细胞的免疫应答过程,也是细胞因子和生长因子诱导特定基因表达的细胞内蛋白系统。在人类基因中,JAK有4个家族成员:JAK1、JAK2、JAK3和TYK2酪氨酸激酶2;7个STAT蛋白:STAT1、STAT2、STAT3、STAT4、STAT5(STAT5A、STAT5B)、STAT6,不同的组织或免疫过程激活不同的JAK-STAT信号途径。在Malgorzata等[5]人对290名受试者(190名抑郁患者,100名健康对照)的研究表明,与健康对照组比较,抑郁症患者JAK3基因表达增加,STAT1基因表达减少。在Chen等对慢性不可预测轻度应激(Chronic unpredictable mild stress, CUMS)诱导的抑郁小鼠模型中检测到JAK2、STAT3、IL-1β表达量显著高于对照组小鼠[6]。尽管JAK-STAT在抑郁症患者或小鼠模型中的表达尚存争议,但近期的一项蛋白质-蛋白质相互作用的网络分析表明,JAK-STAT信号通路的激活是严重抑郁症免疫障碍的重要途径[7]。
炎症因子是JAK-STAT信号通路的激活剂[8],炎症反应是抗抑郁耐药的另一个重要因素[9],研究发现治疗前出现炎症的抑郁患者对抗抑郁药的反应性降低。炎症介质浓度升高与重度抑郁相关,两者间具有双向调节作用,即炎症通过调节神经发生、多巴胺能、下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴影响重度抑郁症(Major depressive disorder, MDD)的发作、严重程度和症状,MDD通过交感神经系统和HPA轴影响细胞免疫功能,从而改变中枢和外周炎症介质的水平。MDD患者具有不平衡的TLR介导的炎症反应,外周与中枢神经系统中TLR4 mRNA和蛋白水平的增加。TLR是控制炎症细胞募集和炎症反应启动的关键膜受体,在 TLR家族成员中,TLR4 信号通路参与先天免疫反应和适应性免疫反应的调节,并与抑郁症的免疫炎症过程密切相关,是CUMS抑郁小鼠海马炎症的主要参与者。TLR4通过胞内白细胞介素1β(Interlenkin 1β, IL-1β)同源结构域激活,形成MyD88-TLR4复合体,MyD88的死亡结构域与IRAK的死亡结构域结合引起IRAK1和IRAK4的自磷酸化后离开MyD88-TLR4复合体激活TRAF6,TRAF6激活TAK1并促使下游分子IκB 降解,释放NF-κB进入细胞核,从而启动炎症反应免疫相关基因转录,表达与分泌IL-6、TNF-α、IFN-γ炎症因子及无活性的pro-IL-1β,完成炎症反应信号的传递[10](图1)。同时炎症因子会激活JAK-STAT信号通路进而激发一系列的级联反应,加重抑郁患者的免疫障碍(图1)。TLR/JAK-STAT信号途径在抑郁症的发病机制中发挥关键作用,靶向此信号途径用药可能有助于抑郁患者的康复
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 图1 TLR/JAK2-STAT3信号通路导致抑郁的可能的分子机制

Apelin/APJ系统与抑郁症
Apelin受体(Apelin receptor, APJ)编码380个氨基酸,位于人类11q12染色体,是G蛋白偶受体(G protein coupled receptors, GPCRs)A家族成员之一,广泛分布于人体的全身各处,参与免疫、心血管、肿瘤、体液代谢等多种生理功能[11]。ApelinAPLN基因编码,含有77个氨基酸的前原蛋白preproapelin,在ACE2的作用下剪切成成熟的apelin-13、apelin-17、apelin-36、Glu-apelin-13等多肽。Apelin受体的mRNA在下丘脑室旁核(PVN)、杏仁核、齿状回、垂体前叶表达,表明apelin/APJ系统参与调节情绪行为。Apelin/APJ 系统参与压力应答的形式包括[12]:(一)中枢施加(central administration),Glu-apelin-13会导致PVN中神经元活力的指示者c-fos的表达。(二)急性和慢性压力会导致APJ mRNA水平升高。(三)APJ调控HPA轴对一些急性压力的应答,包括LPS挑战(免疫紧张性刺激)、强制游泳(心理紧张性刺激)等。慢性压力是抑郁症重要的诱发因素,这提示 Apelin/APJ系统可能存在抗抑郁作用,但作用机制尚不清楚。Apelin/APJ系统在2012年被首次证明与小鼠抑郁样行为密切相关,2016年提出血清中apelin-13的浓度与帕金森患者发生抑郁症与焦虑症呈正相关[13-14]。在过去二十几年的研究中表明apelin-13/APJ系统主要通过改善下丘脑-垂体-肾上腺轴(hypothalamic–pituitary–adrenal axis ,HPA)、上调脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)等改善大/小鼠抑郁样行为、改善小鼠认知障碍以及逆转慢性社交失败等。至2022年,胡等研究团队表明[15]Apelin-13可能通过激活AMPK/PGC1α/FNDC5/BDNF信号途径抑制神经元的凋亡进而发挥抗抑郁的作用。这对于ApelinAPJ系统在抑郁症中的理解是远远不够的。
