昼夜节律钟基因 Per1/Per2基因的缺失会导致小鼠出现与年龄相关的运动功能过早衰退的现象

《Physiology & Behavior》：Circadian clock genes Per1/Per2 deficiency induces premature age-related motor function decline in mice

Per1/Per2双敲除小鼠昼夜节律紊乱早于运动功能衰退，轮跑、 pole和开放场测试显示 aged DKO小鼠平衡与探索能力显著下降，基因缺失加剧年龄相关运动障碍。

　　

范一梅|罗慧|郑娜娜|李龙燕|张继辉|李彪|冯洪亮

中国广东省广州医科大学附属脑医院睡眠与昼夜医学中心

摘要

昼夜节律基因Per1和Per2在调节昼夜节律中起着关键作用。然而，它们缺失对运动功能及与年龄相关的行为变化的影响仍不甚明了。本研究旨在探讨Per1/Per2双基因敲除（DKO）对小鼠运动功能的年龄依赖性影响。通过在12小时光照/12小时黑暗周期下进行轮跑实验，我们比较了2个月大和9个月大的DKO小鼠与野生型（WT）小鼠的昼夜节律同步情况。运动功能通过杆测试和旋转棒测试进行评估，而探索行为则通过开放场测试进行评价。我们进一步分析了基因型和年龄对昼夜节律及运动参数的主效应和交互效应。结果表明，Per1/Per2 DKO显著破坏了两个年龄段小鼠的光照同步行为节律。DKO小鼠从2个月大时没有运动缺陷，到9个月大时出现明显的平衡能力和探索能力下降。交互作用分析显示Per1/Per2缺失对平衡和协调能力有显著的主效应，而年龄本身则没有显著影响。这两个因素都影响了探索行为，且遗传效应随年龄增长而加剧。值得注意的是，在运动缺陷出现之前，年轻小鼠就已经存在严重的昼夜节律紊乱。总之，Per1/Per2缺失会加剧与年龄相关的运动能力下降。我们发现昼夜节律紊乱先于运动缺陷出现，这表明这些时钟基因对于维持衰老过程中的运动功能和行为组织至关重要。

引言

昼夜节律是生物体内进化出的内源性计时系统，由核心时钟基因（如Per1/2, Clock, Bmal1等）通过转录-翻译反馈回路（TTFL）调控，协调代谢、神经内分泌功能和免疫反应等生理过程的约24小时振荡[1,2]。此外，昼夜节律与运动相关。研究表明，肌肉力量、有氧耐力和运动协调性在昼夜周期中存在节律性变化[[3], [4], [5]]。临床观察性研究进一步表明，睡眠-觉醒节律的紊乱预示着帕金森病（PD）等运动障碍的风险增加[6,7]。然而，昼夜节律紊乱与运动功能障碍之间的因果关系尚未完全明确，这凸显了阐明核心时钟基因作用的重要性。

哺乳动物中的Period（Per）家族基因，尤其是Per1和Per2，是直接影响体内生理活动时间稳定性的核心时钟基因，但它们对运动系统的影响尚不清楚[8,9]。目前仅有少数研究探讨了Per1或Per2敲除对运动功能的影响，结论并不一致。全基因敲除Per2显著降低了小鼠的运动能力[10,11]，但另一项研究表明，即使在纹状体特异性敲除Per2的情况下，小鼠的运动功能也未受显著影响[12]。仅有一项研究发现全基因敲除Per1后小鼠的运动功能没有显著变化[13]。先前的研究表明，由于基因补偿，单独敲除Per1或Per2并不会导致小鼠的昼夜节律完全紊乱。在Per2敲除小鼠中，Per1及其他相关基因的表达水平显著增加，使小鼠能够保持相对稳定的昼夜活动模式[14]。相比之下，Per1/Per2 DKO小鼠表现出更严重且未得到补偿的昼夜节律紊乱。因此，DKO模型为研究严重昼夜节律紊乱的行为后果提供了有力的框架。

