限时喂养通过GCK/NPY/凋亡途径改善阿尔茨海默病小鼠的认知功能

《The Journal of Nutritional Biochemistry》：Time-restricted feeding improves cognitive function in Alzheimer's mice through GCK/NPY/apoptosis pathway

时间限制进食通过调节GCK/NPY通路改善阿尔茨海默病小鼠认知功能并抑制神经元凋亡。

　　

张志军|杨静云|牛志丽|梅英娜|高玲

武汉大学人民医院内分泌与代谢科

摘要

背景

阿尔茨海默病（AD）的特点是认知能力逐渐下降、神经元丢失以及生物钟紊乱。时间限制进食（TRF）是一种将进食时间与生物钟同步的饮食干预方法，在代谢和神经退行性疾病中显示出潜在的好处。

材料与方法

野生型小鼠和APP/PS1/Tau转基因小鼠被分为两组：自由进食组（AL）和时间限制进食组（TRF），TRF组的食物供应时间为Zeitgeber Time（ZT）14至ZT24。在处理后3个月，通过Morris水迷宫、新物体识别和旋转棒测试评估认知表现。使用Western blot和定量实时PCR分析海马组织。Nissl染色用于评估海马形态。通过用Aβ和siGCK处理HT22细胞来研究GCK/NPY/凋亡通路。

结果

时间限制进食减少了食物摄入量并减轻了体重增加，同时通过行为测试证明了认知功能的改善。此外，TRF减少了p-Tau蛋白的积累，并通过恢复GCK/NPY通路降低了海马神经元的凋亡。在体外实验中，沉默AD细胞模型中的GCK导致p-Tau水平降低、NPY表达增加以及神经元凋亡减少。值得注意的是，当在AD细胞模型中沉默GCK时，p-Tau水平和神经元凋亡会再次出现。

结论

我们的研究结果表明，TRF通过调节GCK/NPY通路改善了AD小鼠的认知功能并减少了神经元凋亡。这些结果强调了TRF作为阿尔茨海默病潜在的非药物干预方法的潜力，为其潜在机制提供了新的见解。

引言

阿尔茨海默病（AD）是一种中枢神经系统的退行性疾病，其特征是Aβ淀粉样蛋白和p-Tau的沉积，导致慢性炎症、氧化应激、神经元损伤和功能障碍。生物钟是指生物体的生理、生化和行为活动呈现大约24小时的节律性模式。研究发现，在AD的早期阶段就可能出现生物钟紊乱，25-40%的轻度至中度AD患者存在睡眠障碍[1]。

生活方式的改变，如时间限制进食（TRF），已被研究其恢复生物钟的有效性。时间限制进食是指将进食时间限制在固定的时间段内，其他时间避免进食。这种饮食模式已被证明可以减轻体重并改善新陈代谢[2]。研究发现，TRF可以减少细胞凋亡，改善AD小鼠的脑部病理，并提高记忆和其他认知功能[3]。现有研究表明，TRF可以调节GCK和NPY的表达[4,5]。

葡萄糖激酶（GCK），也称为己糖激酶4，属于己糖激酶家族。在人体中，GCK主要存在于胰腺、肝脏、大脑和胃肠道。研究表明，GCK的表达受进食影响，并表现出昼夜节律性波动。通常，GCK在餐后活性增加，而在禁食期间降低，这有助于处理从食物中吸收的葡萄糖[4]。此外，GCK是神经元葡萄糖感知机制的关键组成部分，并在控制多种稳态过程的大脑区域中表达。尽管关于GCK在中枢神经系统退行性疾病中的研究有限，但研究发现GCK的激活与神经元凋亡有关[6]。

神经肽Y（NPY）是一种与食欲调节密切相关的神经肽，在中枢神经系统中广泛分布，它在调节多种生理过程中起着关键作用，包括食欲、应激反应和神经元凋亡。研究表明，NPY可以通过减少Aβ斑块和tau缠结的积累来减轻神经元损伤。此外，NPY在调节突触可塑性和神经元存活方面也起着重要作用。它通过抑制凋亡和促进神经发生来帮助对抗神经元损失，最终改善与AD相关的认知功能[7]。有趣的是，NPY的表达受GCK的影响。抑制GCK可以增加大脑中NPY的表达[8]。

我们假设TRF通过调节GCK/NPY通路来改善AD相关的认知缺陷并减轻神经元凋亡。利用体内AD小鼠模型，我们证明了TRF可以降低pTau水平和神经元损伤。此外，我们通过沉默HT22细胞中的GCK提供了直接的因果证据。

部分摘录

动物和喂养方案

APP/PS1/Tau转基因小鼠（AD小鼠）从美国的Jackson实验室获得。雄性C57BL/6 J野生型小鼠（WT）来自武汉人民医院动物实验中心。在实验期间，饲养条件保持在23 ± 2°C，光照-黑暗周期为12:12（从早上6:00到下午6:00），所有小鼠在3个月大之前都可以自由进食和饮水。

3个月大时，雄性AD小鼠和WT小鼠

时间限制进食减少了AD小鼠的食物摄入量和体重

通过计算每两周四组小鼠的平均食物摄入量，在时间限制进食干预期间，WTAL组和ADAL组之间的食物摄入量没有显著差异。然而，WTTRF组的食物摄入量显著低于WTAL组（图2A，p < 0.05），ADTRF组的食物摄入量也低于ADAL组（图2A，p < 0.05）。通过比较四组小鼠的体重

讨论

在本实验中，我们确认了以下发现：(1) 时间限制进食可以减少AD小鼠的食物摄入量并减轻体重增加。(2) 时间限制进食可以改善AD小鼠的认知功能。(3) 时间限制进食可以通过GCK/NPY通路减少AD小鼠中枢p-Tau蛋白的沉积并降低海马神经元凋亡。(4) 在体外阿尔茨海默病细胞模型中，GCK的抑制可以通过NPY的恢复来保护神经元免于凋亡。

作者贡献

张志军、牛志丽和梅英娜构思了这项研究；张志军和杨静云进行了实验和统计分析；张志军准备了手稿。L.G.参与了研究设计、图表制作、写作并修订了手稿。所有作者都阅读并批准了最终手稿。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号#82270861，资助高玲博士）、中央高校基本科研业务费（项目编号#2042020kf1079，资助高玲博士）、中国国际医学基金会（项目编号#2018HX0003）以及武汉大学的计划国际发展项目的支持。

作者贡献声明

张志军：撰写——初稿，方法学。杨静云：方法学，正式分析，数据管理。牛志丽：撰写——初稿。梅英娜：数据管理。高玲：撰写——审阅与编辑，监督。

利益冲突声明

我声明没有利益冲突。

致谢

无。