运动和二甲双胍对慢性应激小鼠SIRT1及突触可塑性的影响

背景:据世界卫生组织报道,至2016年全球范围内各年龄段共有3.5亿人饱受抑郁症的折磨,从2005年至2015年间抑郁患者数量增加了 18.4%。据估计到2020年,抑郁症将成为人类第二大健康负担。研究发现,目前临床常用的抗抑郁药物会增加患糖尿病的风险;因此,急需研发针对代谢性疾病的抗抑郁药物或其它有效的干预和治疗手段。2015年,Nature报道了 Flint研究小组通过对重度抑郁症患者的基因序列分析发现的两个抑郁症相关突变部位,其中一个位于SIRT1基因附近,从而首次发现抑郁症相关基因。这一重大发现,为将SIRT1作为抗抑郁药物靶点的相关研究提供了重要依据。规律运动可以显著改善抑郁行为,然而其内在机制尚不明确。那么运动是否通过调节SIRT1表达影响突触可塑性进而调节抑郁行为,这值得深入研究。而二甲双胍作为治疗糖尿病的一线药物,新近研究发现其在癌症、认知记忆和抗衰老等方面发挥着广泛的生理学效应,但其在抑郁中扮演着何种角色尚不明确。目的:本研究旨在探究慢性不可预见性温和应激(chronic unpredictable mild stress,CUMS)小鼠模型中SIRT1及突触可塑性相关蛋白在海马和前额皮质中的表达变化,并进一步探究SIRT1在运动和二甲双胍调节抑郁行为中的作用及其分子机制。方法:C57BL/6健康雄性小鼠50只,5周龄,体重为18-20g,随机分为五组,包括:Con组,即普通对照组;CUMS组:实验小鼠接受七周慢性不可预见性温和应激;CUMS+Swim组:从实施CUMS的第四周起进行游泳运动干预;CUMS+Saline组:从实施CUMS的第四周起腹腔注射生理盐水;CUMS+Met组:从实施CUMS的第四周起腹腔注射二甲双胍(Metformin,Met),200mg/kg/day。实验干预结束后,所有组小鼠均接受行为学检测。行为学实验结束24h后断头处死,取海马、前额皮质组织。采用Real-time PCR技术检测小鼠海马和前额皮质中SIRT1、miRNA-124、miRNA-134、miRNA-138的基因表达水平,采用Western blot技术检测海马和前额皮质中SIRT1、CREB、BDNF、突触素(Synaptophysin,SYN)、GAP-43 的蛋白表达水平。结果:(1)与Con组相比,CUMS组小鼠体重非常显著性降低(P<0.01),糖水偏好显著减少(P<0.05),强迫游泳和悬尾实验中不动时间显著增加(P<0.05),旷场实验中探洞次数和站立次数非常显著性下降(P<0.01)、中央活动路程无显著性变化。与CUMS组相比,CUMS+Swim组小鼠体重在第0～4周均无显著性差异,在第5～7周均非常显著下降(P<0.01);糖水偏好无显著性差异;强迫游泳和悬尾实验中不动时间显著下降(P<0.05);旷场实验中探洞次数和中央活动路程均有非常显著性增加(P<0.01),站立次数也显著增加(P<0.05)。与CUMS+Saline组相比,CUMS+Met组小鼠体重、糖水偏好、悬尾实验中不动时间、旷场实验中站立次数和中央活动路程均无显著性差异,强迫游泳实验中不动时间显著下降(P<0.05),旷场实验中探洞次数显著增加(P<0.05)。(2)与Con组相比,CUMS组海马、前额皮质SIRT1 mRNA表达均显著降低(P<0.05),而SIRT1蛋白表达无明显变化。与CUMS组相比,CUMS+Swim组海马、前额皮质SIRT1 mRNA表达显著升高(P<0.05),CUMS+Swim组海马SIRT1蛋白的表达显著升高(P<0.05),前额皮质中未见蛋白表达的显著差异。与CUMS+Saline组相比,CUMS+Met组前额皮质SIRT1 mRNA表达显著升高(P<0.05),海马SIRT1 mRNA表达无显著差异,CUMS+Met组海马SIRT1蛋白表达极显著性增加(P<0.001),前额皮质SIRT1蛋白表达显著性增加(P<0.05)。(3)与 Con 组相比,CUMS 组海马 miRNA-134 和 miRNA-138 mRNA 表达、CREB 和BDNF蛋白表达显著降低(P<0.05),miRNA-124mRNA表达未见显著变化;前额皮质中 miRNA-124、miRNA-134、miRNA-138 mRNA 表达以及 CREB 和 BDNF 蛋白表达均无显著差异。与CUMS组相比,CUMS+Swim组小鼠海马miRNA-124 mRNA表达显著升高(P<0.05),miRNA-134 和 miRNA-138 mRNA 表达极显著性升高(P<0.01);前额皮质 miRNA-124 和 miRNA-134 mRNA 表达显著降低(P<0.05),miRNA-138 mRNA 表达无显著变化。与CUMS组相比,CUMS+Swim组小鼠海马BDNF蛋白表达显著增加(P<0.05),CREB蛋白表达有所上升,但未见显著差异;前额皮质中CREB和BDNF蛋白表达均无显著性差异。与CUMS+Saline组相比,CUMS+Met组海马和前额皮质中miRNA-124、miRNA-134 和 miRNA-138 mRNA 表达以及 CREB 和 BDNF 蛋白表达均无显著差异。(4)与Con组相比,CUMS组海马synaptophysin和GAP-43蛋白表达显著降低(P<0.05),前额皮质未见显著变化;与CUMS组相比,CUMS+Swim组海马synaptophysin和GAP-43蛋白表达显著升高(P<0.05),前额皮质未见显著变化;与CUMS+Saline组相比,CUMS+Met组小鼠海马synaptophysin和GAP-43蛋白表达显著升高(P<0.05),前额皮质未见显著变化。(5)相关分析显示,小鼠强迫游泳实验的不动时间与海马SIRT1基因表达呈负相关;悬尾实验的不动时间与海马SIRT1基因表达呈负相关;旷场实验站立次数与海马SIRT1基因表达呈正相关。海马SIRT1与synaptophysin蛋白表达呈正相关;海马SIRT1与GAP-43蛋白表达呈正相关。结论:(1)游泳运动和二甲双胍处理均能改善慢性不可预见性温和应激小鼠的抑郁行为。(2)慢性应激诱导小鼠抑郁行为与海马SIRT1表达下降有关,而游泳运动和二甲双胍处理均能上调慢性应激小鼠海马SIRT1水平进而改善抑郁行为。(3)慢性应激损害小鼠海马突触可塑性,可能涉及海马miRNAs表达紊乱;游泳运动积极改善应激小鼠海马突触可塑性并调节miRNAs表达紊乱,而二甲双胍处理改善应激小鼠海马突触可塑性可能并不通过调节miRNAs表达紊乱。