2023/9/18 17:10:31 阅读：116 发布者：
原文题目：Circadian modulation by time-restricted feeding rescues brain pathology and improves memory in mouse models of Alzheimer’s disease
通讯作者：Paula Desplats
隶属单位：加州大学圣地亚哥分校神经科学系
DOI：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.07.014
阿尔茨海默病（AD）是一种毁灭性的神经退行性疾病，影响着6多万受苦的美国人及其家人的生活，也是美国即将面临的最大健康挑战。除了大脑中β淀粉样蛋白 （Aβ） 和磷酸化 tau （pTau） 蛋白的积累外，昼夜节律紊乱是超过 80% 的 AD 患者的常见主诉，表现为睡眠/觉醒周期和行为的改变，例如夜间认知障碍和意识模糊增加（也称为日落），以及入睡和保持睡眠困难。这些因素是养老院安置的主要原因，也与生存率下降有关。延缓AD进展的治疗仍然难以捉摸;因此，延长患者独立性和日常功能的方法可能会对临床护理产生重大影响。
新出现的证据，包括我们小组的研究，表明AD的昼夜节律改变在疾病进展中发生的时间比先前估计的要早，并且可能直接加重病理。昼夜节律静息活动模式在AD的临床前阶段是分散的，昼夜节律活动模式减弱会增加痴呆的风险，并在认知障碍之前几年。然而，介导AD昼夜节律失调的途径及其调节方式尚未明确。
昼夜节律（约24小时）时钟通过严格调控的转录程序协调生理和行为的日常时间组织。此外，时钟转录因子可以调节核心时钟之外的下游靶标，从而在高达50%的转录组中施加节律性。细胞自主时钟存在于不同的大脑区域，包括那些受AD严重影响的区域，如海马体和额叶皮层。时钟失调与健康状况不佳和AD风险因素有关，包括糖尿病，心血管疾病，炎症和睡眠障碍。
图1：AD小鼠显示睡眠，活动，昼夜节律和脑转录的改变
小鼠大脑中核心生物钟基因Bmal1和Per1的缺失会引发突触变性，皮质连接受损，氧化损伤，行为异常和记忆障碍，突出了昼夜节律改变对认知功能和神经元活力的影响。将生物钟调节作为改善健康结果的策略正在获得动力。特别是，即使在没有功能性中央生物钟的情况下，每日进食/快速周期也为代谢和行为功能的同步提供了强烈的刺激。我们最近证明，限时喂养（TRF;6小时喂养，18小时快速周期）可以改善亨廷顿舞蹈症小鼠模型中的睡眠/觉醒周期、运动表现和炎症。
此外，应用类似的“限时进食”范式的人体研究表明，皮质醇的昼夜模式以及血液中生物钟基因和自噬标志物的表达发生了变化。TRF传达观察到的益处的机制尚不清楚，并且可能是多效性的。TRF带来的改变可能是由代谢物相互作用，生物能量途径反应，昼夜节律时间和强度的调节，表观遗传修饰以及对食物预期活动和奖励回路的影响引起的。
图2:限时喂养诱导AD小鼠代谢变化，调节脑转录，拯救行为和睡眠
在这项研究中，我们确定了 APP23 转基因 （TG） 小鼠模型中的进行性昼夜节律中断，包括过度清醒、行为昼夜节律改变、多动以及与海马体中 AD 病理学和神经炎症相关的许多基因的日常表达模式严重失调。我们评估了疾病早期生物钟的调节是否能减轻行为和转录改变并改善病理。我们报告说，TRF协议将食物获取限制在6小时 - 与活动期一致 - 改善了昼夜运动活动模式和行为昼夜节律，并在没有热量限制的情况下增加了总睡眠。TRF使APP23 TG小鼠海马体中与AD，神经炎症，脂质加工和自噬相关的基因的转录模式正常化。至关重要的是，TRF对神经病理学有重大影响，经过治疗的APP23 TG小鼠显示出斑块负荷和淀粉样蛋白沉积的显着减少，以及AD循环生物标志物的逆转。此外，该TRF方案可有效减少APPKNOCKIN（APP-KI）小鼠模型中的淀粉样蛋白负荷并改善记忆力，该模型表现出更具侵略性的疾病进展。总体而言，我们的结果表明，TRF的应用可以预防导致小鼠模型中AD病理学的行为，认知和分子破坏。睡眠和日常活动模式的中断在AD患者中非常普遍，新数据表明这些变化发生在疾病进展的早期，可能代表因果因素而不是神经变性的后果。
