金迪 吳慧民 何標 王運良



摘要: 探討PGC-1a/FNDC5/BDNF信號通路在運動改善APP/PS1小鼠認知功能障礙中的作用機制。選用12只4月齡APPswe/PS1轉基因雄性小鼠和12只同窩野生型小鼠,隨機分AD對照組(AD-C,n=6)、AD運動組(AD-E,n=6)、野生對照組(WT-C,n=6)和野生運動組(WT-E,n=6)。WT-C組和AD-C組小鼠安靜飼養,WT-E組和AD-E組進行10周中等強度跑臺運動干預。采用Western blot法檢測實驗小鼠海馬PGC-1a、FNDC5、BDNF和Aβ蛋白表達情況。結果表明:與AD-C組小鼠相比,AD-E組小鼠海馬內Aβ蛋白表達水平顯著下(P<0.01),PGC-1a蛋白表達水平顯著上升(P<0.01),FNDC5蛋白表達水平顯著上升(P<0.01),BDNF蛋白表達顯著上升(P<0.01),Aβ蛋白含量顯著下降(P<0.01)。由此得到如下結論:長期中等強度的有氧運動激活APP/PS1小鼠海馬PGC-1a/FNDC5/BDNF信號通路,降低海馬區Aβ蛋白表達,改善APP/PS1小鼠空間學習記憶能力。
關鍵詞:阿爾茨海默病;運動;PGC-1a/FNDC5/BDNF信號通路;Aβ
中圖分類號:G804.7文獻標志碼:A文章編號: 1001-2443(2024)01-0085-06
引言
阿爾茨海默病(Alzheimers disease,AD)又稱老年癡呆癥,是一種多發于老年人群的慢性神經退行性疾病,以學習記憶能力持續下降以及生活能力的減退為主要臨床癥狀,以老年斑、神經纖維纏結、神經元異常丟失為主要病理特征[1]。AD致病機制復雜,其確切的發病機制仍待進一步闡明,但普遍認為是多種致病因素引起的,遺傳、生活方式、衰老等因素均可導致AD的發生。截止目前尚無有效治療AD的藥物,因此,尋求一種有效預防和治療AD的策略顯得尤為重要[2]。已有的人體實驗及動物實驗均已證實, 積極的運動干預可改善AD患者認知功能,延緩AD病理進程,但運動改善AD患者認知功能,延緩AD病理進程的分子機制仍待進一步闡明[3]。
在AD病理進程中,腦源性神經營養因子 (brain derived neurotrophic factor, BDNF)參與調節AD病理,BDNF可有效抑制AD病理進程,改善AD小鼠的認知功能。研究發現,BDNF、過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子-1a(peroxisome proliferators-activated receptor-γ coactivator-1alpha,PGC-1α)和含有III型結構域的纖連蛋白5(fibronectin type Ⅲ domain-containing protein 5,FNDC5)與運動以及AD病理進程之間存在潛在聯系[4]。腦內PGC-1α/FNDC5/BDNF信號通路參與調節AD的病理進程,但運動通過調節PGC-1a/FNDC5/BDNF信號通路改善AD的研究較少,且分子機制也尚不清晰[5]。目前因此,本研究探討運動是否通過激活海馬PGC-1α/FNDC5/BDNF信號通路,減少海馬內β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein,Aβ)含量、延緩AD病理進程的作用。
2 實驗材料與方法
2.1 實驗動物
選用的4月齡APPswe/PS1dE9雙轉基因雄性小鼠和同窩野生型小鼠(C57BL/6)均購自南京模型動物研究中心(南京青龍山動物實驗基地),小鼠飼養于標準動物房,分籠飼養,室溫控制在22±2°C,室內濕度控制在40-60%之間,在飼養、訓練和處死過程中嚴格遵循安徽師范大學動物實驗倫理委員會的相關倫理規范。
2.2 實驗分組
所有實驗小鼠均進行適應性飼養1周,運動干預前將所有實驗的小鼠隨機分為4組,即APP/PS1雙轉基因小鼠分為轉基因對照組(AD-C組)和轉基因運動組(AD-E組),同窩野生型小鼠分為正常對照組(WT-C組)和正常運動組(WT-E組),每組6只。運動組小鼠進行10周的運動干預,對照組小鼠不進行運動干預,常規分籠飼養。
