跑臺運動對APP-PS1轉基因小鼠學習和記憶的影響及其機制的研究.pdf

1、前言：阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)是一種原發(fā)性神經退行性疾病。早期主要的臨床表現為漸進性學習和記憶能力減退。目前病因尚不明確,普遍認為是一種與遺傳、環(huán)境等多因素相關的神經系統(tǒng)變性疾病。目前尚無特效的治療藥物和手段。
　　 運動是中樞神經系統(tǒng)有效的刺激形式,運動對大腦的功能重組和代償起著重要作用。眾多研究表明,運動不僅能夠提高普通人群的認知能力,還能減緩AD的發(fā)病和進展。盡管體力活動對AD治療的潛在

2、作用被廣泛接受,但是有關運動對AD作用的機制研究尚不多見。
　　 海馬長時程增強(long-term potentiation,LTP)是研究學習和記憶的理想模型,也是研究AD認知損害相關機制的生物模型。研究證明,不同類型的AD轉基因動物模型均出現海馬LTP減弱,并且AD轉基因小鼠海馬環(huán)路的突觸傳遞異常早于Aβ沉積和神經細胞變性。因此,增強海馬LTP的誘導和維持,對AD的學習和記憶能力的改善具有重要意義。
　　 AD主要

3、的病理特征是神經細胞之間大量的老年斑(senile plaque,SP)和神經細胞內神經纖維纏結(neurofibrillary tangle,NET),并伴有神經元及突觸缺失。Β淀粉樣蛋白(β-amyloid protein,Aβ)是構成AD特征性病理改變-老年斑的核心物質,是β淀粉樣前體蛋白(beta amyloid precursor protein,APP)經酶切后的毒性產物。研究表明,學習和記憶行為學改變與Aβ沉積關系極為密切

4、。因此,研究Aβ在AD發(fā)病過程中的作用對揭示AD的病理變化和防治機制都具有重要意義。
　　 腦源性神經營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)是保護和維持神經元發(fā)育、神經突觸可塑性和神經細胞活性的重要因子,在海馬依賴的學習和記憶調控中具有重要作用。BDNF參與調節(jié)運動對腦的有益作用,并與突觸可塑性增強有關。
　　 在學習和記憶及突觸可塑性的機制研究中,信號轉導通路受到關注。

5、大量研究證實,IXP與學習和記憶形成的分子機制有高度一致性。因此,探討運動對誘導LTP的主要信號分子及其通路的影響,對于了解運動提高學習和記憶能力的相關機制有著重要的指導意義。細胞外信號調節(jié)蛋白激酶(extracellular signal regulatedkinase,ERK)/cAMP反應元件結合蛋白(cAMP-response-element binding protein,CREB)信號途徑對突觸可塑性具有十分重要的作用。研究

6、提示,ERK/CREB信號途徑是記憶形成的調節(jié)途徑之一,長期過量的Aβ刺激,可導致ERK水平下調,影響CREB磷酸化過程,引發(fā)記憶障礙。
　　 綜上所述,我們假設,運動通過增強AD海馬的LTP來改善其學習和記憶損害可能與BDNF有關,ERK-CREB通路的各元件因子可能發(fā)揮重要作用。
　　 本研究實驗動物選用Aβ淀粉樣前體蛋白(β-Amyloid precursor protein,APP)/早老素基因1(preseni

7、lin-1,PS1)雙轉基因小鼠,擬通過觀察跑臺運動對APP/PS1雙轉基因小鼠的學習和記憶行為學、電生理學、神經病理學及分子生物學指標的影響,分別從整體水平、細胞水平及蛋白分子水平,揭示跑臺運動對AD的防治效果,并進一步闡明運動對AD作用的細胞和分子機制。本研究為AD的防治提供理論基礎,對提高AD患者的生存質量,改善其功能障礙,減輕家庭及社會負擔具有重要意義。
　　 材料和方法：3月齡32只野生性小鼠及32只APP/PS1轉基

8、因小鼠各隨機分為兩組:野生型小鼠對照組(WtC)、野生型小鼠運動組(WtE)、轉基因小鼠對照組(TgC)、轉基因小鼠運動組(TgE)。運動組小鼠進行2天適應性訓練后,開始正式訓練。每天進行跑臺訓練30分鐘,以5m/min的速度開始運動5min,后以8m/min的速度持續(xù)運動5min,最后以11m/min的速度持續(xù)運動20min。
　　 5個月運動訓練結束后,利用Morris水迷宮測試觀察各組小鼠學習和記憶行為學變化。行為學實驗后