在这里，我们证明了基于TRF的昼夜节律干预在两种AD小鼠模型中挽救病理和行为的有效性。我们提供了充足的证据证明TRF治疗在调节行为和睡眠，使与AD和神经炎症相关的特定途径中的海马基因表达正常化以及改善记忆缺陷方面的多效性作用。重要的是，我们的结果表明，TRF可以通过减缓淀粉样蛋白病理学的进展来改变疾病轨迹，这可以通过减少斑块负荷，减缓淀粉样蛋白沉积速率和增加Aβ42清除率来证明。虽然TRF在同步和加强肝脏等代谢中枢的昼夜节律性方面的作用是众所周知的，但我们的研究首次表明，在AD模型中通过TRF进行昼夜节律调节具有调节触发神经变性的关键途径的能力。除了增加总睡眠和解决类似日落的多动症外，TRF还特别改善了日常睡眠期开始时的睡眠。AD 患者最常见的睡眠障碍包括白天过度嗜睡、日落后激越行为和睡眠中断，包括入睡和保持睡眠困难（睡眠碎片化），所有这些都与认知能力下降和白质体积减少有关。
图3:TRF对海马转录和基因表达昼夜节律的影响
这些改变被视为睡眠和觉醒昼夜节律组织的破坏，据报道，这些变化会增加Aβ的积累。同时，Aβ积累以及由此产生的神经元和突触损伤可以在AD的临床前阶段驱动睡眠障碍和生物钟功能障碍，从而助长AD病理学和昼夜节律中断之间的恶性循环。在这里，我们表明APP23 TG小鼠在食欲素信号通路调节的基因中失去了昼夜振荡，这可能部分解释了我们在小鼠中观察到的过度兴奋和睡眠减少。食欲素是一种在海马体中表达的节律性神经递质，可调节睡眠、兴奋性、奖励和动机行为。值得注意的是，食欲素及其受体在 AD 患者中减少，导致睡眠障碍。在几种AD小鼠模型中已经报告了光输入通路的损伤，
但在这项研究中，APP23 TG小鼠对光的反应是完整的，这表明观察到的昼夜节律损伤不是光输入缺陷的结果。根据TRF作为同步刺激（时代精神），我们看到了对TRF的节律行为和转录组变化。这可能对 AD 患者具有重要意义，因为已经报告了视网膜和光输入通路的病理，并可能导致光反应障碍和昼夜节律功能障碍。虽然光疗可以帮助一些出现最严重静息活动障碍的 AD 患者，TRF 可能使更多的患者群体受益，是改善昼夜节律功能障碍的有效方法。通过定时进食和唤醒夹带生物钟得到了很好的研究。
图4：海马转录的TRF挽救部分由Bmi1介导
然而，本研究中提出的TRF方案的好处超出了在黑暗阶段进食时的短暂唤醒。相反，TRF的影响足以驱动几个相互关联的途径的转录变化，包括ECM和血管重塑，糖基化，脂质和胆固醇动力学，囊泡运输，自噬，蛋白质降解，Aβ清除，神经胶质功能和炎症，这些共同恢复了被AD病理破坏的系统。此外，尽管TRF对核心时钟基因的表达只有轻微的影响，但TRF恢复了大量基因的昼夜振荡，包括AD相关转录本。APP23 TG小鼠的胆固醇途径被强烈破坏，这是TRF作用的主要转录靶标。这与AD特别相关，因为胆固醇相关基因转录的异常在APP的淀粉样蛋白生成加工改变和疾病严重程度中起作用。TRF驱动的海马基因表达变化的程度，特别是当它们与影响AD发病机制和昼夜节律破坏的途径有关时，可能是本研究中观察到的益处广度的基础。
为了阐明可能介导TRF效应的潜在机制，我们确定了TRF响应基因的多个上游调节因子。Bmi1作为APP23 TG小鼠TRF调节基因的主要调节因子的发现与AD病理学具有高度意义。老年小鼠中 Bmi1 的单倍体缺乏足以概括迟发性 AD 病理，包括淀粉样蛋白斑块和 pTau 增加，并且 Bmi1 的神经元缺陷似乎对 AD 具有高度特异性，在相关痴呆中未发现。
与之前的一些研究发现APP过表达小鼠的Bmi1表达没有变化相反，我们的研究观察到APP1小鼠皮层中Bmi23蛋白表达显着降低，TRF处理恢复了这种表达。TRF对Bmi1的影响也可能部分解释了我们在APP-KI小鼠中观察到的海马依赖性记忆的改善，因为在一项大型ADNI研究中，Bmi1与AD患者的认知能力和CSF Aβ42水平有关，该研究在Bmi1中鉴定了一种特定的单核苷酸多态性（SNP），该多态性赋予了对AD的保护。
Bmi1活性包括组蛋白H2A单泛素化的调节，表明表观遗传因子参与观察到的海马转录重塑。虽然未来的研究需要描述TRF调节Bmi1活性的确切机制，但我们观察到TRF增加的Bmi1水平导致下游靶点Nfatc1，Stra6和Tlr2的抑制以及Npy的激活。Stra6是视黄醇结合的受体，并介导抑制胰岛素的信号通路。AD大脑和多种动物模型中报告的Stra6蛋白水平升高可能与AD中代谢失调有关，这可能通过TRF正常化。