2.3 運動方案
本實驗運動方案的制定參考學者Baker等人[6]的研究,在此基礎上做出適當優化,運動方案結合AD患者現實生活中的實際情況,運動干預方案為10周中等強度的跑臺訓練(最大攝氧量的45%-55%)。運動分為運動適應階段和正式訓練階段,運動適應階段后的下一周立即進行正式訓練。運動適應階段具體的安排是:第一周進行適應性訓練,周一至周五的訓練時間為15分鐘,跑臺坡度0°。正式訓練階段:周一至周五進行訓練,周六和周日休息,每天訓練時間為45分鐘,跑臺速度由5m/min逐漸增至12m/min,為符合小鼠的生活習慣,跑臺訓練時間固定在每天的18:00—20:00時間段。
2.4 組織取材
10周運動干預結束后,所有小鼠禁食12小時,隔日進行組織取材。脫頸處死所有實驗小鼠,剪開頭皮和顱骨后迅速取出左右海馬,用錫箔紙進行包裹,迅速放入液氮中暫時保存,取材全部結束后將組織放入-80℃超低溫冰箱進行長期冷凍保存。
2.5 Western Blot法檢測小鼠海馬PGC-1a、FNDC5、BDNF和Aβ蛋白表達情況
取海馬按1∶7的比例加入混有PMSF的裂解液,勻漿3-4次,低溫離心,取上清,BCA試劑盒測定蛋白濃度,用SDS-PAGE進行凝膠電泳,后用PVDF轉膜,孵一抗,4℃搖床過夜,次日孵二抗,TBST搖床清洗, ECL暗室顯影,用AIpha成像系統曝光,ImageJ1.46進行灰密度值分析,將目的蛋白與內參平均密度的比值作為目的蛋白相對表達水平。
2.6 數據統計與分析
所獲數據用平均數±標準差(Mean±SD)的形式表示,進行雙因素方差分析,分析每個因素的主效應和2個因素間的交互作用;P<0.05表示為差異具有顯著性,P<0.01表示為差異具有極顯著性。
3 研究結果
3.1 有氧運動對小鼠海馬內Aβ蛋白表達結果比較
如表1所示, Western blot實驗結果顯示,與WT-C組小鼠相比,AD-C組小鼠海馬Aβ蛋白表達高于WT-C組,呈現極顯著性差異(P<0.01),WT-E組小鼠海馬Aβ蛋白表達低于WT-C組,呈現顯著性差異(P<0.05);與AD-C組小鼠相比,WT-E組小鼠海馬Aβ蛋白表達低于AD-C組,呈現極顯著性差異(P<0.01),AD-E組小鼠海馬Aβ蛋白表達低于AD-C組,呈現極顯著性差異(P<0.01),見圖1。
3.2 有氧運動對PGC-1a/FNDC5/BDNF信號通路的影響
3.2.1 有氧運動對小鼠海馬PGC-1a蛋白表達的影響 如表1所示, Western blot實驗結果顯示,與WT-C組小鼠相比,AD-C組小鼠海馬PGC-1a蛋白表達低于WT-C組,呈現極顯著性差異(P<0.01),WT-E組小鼠海馬PGC-1a蛋白表達水平呈上升趨勢,但差異沒有顯著性(P>0.05);與AD-C組小鼠相比,WT-E組小鼠海馬PGC-1a蛋白表達高于AD-C組,呈現極顯著性差異(P<0.01),AD-E組小鼠海馬PGC-1a蛋白表達高于AD-C組,呈現極顯著性差異(P<0.01),見圖2。
3.2.2 有氧運動對小鼠海馬FNDC5蛋白表達的影響 表1所示, Western blot實驗結果顯示,與WT-C組小鼠相比,AD-C組小鼠海馬FNDC5蛋白表達低于WT-C組,呈現極顯著性差異(P<0.01),WT-E組小鼠海馬FNDC5蛋白表達水平呈上升趨勢,但差異沒有顯著性(P> 0.05);與AD-C組小鼠相比,WT-E組小鼠海馬FNDC5蛋白表達高于AD-C組,呈現極顯著性差異(P<0.01),AD-E組小鼠海馬FNDC5蛋白表達高于AD-C組,呈現極顯著性差異(P<0.01),見圖3。
3.2.3 有氧運動對小鼠海馬BDNF蛋白表達的影響 如表1所示, Western blot實驗結果顯示,與WT-C組小鼠相比,AD-C組小鼠海馬BDNF蛋白表達低于WT-C組,呈現極顯著性差異(P<0.01),WT-E組小鼠海馬BDNF蛋白表達水平呈上升趨勢,但差異沒有顯著性(P> 0.05);與AD-C組小鼠相比,WT-E組小鼠海馬BDNF蛋白表達高于AD-C組,呈現極顯著性差異(P<0.01),AD-E組小鼠海馬BDNF蛋白表達高于AD-C組,呈現極顯著性差異(P<0.01),見圖4。
