《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Bmal1 regulates hippocampal oxidative damage in cognitive memory impairment induced by artificial light at night in mice
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雷婷|夏杰|杜慧英|徐丹丹|何淼|刘伟|华慧|杨天尧中国医科大学公共卫生学院环境卫生系，沈阳，辽宁110122摘要夜间人工光（ALAN）已成为一个重要的公共卫生问题，但其对认知功能的影响仍不甚明了。本研究调查了连续28天暴露于5勒克斯（lx）的ALAN对C57BL/6 J小鼠海马
雷婷|夏杰|杜慧英|徐丹丹|何淼|刘伟|华慧|杨天尧
中国医科大学公共卫生学院环境卫生系，沈阳，辽宁110122
摘要
夜间人工光（ALAN）已成为一个重要的公共卫生问题，但其对认知功能的影响仍不甚明了。本研究调查了连续28天暴露于5勒克斯（lx）的ALAN对C57BL/6 J小鼠海马区功能的影响。我们评估了运动行为、神经元形态、神经发生、氧化应激和昼夜节律，发现ALAN会导致认知功能受损。ALAN暴露降低了Bmal1的表达，增加了活性氧（ROS）和丙二醛的积累，并扰乱了NRF2、SOD1和GPX1的昼夜表达差异。这些变化抑制了SOD和GPX的酶活性，导致海马区氧化损伤。为了阐明Bmal1的作用，我们使用腺相关病毒（AAV）调节海马区的Bmal1表达。ALAN增加了海马区的细胞凋亡，而Bmal1的敲低则加剧了这种效应，其过表达则减轻了这种效应。这些发现表明，ALAN可能通过影响Bmal1来导致记忆障碍，从而引起海马损伤和神经发生受损。本研究为预防和治疗认知功能障碍及神经退行性疾病提供了潜在的分子靶点。
引言
夜间人工光（ALAN）已成为最普遍且增长最快的环境污染物之一[1]，影响了北纬59°至南纬55°之间49.5%的陆地面积[2]。过去十年中，由于ALAN导致的天空亮度每年以10%的速度呈指数级增长[3]，从而引发了一系列不良健康影响，包括睡眠障碍、代谢疾病、癌症、免疫功能障碍和认知功能障碍[4]。有证据表明，夜间微弱的蓝光会通过引发海马区神经炎症和氧化应激来损害小鼠的空间记忆[5]。海马区是学习和记忆的重要脑区，不仅容易受到氧化应激的影响，也是成年动物神经发生的主要场所。实验研究表明，夜间光照会改变海马区神经元的形态，损害学习和记忆能力，并加剧日间啮齿动物的抑郁样行为[6]。然而，ALAN引起的神经毒性的潜在机制仍不清楚。
ALAN通过干扰生物钟来扰乱昼夜节律，从而影响大脑功能、生理和行为[7][8]。昼夜节律大约遵循24小时的周期，由转录-翻译反馈回路、翻译后修饰和蛋白质降解机制调节[9]。生物钟由两个主要的转录-翻译反馈回路组成：由脑和肌肉Arnt样蛋白1（BMAL1）和昼夜运动输出周期Kaput（CLOCK）驱动的正反馈回路，以及由period（PER）和Cryptochrome（CRY）基因控制的负反馈回路[10]。CLOCK-BMAL1在白天达到峰值水平。PER和CRY蛋白构成主要TTFL的负链，它们在晚上结合并转移到细胞核内，与CLOCK-BMAL1复合体相互作用以抑制自身的转录。核心时钟转录因子Bmal1对于维持昼夜节律至关重要，因为其缺失会导致时钟功能完全丧失[11]。除了在昼夜调节中的作用外，Bmal1还参与氧化应激、细胞凋亡、炎症和血脑屏障的完整性[12][13][14][15]。
细胞凋亡是一种进化上保守的程序性细胞死亡过程，其失调在神经元损伤中起着关键作用，导致学习和记忆能力下降[16]。认知能力下降与促凋亡蛋白（如caspase-3和Bcl-2相关X蛋白BAX）的表达增加以及抗凋亡蛋白B细胞淋巴瘤/白血病-2（BCL-2）的表达减少有关[17]。此外，Bmal1敲除小鼠的腺体中TUNEL阳性细胞显著增加[18]，表明Bmal1影响凋亡调节。然而，ALAN是否诱导神经元凋亡以及这一过程是否由Bmal1介导仍不清楚。
