《Neuroscience Letters》：Pentosidine accumulation induced by
Akr1a deficiency Drives aggression and hyperactivity
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本文聚焦于精神分裂症患者中观察到的晚期糖基化终末产物戊糖苷素(PEN)积累现象。为解决其病理机制不明的问题，研究人员利用Akr1a基因敲除(KO)小鼠模型，探究由葡萄糖醛酸(GlcA)代谢障碍引发的内源性PEN积累对神经行为的影响。研究发现，Akr1a KO导致小鼠血浆和前额叶皮层(Pfc)中PEN显著升高，并引发攻击行为增强和多动症状。转录组分析揭示了Pfc中鸟苷酸环化酶信号通路和细胞骨架组织相关基因表达改变，伴随环磷酸鸟苷(cGMP)水平下降。本研究首次建立了与精神分裂症相关的PEN积累动物模型，揭示了糖基化应激通过非多巴胺能新通路影响行为表型的机制，为理解精神分裂症的攻击和多动症状提供了新的代谢视角。
在我们身体这个精密运转的“化工厂”里，每天都在进行着无数化学反应，其中一些产物的异常堆积会悄悄埋下疾病的种子。晚期糖基化终末产物(Advanced glycation end products, AGEs)就是这样一类“代谢垃圾”，它们是在高糖等代谢紊乱条件下，还原糖与生物分子中的氨基发生非酶促褐变反应（美拉德反应）形成的异质化合物群。随着时间推移，AGEs在体内不断累积，与糖尿病、肾功能障碍和神经退行性疾病等多种年龄相关及慢性病的发生发展密切相关。在众多AGEs成员中，戊糖苷素(Pentosidine, PEN)因其荧光特性和研究深入而备受关注。它不仅是衰老的生物标志物，还被发现与白内障、骨质疏松和阿尔茨海默病等多种病理状态有关。
近年来，一个更令人瞩目的发现是，部分精神分裂症患者在没有肾功能障碍或糖尿病的情况下，其体内PEN水平也异常升高，并且与更严重的临床症状（如更高的住院率和抗精神病药物需求量）相关联。这暗示PEN可能在精神分裂症的病理过程中扮演着重要角色。然而，PEN是如何积累的？它又如何影响大脑功能并导致行为异常？这些问题由于缺乏能够模拟精神分裂症相关PEN积累的实验模型而长期悬而未决。
研究的突破口来自对PEN合成前体代谢通路的探索。葡萄糖醛酸(Glucuronic acid, GlcA)被确定为PEN的生物合成前体，而醛酮还原酶家族1成员A1(Aldo-keto reductase family 1 member A1, AKR1A1)是负责GlcA分解代谢的关键酶。有趣的是，在精神分裂症患者中发现了与AKR1A1酶活性降低相关的基因变异。这意味着，AKR1A1的功能障碍可能导致GlcA堆积，进而驱动PEN的生成。为了直接验证这一假说并探究其神经生物学后果，研究人员将目光投向了Akr1a基因敲除(Knockout, KO)小鼠——一种已知存在GlcA代谢缺陷的动物模型。
这项发表在《Neuroscience Letters》上的研究，正是利用这一模型，首次成功建立了内源性PEN积累与精神分裂症相关行为表型之间的直接联系。研究人员系统地评估了Akr1a KO小鼠的PEN水平、行为学改变以及前额叶皮层(Prefrontal cortex, Pfc)的分子变化，揭示了由糖基化相关代谢应激驱动的攻击和多动行为的新机制。
主要技术方法简述
本研究主要采用了以下几项关键技术方法：首先，使用高效液相色谱法对小鼠血浆和前额叶皮层组织中的戊糖苷素(PEN)进行定量分析。其次，利用常驻-入侵者测试评估小鼠的攻击性行为，并通过红外线探测系统在圆形旷场中持续记录小鼠的自发性活动以评估其运动能力。此外，对前额叶皮层组织进行RNA测序(RNA-seq)分析，以探究基因表达谱的变化，并使用酶联免疫吸附测定法检测组织中环磷酸鸟苷(cGMP)的水平。研究中的所有统计分析均使用GraphPad Prism软件完成。