4 討論
AD可分為家庭性癡呆和散發性癡呆,生活中出現的癡呆大多數表現為散發性癡呆。家族性AD主要病因是由于腦內早老蛋白1(presenilin-1,PS1)、早老蛋白2(presenilin-2,PS2)和淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)的基因突變,導致海馬區Aβ異常聚集以及神經纖維糾纏結的形成;散發性AD主要病因與Aβ細胞外異常沉積、tau蛋白在細胞內形成神經纖維糾纏結、氧化應激反應、炎癥反應等因素密切相關[7]。Aβ級聯學說認為Aβ主要是由神經元產生,主要是通過β-分泌酶和γ-分泌酶對APP水解后形成,Aβ主要存在Aβ40、Aβ42、Aβ38和Aβ37四種亞型,人腦中最常見的Aβ亞型主要有Aβ40和Aβ42,其中Aβ40在腦脊液和血液中的表達含量水平較高,Aβ40和Aβ42具有神經毒副作用,導致神經元異常丟失,誘發學習記憶障礙[8]。AD亦成為危害老年身心健康的主要疾病之一,因此,探尋有效的防治方案,成為亟待解決的問題。
早期的研究證明,運動可有效抑制APP/PS1轉基因小鼠的病理進程,降低APP/PS1轉基因小鼠海馬Aβ含量[9]。近年也有研究對運動、Aβ和AD病理機制之間的潛在分子機制進行探討,基本得出較為一致的研究結果,即規律的體育鍛煉可以有效延緩AD的病理進程[10- 11]。Liu等[12]研究發現,3個月的跑臺運動顯著降低APP/PS1轉基因小鼠海馬Aβ42含量,顯著提高APP/PS1轉基因小鼠的行為能力。Xia 等[13]研究發現,3個月的跑臺運動顯著降低3月齡APP/PS1轉基因小鼠海馬Aβ斑塊面積和可溶性Aβ的含量,同時也顯著降低海馬β-分泌酶和PS1蛋白表達水平。Liang等[14]研究發現,3個月的跑臺運動可通過提高星形膠質細胞的功能加速AD模型小鼠海馬內Aβ降解和清除速率,降低Aβ斑塊面積,改善AD模型小鼠空間學習記憶能力。本研究發現,10周跑臺運動可顯著減輕APP/PS1轉基因小鼠海馬Aβ蛋白表達水平,延緩AD的病理進程。房國梁等[15]研究證實,為期8周的有氧運動可增強APP/PS1小鼠皮質和海馬PI3K/Akt信號通路的活性,降低BACE1的含量,促進APP蛋白的降解,減輕APP/PS1小鼠海馬內Aβ42聚集,抑制APP/PS1小鼠海馬老年斑的形成。以上研究結果表明,長期中等強度的運動干預可降低AD小鼠海馬Aβ蛋白表達水平,延緩AD的病理進程。
運動作為干預治療AD的一種有效方式,已有的研究已經證實運動可抑制AD患者或AD模型小鼠海馬Aβ沉積水平,減少老年斑的數量,但其確切的機制尚不明了。PGC-1α作為一種重要的線粒體能量代謝調節因子,可通過FNDC5調節腦內BDNF表達,起到神經保護的作用。PGC-1a/FNDC5/BDNF信號通路可能通過外周機制或中樞機制改善AD病理進程,提高AD學習記憶能力[16]。但運動是否通過PGC-1a/FNDC5/BDNF信號通路改善AD仍需要進一步的探討。有研究發現運動可激活PGC-1a/FNDC5/BDNF信號通路,改善抑郁癥的病理癥狀[17]。Wrann等[4]研究發現,小鼠敲除FNDC5基因后,海馬BDNF蛋白表達水平顯著下降,而上調小鼠FNDC5基因表達后,小鼠海馬BDNF表達水平顯著上。Liu等[12]研究發現,5個月的跑臺運動可通過上調AD模型小鼠的BDNF表達提高突觸長時程作用(Long-term potentiation,LTP)增強,改善AD模型小鼠海馬的突觸可塑性。余鋒[18]研究中發現,16周的自主跑輪運動可通過上調APP/PS1轉基因小鼠海馬BDNF和神經生長因子(nerve gowth factor,NGF)表達水平,抑制海馬Aβ的生成,改善AD小鼠學習記憶能力。