核因子E2相关因子2（NRF2）是抗氧化防御的关键调节因子，通过与抗氧化反应元件（ARE）在其启动子中的结合来激活抗氧化基因的转录[15]。研究表明，Bmal1通过与E-box反应元件的相互作用来调节Nrf2，导致Nrf2的昼夜积累，并通过NRF2/ARE途径实现抗氧化基因的节律性表达[19]。这种调节影响关键抗氧化酶的表达和活性[20][21][22][23][24][25]。Bmal1表达减少与多种器官中的线粒体功能障碍和活性氧（ROS）水平升高有关[26][27]。在晶状体中，Bmal1是抗氧化反应的关键成分，调节Nrf2及其靶基因以维持ROS的稳态并保护细胞完整性[28]。此外，NRF2介导的抗氧化反应随年龄增长而减弱，导致ROS引起的氧化损伤积累[20]。然而，Bmal1在氧化/抗氧化平衡中的作用及其对ALAN引起的认知功能障碍的贡献仍不清楚。
基于现有关于ALAN干扰昼夜节律的文献，本研究特别研究了Bmal1在介导海马区氧化损伤和认知缺陷中的关键作用。虽然针对Bmal1等核心时钟成分是应对ALAN引起损害的有希望的机制，但必须在个体差异的框架内考虑这种潜力。新兴证据表明，昼夜干预的效果可能并不统一，可能受到年龄、性别和光照暴露持续时间/时间等关键因素的影响[29]。此外，这种目标的转化潜力需要考虑暴露特性——无论是慢性还是急性暴露——因为这些参数从根本上决定了潜在的病理生理学。
因此，本研究阐明了ALAN暴露导致学习和记忆缺陷的机制。我们证明了ALAN会改变氧化/抗氧化平衡，并损害小鼠的认知功能。此外，沉默Bmal1会加剧ALAN引起的认知缺陷，而其过表达则会减轻这些缺陷，突显了Bmal1在ALAN暴露下作为神经保护的关键调节因子的作用。这些发现为ALAN引起的认知障碍提供了新的治疗靶点。
章节片段
化学品和试剂
用于发光二极管的暴露设备来自中国广州的Hangxin Technology公司。免疫组化染色使用了来自中国北京Zsbio公司的产品（Zsbio PV-9001）。免疫荧光染色试剂盒（Beyotime P0176）、BDNF ELISA试剂盒（Beyotime PB070）和ROS检测试剂盒（Beyotime S0036S）均来自中国上海的Beyotime Biotechnology公司。抗兔BDNF抗体（Proteintech 25,699–1-AP）、p-CREB抗体（Proteintech 28,792–1-AP）等。
ALAN暴露导致小鼠的学习和记忆功能受损
为了评估ALAN暴露对学习和记忆的影响，我们进行了MWM和NOR测试。在MWM实验中，与LD组相比，ALAN组从第四天开始逃避潜伏期显著延长（图2B；P < 0.01）。第六天的运动轨迹显示（图1A），LD组小鼠主要朝向平台区域及其相应象限移动，而ALAN暴露组的小鼠移动效率降低。
讨论
最近的研究建立了ALAN与学习和记忆障碍之间的强烈关联[30][31][32]。受时钟基因调节的昼夜节律在认知功能中起着关键作用[33]，其紊乱会加剧认知缺陷[34]。本研究阐明了ALAN引起的学习和记忆障碍的潜在机制，突出了时钟基因Bmal1的关键作用，并提供了关于神经效应的新分子见解。
结论
我们的研究表明，ALAN暴露会扰乱氧化/抗氧化循环，导致Bmal1表达减少。这种紊乱通过损害海马区神经发生、促进神经元凋亡和引起氧化损伤来导致学习和记忆缺陷。我们的发现突显了Bmal1在调节这些效应中的关键作用，为了解ALAN对认知功能的影响提供了新的见解，并确定了预防ALAN引起的认知障碍的潜在靶点。
CRediT作者贡献声明
雷婷：撰写——原始草稿，可视化，概念化。夏杰：撰写——原始草稿，可视化。杜慧英：可视化。徐丹丹：可视化。何淼：撰写——审阅与编辑，监督。刘伟：监督。华慧：资金获取，概念化。杨天尧：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：NSFC 82204000）和上海市卫生健康委员会专项临床研究项目（项目编号：20234Y0309）的支持。