现有的研究仅聚焦于Apelin-13单一个内源性配体上,而Apelin受体含有Glu-apelin-13、apelin-17、apelin-36等多个内源性配体,这些内源性配体是否同样具有抗抑郁作用或者在抑郁患者体内是否存在多种内源性配体联合发挥抗抑郁作用尚不清楚。(2)目前的研究仅表明Apelin-13可能通过HPA周、BDNF等途径改善大/小鼠抑郁样行为,是否还存在其他可能的作用机制目前尚未报道。(3)现已证实Apelin/APJ系统参与多种免疫应答且在AD、PD等疾病中通过抑制神经炎症发挥神经保护作用,在抑郁症中是否也会通过减轻免疫炎症缓解抑郁症状尚待诠释。因此提出假设Apelin不同内源性配体(Apelin-13/17/36、Glu-apelin-13)作用于受体后介导β-arrestin调节TLR4/JAK2 -STAT3信号途径改善小鼠抑郁样行为(图2),希望能够为理解Apelin/APJ系统在抗抑郁中的作用机制拓宽思路,为临床联合用药提供线索。
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图2 Apelin/APJ系统改善小鼠抑郁样行为分子机制的假设
主要参考文献
[1] WHO. Depression and Other Common Mental Disorder, Global Health Estimates. 2022, 2017: 10665-254610.
[2] Tao C, Ling C, Ma JG, etal. Molecular mechanisms of rapid-acting antidepressants: New perspectives for developing antidepressants. Pharmacol Res, 2023, 194:106837.
[3] Halaris A, Sohl E, Whitham EA, Treatment-Resistant Depression Revisited: A Glimmer of Hope. J Pers Med, 2021, 11, 155.
[4] Alireza K, Anahid H, Taha V. Revisiting bupropion anti-inflammatory action: involvement of the TLR2/TLR4 and JAK2/STAT3, Inflammopharmacology, 2021, 29 (4):1101-1109
[5] Magorzata G, Janusz S, Kuan PS, et al. Is the JAK-STAT Signaling Pathway Involved in the Pathogenesis of Depression? J Clin Med, 2022, 11(7):2056.
[6] Chen Y, Zhang Y, Wang JY, et al. Anti-neuroinflammation effects of transcutaneous auricular vagus nerve stimulation against depression-like behaviors via hypothalamic α7nAchR/JAK2/STAT3/ NF-κB pathway in rats exposed to chronic unpredictable mild stress, CNS Neurosci Ther, 2023, 29(9):2634-2644.
[7] Maes M, Rachayon M, Jirakran K, et al. The immune profile of Major Dysmood Disorder: Proof of concept and mechanism using the precision nomothetic psychiatry approach, Cells, 2022, 31;11(7):1183.