肌肉作為人體重要組織,不僅參與人體日常獲得和體育運動,還是重要的分泌器官,肌組織可以分泌多種運動因子,調節機體多種功能,PGC-1α作為重要的肌肉因子,運動可激活腦和骨骼肌中PGC-1α的表達,Steiner等[19]研究發現,8周的跑臺運動顯著提高小鼠腦內PGC-1α表達水平,促進大腦線粒體的生物發生。先前的研究發現,AMPK作為重要的代謝調節因子之一,同時也是PGC-1α的重要上游調節因子,AMPK可直接激活骨骼肌中的PGC-1α[20]。Marosi等[21]研究發現, 15周的中等強度跑臺運動顯著提高Wistar大鼠海馬內p-AMPK水平,進而上調Wistar大鼠海馬PGC-1α的蛋白表達。此外,Azimi等[22]發現,4周的跑臺運動提高 AD小鼠腦PGC-1α和FNDC5蛋白表達,抑制AD小鼠海馬Aβ沉積水平,改善AD小鼠學習和記憶障礙。
FNDC5參與運動改善AD病理進程,在腦及骨骼肌中,FNDC5是PGC-1a的依賴性因子,PGC-1a表達增加可提高FNDC5的表達[23]。FNDC5可能參與抑制Aβ病理進程,而運動也可通過PGC-1α途徑誘導小鼠海馬FNDC5蛋白表達增加,從而利于對AD的預防[24]。先前研究發現,運動可提高肌肉或腦內FNDC5蛋白表達水平,Lourenco等[16]8研究證實,外周過表達FNDC5/Irisin可顯著改善AD學習記憶障礙,而腦內FNDC5/Irisin表達下降會降低運動對AD小鼠海馬突觸可塑性和記憶功能的保護作用,表明FNDC5/Irisin可能是運動改善AD學習記憶能力的重要介質。Hegazy等[25]研究發現,游泳運動可提高AD大鼠海馬FNDC5/Irisin蛋白表達水平,進一步抑制Aβ42和磷酸化tau蛋白的積累,促進胰島素信號傳導、BDNF蛋白和認知功能的改善,并相應減輕AD大鼠的認知功能障礙。Belviranl?等[5]13研究發現,3個月的跑臺運動顯著上調老年Wistar大鼠海馬內PGC-1、FNDC5和BDNF蛋白表達,改善老年Wistar大鼠的學習記憶能力,表明運動改善認知功能障礙可能與海馬PGC-1α、FNDC5和BDNF表達增加有關。本研究通過檢測各組小鼠海馬內PGC-1α、FNDC5和BDNF的蛋白表達,結果發現,APP/PS1小鼠海馬PGC-1a、FNDC5和BDNF蛋白表達顯著低于野生型小鼠,表明隨著年齡的增加,APP/PS1小鼠呈現出明顯的病理特征,導致海馬內PGC-1a蛋白表達水平降低,下調FNDC5和BDNF蛋白表達水平。而經過10周的運動干預,運動組小鼠海馬PGC-1a、FNDC5和BDNF蛋白均顯著上升,提示有氧運動干預可顯著上調APP/PS1小鼠海馬PGC-1a、FNDC5和BDNF的含量,改善AD病理狀態。此外,Wrann和Belviranl?等人也得出相一致的研究結果[4]31。LeeG等[8]55研究發現,12周的有氧和抗阻聯合運動提高運動大鼠海馬及皮層PGC-1α、FNDC5和BDNF的蛋白表達水平,降低海馬內Aβ沉積水平,有效改善模型大鼠的心肺功能、肌肉耐力和短期記憶能力。Wrann等[4]38研究也發現,耐力運動可以通過激活海馬PGC-1a/FNDC5途徑來誘導BDNF的表達,從而改善認知功能。本研究與上述研究相一致。
5 結論
APP/PS1小鼠海馬Aβ含量顯著增加,海馬PGC-1α/FNDC5/BDNF信號通路關鍵蛋白表達下降,而10周中等強度的跑臺運動通過激活海馬PGC-1α/FNDC5/BDNF信號通路減輕APP/PS1小鼠海馬Aβ含量,延緩AD的病理進程。
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The Mechanism of Treadmill Exercise Activating PGC-1a / FNDC5 / BDNF Pathway Delaying the Pathological Process of APP/PS1 Mice
JIN Di1,2, WU Hui-min1, HE Biao1, WANG? Yun-liang1
(1. College of Physical Education, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China; 2 Anhui Provincial Student Physical Health Monitoring and Research Center, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China)
