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撰文︱朱进飘
研究背景介绍
睡眠是生命体维持正常情绪反应与高级认知的关键,而睡眠障碍被视为是记忆巩固和情绪反应的削弱器。这有可能与睡眠不足诱发的突触能量需求紊乱密切相关。有研究报道,长期睡眠不足会导致前额叶皮层、丘脑和纹状体等脑区的葡萄糖代谢下降。然而,目前尚不清楚改善大脑能量代谢能否恢复受损的神经功能。Sirtuins (Sirt)是NAD+依赖蛋白脱乙酰酶家族,由7个成员组成(Sirt1-7),参与多种生物过程,包括转录和代谢。其中Sirt6是葡萄糖代谢的重要调节因子,在葡萄糖稳态和基因组稳定性中发挥着关键作用。最新研究表明,Sirt6参与维持新皮层的能量代谢,Sirt6的缺失可能导致过早衰老,加剧阿尔茨海默病的发生发展。但Sirt6是否参与睡眠剥夺诱发的神经元代谢紊乱以及靶向调控神经元Sirt6是否逆转睡眠剥夺导致的情绪及记忆障碍,需进一步阐明。
论文摘要
近期,武汉大学张宗泽教授、中国科学院王杰研究员与广州医科大学林康广教授团队在《中国神经再生研究(英文版)》(Neural Regeneration Research)上发表了题为“Overexpression of Sirt6 ameliorates sleep deprivation induced-cognitive impairment by modulating the functions of the glutamatergic neuron”的文章。研究发现,慢性睡眠剥夺后,内侧前额叶皮层(PrL)神经元上Sirt6表达下降;过表达Sirt6能够逆转睡眠剥夺诱导的谷氨酸能神经元的代谢下降,增加神经元放电频率及微小兴奋性突触后电流的频率和幅值,同时增强了PrL与扣带回、纹状体、杏仁核、小脑等脑区的功能连接,最终逆转了慢性睡眠剥夺诱导的情绪及记忆障碍。该研究证实靶向调控Sirt6可能是治疗睡眠障碍诱发的相关精神疾病的一种新策略。朱进飘博士生和陈畅副教授为论文共同第一作者,林康广教授、张宗泽教授和王杰研究员为共同通讯作者。
结果分析与阐述
以往研究表明,慢性睡眠剥夺(CSD)可诱发大脑广泛脑区葡萄糖代谢下降。Sirt6基因广泛表达中枢神经系统中,且对神经细胞的葡萄糖代谢极其重要,因此研究者检测了PrL脑区神经元Sirt6表达情况,结果表明CSD能够降低神经元Sirt6的蛋白表达水平(图1)。研究人员利用AAV病毒携带Sirt6基因靶向PrL神经元使其过表达Sirt6,并检测了病毒的特异性,发现Sirt6蛋白能高丰度地在神经元表达,同时并不泄露至星形胶质细胞和小胶质细胞等。
作者首先探讨了Sirt6是否逆转CSD引起的情绪及记忆损伤。研究发现CSD小鼠在旷场中央停留时间减少,同时表现出焦虑及社交偏好指数下降;当过表达Sirt6后,CSD小鼠的焦虑与社交障碍行为得到显著改善,同时在新物体识别实验和Y迷宫实验中,小鼠均表现出较高的记忆水平,研究结果表明Sirt6的过表达可以有效改善睡眠剥夺诱导的情绪以及记忆受损(图2)。
作者进一步探讨过表达Sirt6是否影响神经细胞的代谢,利用磁共振波谱代谢动力学,经尾静脉向小鼠体内流动注射13C标记的葡萄糖或醋酸钠分别用于检测神经元和星形胶质细胞的代谢动力学。结果发现CSD显著降低神经元和星形胶质细胞Glu4、Gln4和GABA2的13C富集率,而过表达Sirt6只改善神经元Glu4、Gln4和GABA2的代谢水平,对星形胶质细胞的代谢并不影响,这恰恰与Sirt6特异性表达在神经元是相一致,同时说明了神经元的代谢并不影响星形胶质细胞的代谢。研究者好奇Sirt6是否通过调控谷氨酸代谢关键酶的基因转录来影响谷氨酸的代谢?因而进一步检测了谷氨酸合成酶1(Glu1)和GABA氨基转移酶(Abat)的基因水平,证实了CSD显著降低Glu1和Abat的表达,过表达Sirt6能够恢复Glu1和Abat的基因水平(图3),结果提示Sirt6可能通过调控Glu1和Abat的转录来影响神经元的谷氨酸和GABA的代谢。
神经元代谢紊乱伴随着神经元突触异常,作者进一步探讨了Sirt6是否能够逆转CSD引起的突触结构和功能的异常。借助病毒稀疏标记技术,作者定量分析了谷氨酸能神经元的树突棘的数量,发现CSD可显著性降低树突棘数量,而过表达Sirt6能够恢复树突棘的数量。接着,采用脑片膜片钳技术,作者发现过表达Sirt6可显著改善CSD诱导的微小兴奋性突触后电流的频率与幅值,并伴随着放电频率的恢复(图4)。
另外,作者进一步探讨了Sirt6对全脑脑脑功能网络的影响。采用功能磁共振技术(fMRI),以PrL为种子点,观察PrL与全脑功能连接的强度变化。研究发现CSD可显著性降低PrL与扣带回、纹状体、杏仁核、小脑等脑区的功能连接,而过表达Sirt6后则显著性恢复PrL与上述脑区的功能连接(图5)。
综上所述,Sirt6对改善慢性睡眠剥夺导致的情绪以及记忆受损非常重要。作者的研究表明,特异性在神经元水平上过表达Sirt6对恢复神经元代谢水平,有利于谷氨酸能神经元的突触稳态。此项研究结果将为睡眠障碍诱发的相关性精神疾病的治疗策略提供了研究基础。但是,该研究中过表达Sirt6是通过向PrL脑区注射入AAV病毒,在实现向人体转化存在一定的局限性;因此,在未来的研究中,有望继续探讨口服的Sirt6特异性激动剂,或者开发靶向性的小分子化合物,提供更加安全可行的治疗策略。
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