跑步机运动通过Nrf2/Keap1通路调控线粒体未折叠蛋白反应改善CUMS诱导的小鼠抑郁行为

《Brain Research Bulletin》：Treadmill Exercise Attenuates CUMS-Induced Depressive Behaviors by Modulating the UPRmt via the Nrf2/Keap1 Pathway

本研究针对慢性压力诱导抑郁中海马线粒体功能障碍及UPRmt（线粒体未折叠蛋白反应）失调的机制问题，探讨了跑步机运动是否通过激活Nrf2/Keap1通路改善CUMS（慢性不可预知温和应激）小鼠的抑郁样行为。研究发现，6周跑步机运动显著缓解抑郁行为，恢复线粒体功能，并通过Nrf2依赖性方式抑制UPRmt过度激活。该研究揭示了运动抗抑郁的新机制——Nrf2-UPRmt调控轴，为运动疗法提供了重要理论依据。

　　

在全球范围内，抑郁症如同一片难以驱散的阴云，严重影响着超过4.4%人口的身心健康，其危害不仅限于情绪低落，更可能引发自残、自杀等危险行为。尽管其病因复杂，涉及免疫炎症、氧化应激等多种因素，但慢性长期压力已被确认为诱发抑郁的关键推手。在探索治疗新途径的过程中，线粒体——这个细胞的“能量工厂”——功能失调逐渐走入研究视野。科学家们发现，慢性压力会破坏大脑内的氧化平衡，导致活性氧（ROS）过度产生，进而损伤线粒体结构，减少能量货币ATP的供应，最终损害海马区的神经功能。然而，一个核心谜团尚未完全解开：作为非药物干预的明星方案，规律的有氧运动如何具体地修复这些受损的线粒体，从而发挥抗抑郁作用？本研究将目光投向了细胞内的两个关键调控系统：负责抗氧化防御的Nrf2/Keap1通路和负责维持线粒体蛋白质稳态的线粒体未折叠蛋白反应（UPR^mt）。

为了回答上述问题，研究人员在《Brain Research Bulletin》上发表了一项研究，他们利用CUMS程序成功构建了小鼠抑郁模型，并通过为期6周、每周5天的跑步机运动进行干预。研究综合运用了行为学测试（包括旷场实验OFT、糖水偏好实验SPT和悬尾实验TST）、透射电子显微镜观察线粒体超微结构、流式细胞术检测线粒体膜电位（Δψm）、生化试剂盒检测ATP、ROS、SOD、T-AOC、MDA水平，以及RT-qPCR、Western blot和免疫荧光等技术，系统评估了运动对抑郁行为、线粒体功能、氧化应激状态、Nrf2/Keap1通路活性及UPR^mt关键标志物表达的影响。为了验证通路依赖性，研究还使用了Nrf2抑制剂ML385和激活剂Bardoxolone methyl进行药理学验证。

3.1. 跑步机运动改善CUMS诱导的小鼠抑郁样行为

行为学结果表明，与对照组相比，CUMS模型小鼠表现出明显的快感缺失（糖水偏好率降低）和行为绝望（悬尾不动时间延长），同时体重下降，在旷场中心区域的探索时间和次数减少，表明焦虑样行为增加。而6周的跑步机运动干预显著逆转了这些行为异常，恢复了小鼠的体重，增加了其在中心区域的探索活动，提高了糖水偏好率，并缩短了悬尾不动时间，且不影响其自主活动能力。这些结果证实了抑郁模型成功建立，且跑步机运动具有明确的抗抑郁效果。

3.2. 跑步机运动改善CUMS小鼠海马线粒体稳态并缓解氧化应激

在分子层面，透射电镜显示CUMS小鼠海马神经元线粒体出现肿胀、嵴结构紊乱甚至断裂；其线粒体膜电位和ATP含量显著降低，而ROS水平升高。同时，氧化应激指标也发生恶化，超氧化物歧化酶（SOD）活性和总抗氧化能力（T-AOC）下降，丙二醛（MDA）含量升高。跑步机运动干预后，线粒体超微结构得到明显改善，膜电位和ATP水平得以恢复，ROS生成减少，并且氧化应激失衡状态被有效纠正，SOD、T-AOC回升，MDA下降。