Toll样受体（TLR）家族参与先天免疫和对组织损伤引起的危险相关分子模式的反应。Tlr2由小胶质细胞组成型表达，并介导由Aβ诱导的NF-κB促炎级联反应的激活。虽然一些研究指出Tlr2具有保护作用，但APP/PS2小鼠中Tlr1的遗传消融使病理和认知恶化，但其他研究表明，抑制Tlr2可减轻淀粉样蛋白病理。在我们的研究中观察到APP2小鼠中Tlr23表达增加，通过TRF治疗标准化，可能反映了TRF减弱的小胶质细胞表达和神经炎症的变化。
最后，Npy是一种在中枢神经系统（CNS）中具有保护功能的神经调节剂，在AD患者血浆和TG AD小鼠模型的皮质和海马体中，Npy的转录水平降低。重要的是，补充Npy可降低体内和体外淀粉样蛋白毒性，挽救谷氨酸兴奋性毒性，并抑制神经炎症。
综上所述，我们对Bmi1参与响应TRF的结果以及与AD病理学直接相关的下游靶点中观察到的变化表明，这些途径是介导TRF至少一些多效性有益作用的合理机制。此外，TRF响应基因中PPAR调节途径的功能富集也将这种干预的有益作用与改善的昼夜节律调节联系起来。配体调节核受体家族（PPARs）的成员在小鼠组织中节律地表达，PPARα和PPARγ直接调节核心时钟基因Bmal1和Rev-erbα，将昼夜节律和代谢联系起来。
PPARα调节与谷氨酸能、多巴胺能和胆碱能信号传导相关的基因，调节α分泌酶和BACE1的活性，从而直接影响APP的加工和降解。重要的是，PPARα在AD患者的大脑中降低，驱动炎症，氧化应激和脂质代谢的改变，我们在这里显示的所有途径在APP23 TG小鼠中失调。
图5：TRF显着改善AD小鼠的淀粉样蛋白病理和疾病进展
有趣的是，Bmi1和PPARα目前正在作为AD的治疗靶点进行研究。我们的研究结果显示了TRF参与这些关键因素的潜力，为非药物干预治疗AD提供了新的希望。在以前的研究中已经探索了各种喂养方案的外围益处，最近的一篇论文优雅地展示了昼夜节律对齐的30%热量限制喂养方案如何导致肝脏中昼夜节律基因表达的复杂全基因组重编程，包括改善与年龄相关的变化和对寿命的保护作用。
在许多临床前动物模型和人体研究中，将喂养限制在特定的时间窗口，即使不减少热量摄入，也会减轻肥胖、葡萄糖耐受不良、血脂异常和与年龄相关的心脏功能下降等代谢疾病。同样，发现快速模拟饮食可以促进再生，包括恢复免疫细胞，促进海马神经发生和延长小鼠的寿命，而人类的伴随试验改善了再生标志物并减少了疾病危险因素生物标志物。
特别是对于AD，最近的研究表明，APP小鼠40%的热量限制减少了海马中的淀粉样蛋白负荷。有趣的是，生酮饮食被证明可以减少APP小鼠的Aβ42和Aβ40，最近，营养性酮症已被证明可以改善水通道蛋白4的功能，同时减少星形胶质细胞增多症。虽然这项工作显示了各种喂养方法的各种好处，但本研究中没有热量限制的昼夜节律对齐的TRF不仅使海马体中AD病理学相关和日常基因表达模式正常化，而且还改善了AD相关行为，认知和病理。
图6：限时喂养可挽救认知行为并减少APP-KI AD小鼠模型中的疾病进展
至关重要的是，在APP23 TG小鼠中施用TRF导致淀粉样蛋白载量显着降低，Aβ42清除率增加，导致更高的Aβ42 / 40血浆比值。在散发性AD中，早在临床症状发作前42-10年，Aβ20进入脑脊液的清除率就降低，并与皮质Aβ负荷呈负相关。
这一观察结果具有立竿见影的转化价值，因为这些临床生物标志物可用于监测限时进食方案对AD患者的疗效。具有临床相关性的两个重要问题是，如果在淀粉样蛋白斑块和tau积聚发作后，在AD临床诊断阶段开始这种干预是否仍然有效，以及TRF是否有效减轻认知能力下降作为该疾病的主要衰弱特征。我们使用APP-KI小鼠的结果显示了TRF对短期和长期记忆的拯救，这非常令人鼓舞，并进一步支持了TRF的潜在翻译应用。
限制进食的时间窗口已成为具有全系统效果的重要治疗选择。在这里，我们证明这些干预措施也可以调节大脑中的关键疾病途径。针对淀粉样蛋白的基于药物的策略仍然没有被患者广泛使用;因此，迫切需要新的方法来减少或阻止疾病进展。我们的研究结果支持未来的研究，探索限时进食作为一种强大的昼夜节律调节剂的治疗潜力，它可以显着改变AD患者的疾病轨迹，并且对于整合到临床护理中是非常可行的。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.07.014
转自：“生物医学科研之家”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