衰老伴随着昼夜节律振幅和稳定性的下降，以及包括Per1和Per2在内的核心时钟基因表达的减少[[15], [16], [17], [18]]，这可能暴露出时钟功能受损生物体的行为脆弱性。此外，研究表明运动功能受年龄因素影响[[19], [20], [21]]，但目前尚无关于不同年龄阶段Per1或Per2敲除对运动功能影响的研究。在人类中，大规模人群研究发现，在运动障碍（如PD）发生前5至15年，高风险群体就已经表现出显著的睡眠、活动和节律紊乱，这些已被确定为与疾病风险相关的早期标志[[22], [23], [24], [25]]。这一时间序列表明，昼夜节律紊乱可能是运动障碍之前的早期行为改变。

为了解决现有研究的争议和空白，本研究在标准的12小时光照和12小时黑暗周期（LD）条件下，研究了2个月大和9个月大的Per1/Per2 DKO小鼠的光照同步行为节律和运动功能的完整性。我们特意在同步条件下研究这些小鼠，以评估时钟基因在生理相关环境中的功能，并模拟人类群体中观察到的昼夜节律紊乱。通过采用因子设计，我们系统地比较了基因型（DKO vs. WT）、年龄（年轻 vs. 老年）对昼夜节律同步和运动表现的影响及其交互作用。这种方法旨在阐明昼夜节律功能障碍是否先于并与年龄相关的运动能力下降有关，从而揭示昼夜节律紊乱与运动功能障碍之间的时间关系。

研究片段

动物

根据先前发表的方法生成了Per1/Per2 DKO小鼠，其遗传背景和基因型验证已如先前报道严格进行[14,26]。我们使用了雄性C57BL/6J小鼠，并选择了没有疾病或身体异常迹象的动物用于研究。所有小鼠单独饲养，在标准的12:12小时光照-黑暗周期（来自白色LED灯的200勒克斯光照）下生活，光照时间为早上8:00，关闭时间为晚上8:00。环境温度为

Per1/Per2双基因敲除破坏了昼夜节律同步和行为的时间组织

为了评估Per1/Per2缺失对行为节律与光照-黑暗周期同步的影响，我们使用轮跑系统连续监测了2个月大和9个月大的WT小鼠和DKO小鼠在12小时光照/12小时黑暗（LD）周期下的运动活动（图1A）。代表性活动图（图1B-C）显示，WT小鼠表现出精确的同步性，活动严格限制在黑暗阶段，而在光照阶段活动极少。相比之下，DKO小鼠则表现出

讨论

本研究结果表明，Per1/Per2敲除严重破坏了2个月大和9个月大DKO小鼠的昼夜节律同步性，表现为行为的时间组织紊乱，包括夜间活动减少、日间活动增加、整体活动水平下降、昼夜节律的振幅和稳定性降低以及昼夜节律碎片化加剧。在运动功能方面，9个月大的DKO小鼠表现出平衡能力和协调能力的下降

资助

H.F.获得了国家自然科学基金（82571696）、国家科技创新2030重大项目（2022ZD0214100）、广州市学校（学院）-企业联合资助项目（2024A03J0214）和广州市科技计划项目（2025A03J3929）的支持。B.L.获得了广州市健康与健康科技青年人才培养项目（20261A031042）的支持。本工作得到了广州关键临床的支持

数据可用性

数据将根据请求提供。

CRediT作者贡献声明

范一梅：写作 – 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、方法学、数据分析、概念构建。罗慧：写作 – 审稿与编辑、撰写初稿、验证、方法学、数据分析、概念构建。郑娜娜：写作 – 审稿与编辑、方法学、研究设计、资金获取、数据管理。李龙燕：写作 – 审稿与编辑、方法学、资金获取、数据管理。张继辉：写作 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢Ying Xu团队慷慨提供敲除小鼠模型。