[8] Fu XY, Sun ZJ, Long QY, et al. Glycosides from Buyang Huanwu Decoction inhibit atherosclerotic inflammation via JAK/STAT signaling pathway, Phytomedicine, 2022,105:154385.
[9] Gara AH, Maria SS, Bianka B, et al. Low-Grade Inflammation as a Predictor of Antidepressant and Anti-Inflammatory Therapy Response in MDD Patients: A Systematic Review of the Literature in Combination With an Analysis of Experimental Data Collected in the EU-MOODINFLAME Consortium, Front Psychiatry, 2019, 10:458.
[10] Gregory MB, Ruslan M. Toll-like receptor signaling pathways, Science, 2003, 300(5625):1524-5.
[11] Tian YJ, Wang RH, Liu L, et al. The regulatory effects of the apelin/APJ system on depression: A prospective therapeutic target, Neuropeptides, 2023, 102:102382.
[12] Jiang YL, Yan MC, Wang CM, et al. The Effects of Apelin and Elabela Ligands on Apelin Receptor Distinct Signaling Profiles, Front Pharmacol, 2021, 12:630548.
[13] Shuang YL, Yao JQ, Hai TW, et al. Centrally administered apelin-13 induces depression-like behavior in mice, Brain Res Bull, 2012, 88(6):574-80.
[14] Ebru GO, Hadim A, Gulay UO, et al. Serum apelin is associated with affective disorders in peritoneal dialysis patients, Ren Fail, 2016, 38(7):1059-66.
[15] Sheng H, Lu H, Bin C, et al. Apelin-13 attenuates depressive -like behaviors induced by chronic unpredictable mild stress via activating AMPK/PGC-1α/ FNDC5/BDNF pathway, Peptides, 2022, 156:170847. 
1. 研究思路创新
相关研究已证实Apelin/APJ系统能通过抗炎、抗凋亡等发挥神经保护作用,而TLR/JAK2-STAT3参与抑郁症炎症反应与免疫失调,但目前尚未有Apelin/APJ系统通过TLR/JAK2-STAT3信号途径发挥抗抑郁作用的报道。因此,本课题聚焦Apelin/APJ系统在中枢神经系统的保护作用机制与TLR/ JAK2-STAT3信号途径在抑郁症发生发展进程的学术前沿研究上,提出Apelin/APJ系统可能通过调节TLR/JAK2-STAT3信号途径发挥抗抑郁作用的假设。
2. 研究技术创新
2.1本课题提出采用多种抑郁细胞模型分项研究Apelin/APJ系统对神经损伤、神经炎症、神经毒性的作用,研究数据准确度与针对性较单一模型更高;
2.2利用APJ-eGFP基因敲入鼠、APJ(-/-)敲除鼠、C57BL/6正常小鼠等,反复验证Apelin/APJ系统的抗抑郁作用,增加了实验数据的科学性。 
技术路线
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拟解决的问题
1. 解决Apelin-13/17/36、Glu-apelin-13是否均具有抗抑郁作用的推测
2. 解决Apelin-13/17/36、Glu-apelin-13是否是通过介导β-arrestin调节TRL4/JAK2 -STAT3信号途径改善小鼠抑郁样行为的分子机制假设
3. 试图为解决抑郁症临床联合用药拓宽思路与见解
预期成果
1.明确Apelin13/17/36、Glu-apelin-13作用于APJ后通过减轻神经损伤、降低神经炎症、减少神经毒性进而发挥抗抑郁作用;
2. 明确(Apelin13/17/36、Glu-apelin-13)/APJ系统是通过介导β-arrestin调节TLR4/JAK2-STAT3信号通路发挥抗抑郁作用的分子机制;
