饮食限制可缓解SCA19/22小鼠模型中的认知障碍

《Mechanisms of Ageing and Development》：Dietary restriction mitigates cognitive impairments in a mouse model of SCA19/22

SCA19/22由KCND3 F227del突变导致，表现为共济失调和认知障碍。研究发现该突变具有显性毒性，不仅功能丧失还引发神经炎症。饮食限制可改善认知缺陷并维持神经元存活及突触结构，但对运动障碍无效，为靶向治疗提供新思路。

　　

马成云|叶胜荣|黄毅轩|林伟生|李毅忠|蔡婷芬|范守臻|王佩瑜

台湾国立大学医学院脑与心智科学研究所，台北，台湾

摘要

脊髓小脑性共济失调19型和22型（SCA19/22）是由KCND3（钾电压门控通道D亚家族成员3）突变引起的神经退行性疾病。先前的研究已经培育出了Kcnd3 F227del敲入（KI）小鼠，这些小鼠成功再现了患者观察到的运动缺陷和分子病理机制。然而，这种人源化Kcnd3 F227del突变的更广泛的神经行为后果，以及这些表型是否依赖于功能性Kcnd3，仍然不清楚。在这项研究中，我们采用了一系列行为评估方法，发现Kcnd3 F227del突变不仅可能导致功能丧失，还可能作为一种显性的、有毒的功能获得性变异，与共济失调和记忆障碍相关。相比之下，Kcnd3空缺小鼠主要表现出过度活跃，但没有明显的认知缺陷。此外，我们证明饮食限制（DR）在行为、细胞和神经结构层面有效减轻了Kcnd3 F227del KI小鼠的记忆缺陷。具体来说，DR保持了神经元存活，维持了树突结构和棘突密度，并减少了海马区的神经炎症。这些发现为SCA19/22相关症状的病因提供了新的见解，并表明DR可能成为针对携带KCND3 F227del突变患者的认知缺陷的潜在治疗策略。

引言

脊髓小脑性共济失调（SCA）是一组进行性的常染色体显性神经退行性疾病，其特征是步态障碍、协调障碍和眼球运动异常。尽管每种亚型都较为罕见，但总体上全球约有每10万人中有3人受到影响（Sullivan等人，2019年）。迄今为止，已经确定了大约50种不同的SCA亚型，其遗传改变具有高度异质性，包括重复扩展、缺失、插入、重复和点突变（Müller，2021年）。SCA19和SCA22的疾病位点已被定位在1p21-q23染色体上。SCA19/22的临床特征包括躯干和四肢共济失调、构音障碍、眼球震颤、帕金森综合征、癫痫和认知障碍（Chung等人，2003年；Huin等人，2017年）。

KCND3（钾电压门控通道D亚家族成员3）的突变已被确定为SCA19/22的遗传原因（Duarri等人，2012年；Lee等人，2012年）。KCND3编码Kv4.3蛋白，该蛋白作为A型电压门控钾通道的α亚基（Lee等人，2012年；Tsaur等人，1997年）。Kv4.3蛋白包含六个跨膜段，其中S1至S4段作为电压感应域，而S5、S6段和一个再入环参与离子选择性孔道的形成。Kv4.3可以与Shal亚家族的其他钾通道成员组装成同源四聚体或异源四聚体。与SCA19/22相关的一种致病突变是一个三核苷酸缺失，c.679_681delTTC（p.F227del），位于Kv4.3的S2跨膜段内。这种缺失会损害Kv4.3的正确折叠，并干扰其向细胞膜的运输，最终影响通道功能（Hung等人，2025年；Lee等人，2012年）。

饮食限制（DR），通常定义为每日热量摄入减少20%至40%而不导致营养不良，已被证明可以延长秀丽隐杆线虫、黑腹果蝇、啮齿动物和恒河猴的寿命（Braeckman等人，2006年；Bross等人，2005年；Burger等人，2010年；Klass，1977年；Mattison等人，2017年；Trepanowski等人，2011年）。众所周知，DR通过减少氧化应激和炎症、增强细胞代谢以及延缓与年龄相关的疾病发作来促进长寿（Green等人，2022年）。除了延长寿命外，DR还对运动和认知功能有益。研究表明，DR可以改善老年小鼠以及肌萎缩侧索硬化症（ALS）和脊髓小脑性共济失调3型（SCA3）小鼠模型的运动表现（Cunha-Santos等人，2016年；Hamadeh等人，2005年；Ingram等人，1987年），并改善老年小鼠和老年人的认知功能（Guo等人，2015年；Teng等人，2019年；Witte等人，2009年）。此外，DR还被报道可以促进突触可塑性、刺激神经发生、防止与年龄相关的树突棘突丢失，并在病理条件下减少神经炎症（Lee等人，2000年；Morgan等人，2007年；Moroi-Fetters等人，1989年）。

我们之前的研究已经描述了Kcnd3 F227del和Kcnd3空缺突变小鼠的运动缺陷及其潜在的分子机制，特别关注小脑的病理生理学（Hung等人，2025年）。在这里，我们进一步研究了这些突变动物的神经行为缺陷，并证明DR可能成为SCA19/22的潜在治疗策略。

部分摘录

动物

所有实验程序均符合当地动物伦理规定，并获得了台湾国立大学医学院和公共卫生学院的机构动物护理和使用委员会的批准。CreERT2 BAC转基因小鼠是通过细菌人工染色体（BAC）转基因技术生成的，能够在Kcnd3启动子的转录控制下表达CreERT2和FusionRed蛋白。

大脑中Kcnd3的表达模式

由于SCA19/22患者表现出多样的神经精神症状，我们假设绘制大脑中Kcnd3的表达模式可能有助于解释这些症状结果。最初尝试使用几种特异性抗体检测Kv4.3蛋白未获成功。作为替代方法，我们生成了Kcnd3-CreERT2 BAC转基因小鼠（图1A），其中Cre重组酶与一种突变雌激素受体配体结合域融合。使用抗Cre

讨论

先前的研究表明，Kcnd3 F227del KI小鼠在运动协调和平衡方面存在缺陷。这些缺陷可能归因于Kv4.3通道电生理记录中观察到的电流幅度降低，以及浦肯野细胞的轻度丢失和退化以及神经炎症的存在。在分子水平上，突变的Kv4.3蛋白在内质网（ER）和高尔基体中的滞留不仅耗尽了细胞质中的功能性Kv4.3

资助

本研究得到了台湾国家科学技术委员会（项目编号111-2320-B-002-018、112-2320-B-002-026和113-2320-B-002-021-MY3）和台湾国立大学（项目编号114L891301）的资助。

CRediT作者贡献声明

王佩瑜：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资金获取，概念化。李毅忠：撰写 – 审稿与编辑。林伟生：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。范守臻：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。蔡婷芬：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。马成云：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，实验研究。黄毅轩：实验研究。叶胜荣：数据可视化，

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

我们感谢台湾国立大学医学院实验动物中心提供的技术支持和动物繁殖服务。同时，我们也感谢台湾国立大学医学院第一核心实验室成像中心的工作人员提供的技术协助。