Abstract: objective: to explore the mechanism of exercise-induced PGC-1a/FNDC5/BDNF signaling pathway in cognitive impairment in APP/PS1 mice. Methods: twelve 4-month-old male APPswe/PS1 transgenic mice and 12 littermates of wild-type mice were selected, and randomly divided into AD control group (AD-C, N = 6) , AD exercise group (AD-E, N = 6) , wild control group (WT-C, N = 6) and wild exercise group (WT-E, N = 6) . Mice in WT-C and AD-C groups were reared quietly, and mice in WT-E and AD-E groups were subjected to 10-week moderate intensity treadmill exercise intervention. Western blot was used to detect the expression of PGC-1a, FNDC5, BDNF and Aβ protein in the hippocampus of mice. Results: compared with AD-C group,in AD-E group, the expression level of Aβ protein was significantly decreased(P<0.01) , the expression level of PGC-1a protein was significantly increased(P<0.01), and the expression level of FNDC5 protein was significantly increased(P<0.01) , the expression of BDNF protein was significantly increased(P<0.01),while the content of AΒ protein was significantly decreased (P<0.01). Conclusion: long-term moderate intensity aerobic exercise can activate PGC-1A/FNDC5/BDNF signaling pathway in hippocampus of APP/PS1 mice, decrease the expression of Aβ protein in hippocampus, and improve the ability of spatial learning and memory of APP/PS1 mice.
Key words: Alzheimer's disease; exercise; PGC-1a/FNDC5/BDNF signaling pathway; Aβ
(責任編輯:葉松慶)
收稿日期:2023-06-19
基金項目:安徽省自然科學研究項目(1908085MC89;2108085MH265);安徽省教育廳自然科學研究重點項目(KJ2018A0318).
作者簡介:金迪(1985—),女,安徽阜陽市人,碩士,講師,主要研究方向為體育鍛煉與身心健康;通訊作者:何標(1982—),男,安徽淮北市人,博士,副教授,碩士生導師,主要研究方向為體育鍛煉與身心健康.
引用格式:金迪,吳慧民,何標,等.運動激活PGC-1a/FNDC5/BDNF通路延緩APP/PS1小鼠病理進程的機制研究[J].安徽師范大學學報(自然科學版),2024,47(1):85-90.