3. 预期发表高质量论文1篇。 
2025.06-2025.12:利用BRET、Co-IP等技术在HEK293T细胞中探讨Apelin-13/17/36、Glu-apelin-13作用下APJβ-arrestin的作用机制;
2026.01-2025.06:利用MTT、RTCA、FCM、RT-PCR、Western blot、Co-IP等技术研究PC12、BV2、SH-SY5Y细胞模型的细胞活力、细胞凋亡、氧化应激、炎症因子(TNF-α IL-6等)与APJ、β-arrestin1/2、TLR4、JAK2、p-JAK2等相关蛋白的表达变化;
2026.07-2026.12:采用CUMSC57BL/6小鼠、APJ-eGFP基因敲入鼠、APJ(-/-)敲除鼠进行造模,利用糖水偏好实验、监测体重变化、悬尾实验、强迫游泳与旷场实验观察小鼠行为学变化;
2027.01-2027.06:利用RT-PCR、Western blot、TUNEL染色等技术检测抑郁小鼠炎症因子、APJ、β-arrestin1/2、TLR4、JAK2、p-JAK2等相关蛋白的表达变化与分布;发表本课题相关文章。 
本项目依托在指导老师的研究课题之上,指导老师前期实验结果表明,Apelin受体在不同内源性配体作用下对G蛋白依赖的信号通路与β-arrestin依赖的信号通路存在差异性,相对于Apelin-13,Apelin-17偏向于β-arrestin依赖的信号通路。Apelin受体C末端不同磷酸化位点对于β-arrestin的结合也存在差异,前期研究表明,Apelin-13作用于APJ后引起的第348位丝氨酸磷酸化是介导β-arrestin结合的关键位点,但仅限于Apelin-13配体;近期实验数据表明,Apelin-13/17/36、Glu-apelin-13、ELA-21/32等六个不同的激动剂分别作用于APJ后均能引起第351位丝氨酸磷酸化,将351位丝氨酸突变为丙氨酸后会显著降低受体与β-arrestin1/2结合,进一步阻断β-arrestin介导的信号通路。由于本课题探讨Apelin/APJ系统介导β-arrestin调节TLR4/JAK2-STAT3信号通路是否改善小鼠抑郁样行为的分子机制,因此首先探讨了APJ受体与β-arrestin的相互作用关系,由于选用多种激动剂分别刺激,数据信息较多,在此仅呈现部分激动剂预实验结果,详见图1、图2、图3。
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 图1(A)课题申请人自2011年至今对Apelin/APJ系统的研究进展;(B)Apelin受体C末端磷酸化位点进行定点单突变与组合突变;(C)PCR、生工测序、荧光显微镜观察与BRET数据表明,APJ突变体构建正确,可后续实验。
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图2:BRET检测不同配体介导APJβ-arrestin的相互作用关系
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图3:免疫荧光与APJβ-arrestin的相互作用;(A-B)免疫荧光检测发现APJβ-arrestin1/2在激动剂作用15 min时开始结合,30 min后受体出现内吞现象,60 min后受体循环至细胞膜,与上述BRET数据结果一致。
在初步检测到APJβ-arrestin相互作用的时间点与APJ受体C末端与β-arrestin结合的关键磷酸化位点后,继续探讨了APJ是如何通过β-arrestin调节TLR4/JAK2-STAT3信号途径发挥抗抑郁作用以及受体C末端关键磷酸化为带你是否会影响β-arrestin对TLR4/JAK2 -STAT3信号通路的调控。

本实验室为“山东省高校神经生物学”、“山东省十三五重点实验室”、“山东省泰山学者海外特聘专家实验室”。实验室设备齐全,管理系统完善。设有美国Stoelting 脑立体定位仪、荧光共振能量转移、SP8 激光共聚焦显微镜、活体光学成像系统、实时细胞分析系统、生物发光共振能量转移、全内反射荧光显微镜、real-time PCR 仪流式细胞仪等;设有细胞培养室、分子生物学准备室、SPF级动物房及普通动物房等。基本能够保证各项实验的顺利开展。

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 13000.00 7000.00
1. 业务费 8000.00 3000.00 5000.00
(1)计算、分析、测试费 3000.00 合成引物、测序 3000.00 0.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(5)论文出版费 5000.00 专家外审费、版面费 0.00 5000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 12000.00 实验所需试剂、耗材、抗体、试剂盒等 10000.00 2000.00
结束