9、,小鼠繼續(xù)飼養(yǎng)1周,隨后進行電生理學實驗。
　　 電生理測試結束后,每組6只小鼠馬上斷頭取腦,剝離海馬,一半海馬快速投入液氮速凍,-80℃冰箱保存,待檢測BDNF、p-ERK1/2、ERK1/2、p-CREB和CREB的蛋白表達水平。另一半海馬加入Trizo1,-80℃冰箱保存,待檢測BDNF、ERK1/2和CREB的基因表達水平。每組另取6只小鼠腦進行石蠟包埋,進行HE染色、尼氏染色及Aβ的免疫組織化學檢測。剩余小鼠電鏡觀察海

10、馬神經元的超微結構。
　　 實驗數據均以X-±S表示,組問比較采用雙因素方差分析;電生理實驗中群體鋒電位(population spike,PS)幅值及場興奮性突觸后電位(field-excitatorypostsynaptic potential,f-EPSP)斜率組內比較采用兩樣本均數t檢驗;隱蔽平臺實驗中逃避潛伏期和路徑長度的組內比較采用重復測量數據方差分析。LTP發(fā)生率采用卡方檢驗。P＜0.05表示差異具有顯著性。

11、>　　 結果：
　　 1、跑臺運動對學習和記憶能力的影響水迷宮結果顯示,轉基因小鼠出現明顯的學習和記憶能力下降,跑臺運動明顯改善轉基因小鼠的學習和記憶損害。
　　 2、跑臺運動對海馬在體LTP的影響WtC組小鼠LTP發(fā)生率高于TgC組小鼠,并且僅在TgC組小鼠中發(fā)現LTD(long-term depression,LTD)。但是,各組小鼠LTP發(fā)生率差異不具顯著性(P＞0.05)。與野生型小鼠相比,轉基因小鼠海馬LTP

12、明顯減弱,運動可增強轉基因小鼠海馬LTP。
　　 3、跑臺運動對神經病理學的影響HE和尼氏染色結果顯示,轉基因AD小鼠海馬齒狀回(dentate gyrus,DG)神經元數量明顯減少,排列稀疏,神經元細胞核固縮多見,尼氏小體數量明顯減少,尼氏體分界不清。透射電鏡觀察結果顯示,轉基因小鼠海馬神經元可見細胞核變性、固縮,核膜模糊不清,部分溶解,不連續(xù),線粒體普遍腫脹,線粒體膜結構不清,嵴紊亂,嵴數量減少或消失,部分線粒體出現空泡化。

13、跑臺運動減輕AD轉基因小鼠神經元的損傷程度。
　　 Aβ免疫組織化學染色結果顯示,轉基因小鼠海馬DG區(qū)可見大量棕黃色Aβ呈團簇樣或斑塊樣沉積,跑臺運動使Aβ沉積明顯減少。
　　 4、跑臺運動對BDNF基因和蛋白表達的影響轉基因小鼠海馬組織中BDNF基因和蛋白表達均上調,運動可明顯降低轉基因小鼠BDNF基因和蛋白的表達水平。
　　 5、跑臺運動對ERK1/2基因和蛋白表達的影響轉基因小鼠雖然出現ERK1/2基因和蛋

14、白表達水平上調,但p-ERK1/2蛋白表達下調;跑臺運動提高野生型小鼠海馬p-ERK1/2和ERK1/2的基因和蛋白表達水平,但是運動下調AD轉基因小鼠ERK1/2基因和蛋白表達,卻使p-ERK1/2蛋白表達上調。
　　 6、跑臺運動對CREB基因和蛋白表達的影響各組小鼠海馬組織中p-CREB及CREB基因和蛋白表達水平與p-ERK1/2和ERK1/2的表達趨勢一致。
　　 結論：
　　 1、跑臺運動改善APP/

15、PS1轉基因小鼠學習和記憶的損害。
　　 2、跑臺運動增強APP/PS1轉基因小鼠海馬DG區(qū)的LTP。
　　 3、跑臺運動改善APP/PS1轉基因小鼠海馬DG區(qū)神經元形態(tài)和結構的損害。
　　 4、跑臺運動減少APP/PS1轉基因小鼠海馬DG區(qū)的Aβ沉積。
　　 5、跑臺運動使APP/PS1轉基因小鼠海馬組織中的BDNF表達下調。
　　 6、ERK/CREB信號轉導通路參與調節(jié)跑臺運動對APP/PS