研究结果
1. Akr1a KO小鼠中PEN的积累
研究人员首先测定了8周龄Akr1a KO小鼠体内的PEN水平。结果发现，与野生型(WT)小鼠相比，KO小鼠的血浆和Pfc中的PEN浓度均显著升高。不仅如此，血浆与Pfc中的PEN水平还呈现出显著的正相关。这些数据明确证实，Akr1a的缺失会导致PEN在全身和中枢神经系统中系统性累积，从而成功建立了一个内源性PEN积累的小鼠模型。
2. Akr1a KO诱导的行为改变
为了探究PEN积累的行为学后果，研究人员进行了一系列测试。在评估攻击性的常驻-入侵者测试中，Akr1a KO小鼠表现出更短的首次攻击潜伏期和更长的总攻击时长，表明其攻击性显著增强。相关性分析进一步发现，攻击潜伏期与血浆PEN水平呈负相关，而总攻击时长与PEN水平呈正相关，提示PEN积累与攻击性增强直接相关。
在运动活动测试中，KO小鼠在测试后期（90-120分钟）的自发性活动显著高于WT小鼠，表现出多动特征。深入分析发现，PEN水平与测试初期（0-30分钟，反映对新奇环境的探索性活动）的运动量呈正相关，但与后期的基线活动无关。这表明PEN积累主要影响与新奇性和动机相关的探索性活动，而非基础运动输出。
值得注意的是，Akr1a KO小鼠在其他行为领域，如焦虑、学习记忆、抑郁样行为、社会交互和感觉运动门控方面，并未表现出显著异常。血浆皮质酮水平也无组间差异，且与攻击性或运动活动无相关性，表明观察到的行为异常并非由应激激素变化驱动。
3. Akr1a KO小鼠Pfc中的差异基因表达
为了从分子层面理解PEN积累的影响，研究人员对WT和KO小鼠的Pfc进行了RNA-seq分析。结果显示，KO小鼠中共有51个差异表达基因。基因本体和通路富集分析发现，这些基因主要集中在鸟苷酸环化酶抑制剂活性、细胞骨架组织和免疫反应等通路上。尤为关键的是，Pfc中的cGMP水平在KO小鼠中显著降低。鉴于cGMP是调节攻击和运动活动的关键第二信使，这一发现为行为异常提供了可能的分子解释。
结论与讨论
本研究首次证实，Akr1a缺陷导致的葡萄糖醛酸代谢障碍会引发戊糖苷素(PEN)在血浆和大脑（特别是前额叶皮层）的积累。利用这一模型，研究者发现PEN积累与攻击性增强和活动增多这两种与精神分裂症阳性症状维度相关的行为表型存在显著关联，且这些行为改变与多巴胺等经典神经递质系统的水平变化无关。
在机制层面，Pfc的转录组分析揭示了鸟苷酸环化酶信号通路相关基因的表达改变，并伴随cGMP水平的下降。cGMP已被证实能影响攻击和运动行为，因此其信号减弱可能是介导Akr1a KO小鼠行为异常的关键下游环节。此外，细胞骨架和免疫反应相关基因的改变也被观察到，提示PEN积累可能通过影响神经元可塑性和炎症反应参与病理过程。
这项研究的重要意义在于，它首次建立了一个与精神分裂症病理相关的PEN积累动物模型，为理解该疾病中攻击和多动症状的生物学基础提供了一个全新的“代谢视角”。传统上，精神分裂症的研究多聚焦于神经递质（如多巴胺）失衡。而本研究揭示，糖基化相关代谢应激本身，即PEN的异常积累，足以通过影响前额叶皮层的分子通路（如cGMP信号）来驱动特定的行为异常，这为精神分裂症的病理机制增添了新的维度。
更重要的是，该研究并未试图建立一个涵盖精神分裂症全部症状的综合性模型，而是采取了一种“维度性”研究策略，专注于攻击性和多动这两个具体的、临床相关的行为维度。这种方法有助于精准解析复杂精神疾病背后特定的生物学通路。研究结果提示，靶向AKR1A1介导的糖基化通路，可能成为治疗精神分裂症及相关神经精神疾病中攻击和多动症状的一种全新治疗策略。未来，通过特异性干预PEN的合成或降解来验证其因果作用，将进一步巩固这些发现，并为转化医学研究开辟道路。
