阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是一种进行性不可逆的神经退行性疾病,但其病理机制还未探明。有研究报道指出,早老素1(presenilin1, PS1)和早老素2(presenilin2, PS2)的基因突变会改变γ分泌酶在淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein, APP)上的剪切位点,使Aβ42的产生增加,从而导致携带这些突变基因的个体表现出AD症状。而本课题所采用的PS1和PS2条件性双基因敲除小鼠(presenilin1/2conditional double knockout mice, PS cDKO mice.简称DKO mice)虽表现出脑部萎缩,脑室扩大,神经纤维缠结等AD症状,但并未产生Ap的沉积,这表明DKO小鼠表现出AD样症状,具有其它的病理机制。本课题将离体脑片电生理学、整体行为学与分子生物学等技术相结合,分析了PS1和PS2条件性双基因敲除小鼠中Notch. ErbB4信号以及组蛋白乙酰化的变化。并进一步研究了丰富环境和丁酸钠处理对PS1和PS2条件性双基因敲除小鼠突触可塑性和记忆的影响及其影响机制。主要的研究结果如下：1.PS1和PS2双基因敲除损伤小鼠海马突触可塑性和记忆1)PS1和PS2双基因敲除对小鼠海马脑区基本突触传递和长时程突触可塑性的影响：采用离体脑片场电位记录技术,记录海马CA3-CA1通路的场兴奋性突触后电位。结果显示,与同窝野生型对照小鼠相比,6月龄DKO小鼠的刺激强度-反应曲线和双脉冲易化反应显著受损,长时程增强(Long-term potentiation, LTP)显著受损。2)PS1和PS2双基因敲除对小鼠海马依赖记忆的影响：采用水迷宫空间参考记忆、空间工作记忆和场景恐惧记忆测试任务对小鼠海马依赖的记忆功能进行检测。结果显示,与同窝野生型对照小鼠相比,DKO小鼠海马依赖的空间参考记忆、空间工作记忆和厌恶性场景恐惧记忆显著受损。3).PS1和PS2双基因敲除损伤小鼠突触可塑性和记忆的机制：Western blotting的分析发现:a)DKO小鼠海马脑区NMDA受体(N-甲基-D-天门冬氨酸, N-methyl-D-aspartic acid receptor, NMDAR)的NR2A和NR2B亚基的表达显著降低,AMPA受体(a-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑-丙酸受体,A-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxa-zolep-propionate receptor, AMPAR)的GluRl和GluR2亚基的表达也显著下降。b)DKO小鼠海马区的一种组蛋白乙酰化酶-CREB-binding protein (CBP)的表达显著下调,CBP依赖的组蛋白H3(AcH3K27和AcH3K56)乙酰化水平显著下降,而CBP非依赖的组蛋白H3(AcH3K9)乙酰化水平未发生显著的变化。此外,组蛋白去乙酰化酶(HDAC1和HDAC2)的表达并未发生显著变化。c)DKO小鼠海马区受CBP调控的BDNF的表达显著减少。d)DKO小鼠海马区Notch2蛋白胞内片段的表达显著增加,受Notch调控的HES1的表达未发生显著变化,表明DKO小鼠海马区增多的Notch2胞内片段可能是未成熟的前体。而ErbB4蛋白胞内片段的表达未发生显著的变化。2.丰富环境处理逆转PS1和PS2条件性双基因敲除小鼠海马突触可塑性和记忆的损伤丰富环境处理(Environmental enrichment,EE)已被报道能够改善AD模型的突触可塑性和记忆,提高组蛋白乙酰化水平,但是,其机制尚未探明。为此,我们深入研究了EE处理对DKO小鼠海马突触可塑性和记忆的影响及其机制。研究结果表明：1)EE处理逆转了DKO小鼠海马CA3-CA1通路LTP的损伤。2)EE处理逆转了DKO小鼠海马依赖的空间参考记忆、空间工作记忆以及厌恶性场景恐惧记忆的损伤。3)EE处理逆转DKO小鼠突触可塑性和记忆损伤的机制：a)EE处理增加了DKO小鼠海马区NMDA受体的NR2A和NR2B亚基的表达,并提高了AMPA受体的GluR1和GluR2亚基的表达。b)EE处理逆转了DKO小鼠海马区CBP表达的减少和CBP依赖的组蛋白H3(AcH3K27和AcH3K56)乙酰化水平的降低,但并不影响CBP非依赖的组蛋白H3乙酰化(AcH3K9)水平,也未改变DKO小鼠海马区组蛋白去乙酰化酶HDAC1和HDAC2的表达,这表明EE处理提高DKO小鼠海马区组蛋白乙酰化水平是通过提高CBP的表达,而不是减少组蛋白去乙酰化酶的表达实现的。c)EE处理逆转了DKO小鼠海马区CBP依赖的BDNF表达的减少。3.腹腔注射丁酸钠逆转PS1和PS2条件性双基因敲除小鼠突触可塑性和记忆损伤丁酸钠,作为一种广谱的组蛋白去乙酰化酶抑制剂,是否会逆转DKO小鼠海马区组蛋白乙酰化水平的减少呢?是否会逆转DKO小鼠突触可塑性和记忆的损伤呢?我们的研究发现：1)丁酸钠处理逆转了DKO小鼠海马CA3-CA1通路的刺激强度-反应曲线和双脉冲易化反应的损伤,也逆转了DKO小鼠海马CA3-CA1通路LTP的损伤。2)丁酸钠处理逆转了海马依赖的空间参考记忆、空间工作记忆和厌恶性场景恐惧记忆的损伤。3)丁酸钠处理逆转DKO小鼠突触可塑性和记忆损伤的机制：a)丁酸钠处理增加了DKO小鼠海马区NMDA受体的NR2A和NR2B亚基的表达,也增加了AMPA受体的GluR1和GluR2亚基的表达。b)丁酸钠处理增加DKO小鼠海马区组蛋白H4K12位点乙酰化水平,并逆转DKO小鼠海马区组蛋白H3K27和K56位点乙酰化水平的减少。有趣的是,丁酸钠处理也逆转了DKO小鼠海马区CBP的表达减少,而组蛋白去乙酰化酶HDAC1和HDAC2的表达未发生显著的变化。这表明,组蛋白H3K27和H3K56乙酰化水平增加可能是由于丁酸钠处理使CBP表达增加导致的,而不是HDAC1和HDAC2的表达减少导致的,这也是首次报道丁酸钠可以增加CBP的表达。c)丁酸钠处理逆转了DKO小鼠海马区CBP依赖的BDNF表达的减少。综上所述,PS1和PS2双基因敲除使小鼠海马脑区CBP的表达减少,CBP依赖的组蛋白乙酰化水平降低及BDNF的表达减少,这可能是DKO小鼠突触可塑性和记忆受损的表观遗传学机制。此外,DKO小鼠海马区NMDA受体和AMPA受体的表达减少可能是DKO小鼠突触可塑性和记忆受损的另一个更直接的原因。而且,丰富环境和丁酸钠处理可以通过逆转DKO小鼠表观遗传学机制的变化及NMDA受体和AMPA受体表达的减少,改善DKO小鼠的突触可塑性和记忆。我们的研究发现为AD的病因和防治提供了新的分子机制和新的启示。