3.3. 跑步机运动调节CUMS小鼠海马UPR^mt失调

研究发现，CUMS导致海马组织中UPR^mt关键标志物（HSP60、ClpP、HSP70、LONP1、ATF5）及其相关的应激转录因子CHOP在mRNA和蛋白水平上均显著上调，表明UPR^mt处于过度激活状态。跑步机运动则能显著降低这些标志物的表达，免疫荧光染色也显示海马CA1区HSP60的荧光强度在运动干预后明显减弱。这表明运动能够缓解CUMS引起的UPR^mt过度激活，使其恢复稳态。

3.4. 跑步机运动激活CUMS小鼠海马Nrf2/Keap1信号通路

研究进一步探讨了运动起效的上游机制。结果显示，CUMS抑制了海马Nrf2/Keap1通路的活性，表现为Nrf2及其下游靶基因NQO1、HO-1的表达下调，而其抑制蛋白Keap1的表达上调。跑步机运动则能有效逆转这一现象，显著提高Nrf2、NQO1、HO-1的表达，降低Keap1的水平，免疫荧光结果也证实了运动后海马CA1区Nrf2蛋白表达的增强。

3.5. Nrf2的激活对跑步机运动的抗抑郁样效应至关重要

为确认Nrf2通路的核心作用，研究使用了药理学方法。结果发现，在运动干预同时给予Nrf2抑制剂ML385，会完全抵消运动带来的抗抑郁行为改善（体重恢复、中心区域探索增加、糖水偏好率提高、悬尾不动时间缩短等）。相反，在非运动的抑郁小鼠中单独使用Nrf2激活剂BARD，则可以模拟运动的效果，产生类似的抗抑郁行为。

3.6. 跑步机运动以Nrf2依赖的方式缓解氧化应激并恢复线粒体功能

在分子水平上，ML385同样阻断了运动对线粒体功能的改善作用，导致线粒体形态重回病理状态，膜电位和ATP恢复受阻，ROS水平再次升高，氧化应激指标（SOD、T-AOC降低，MDA升高）也出现恶化。而BARD单独治疗则能复制运动对线粒体功能和氧化应激的保护作用。这表明运动对线粒体功能和氧化应激的改善作用严格依赖于Nrf2通路的激活。

3.7. Nrf2介导跑步机运动对CUMS小鼠海马UPR^mt的调节作用

最关键的发现在于，Nrf2是运动调控UPR^mt的枢纽。ML385抑制Nrf2后，运动对UPR^mt标志物（HSP60, ClpP, HSP70, LONP1, ATF5）和CHOP表达的下调作用被显著削弱。而BARD激活Nrf2则能直接抑制UPR^mt的过度激活，效果与运动干预相似。双标免疫荧光和相关分析进一步显示，海马CA1区Nrf2与HSP60的表达呈显著负相关，且HSP60的表达水平与抑郁样行为指标密切相关。这强有力地证明了跑步机运动是通过激活Nrf2通路来纠正CUMS诱导的UPR^mt失调。

综上所述，本研究得出结论：为期6周的跑步机运动能够有效缓解CUMS诱导的小鼠抑郁样行为和海马线粒体功能障碍。其作用机制在于，运动激活了海马组织的Nrf2/Keap1抗氧化通路，进而以Nrf2依赖的方式，调控了因线粒体应激（如ROS累积）而严重失调的UPR^mt，最终恢复了线粒体功能稳态。在讨论部分，作者强调了该研究的创新性，即首次揭示了在慢性压力诱导的抑郁模型中，海马UPR^mt并非功能不足，而是处于病理性过度激活状态；并明确了Nrf2/Keap1通路是运动发挥神经保护作用的核心调控轴，通过功能性地耦合UPR^mt，实现线粒体质量控制的精准调节。这项工作不仅深化了对运动抗抑郁分子机制的理解，揭示了Nrf2-UPR^mt这一新的调控轴，也为开发针对线粒体功能障碍的精神疾病干预策略提供了重要的理论依据和潜在新靶点。