天麻素通过抑制海马神经干细胞铁死亡减轻高果糖诱导的甜味偏好降低

Gastrodin attenuates high fructose-induced sweet taste preference decrease by inhibiting hippocampal neural stem cell ferroptosis.

作者信息Chuan-Feng Tang, Hong Ding, Ya-Qian Wu, Zi-An Miao, Zi-Xuan Wang, Wen-Xuan Wang, Ying Pan, Ling-Dong Kong
PMID39353531
期刊J Adv Res
发布时间2025-08
DOI10.1016/j.jare.2024.09.025

实验完整度

包含小鼠体内模型(高果糖饮食、脑内注射慢病毒)和体外细胞模型(NE-4c细胞、原代NSCs),并进行了RNA-seq、Western blotting、ChIP、荧光素酶报告基因等功能和机制验证。

主要模型

C57BL/6J小鼠模型 NE-4c细胞系 小鼠原代海马神经干细胞(NSCs)

重点核对

高果糖饮食(60%)持续12周 天麻素灌胃剂量(50、100、200 mg/kg) 脑内慢病毒注射位点(X:±1.5 mm, Y:-1.9 mm, Z:-2.3 mm) 细胞处理:果糖浓度(1-20 mmol/L)及处理时间(48-96 h) CISD1抑制剂NL-1(10 μmol/L)和铁螯合剂DFO(100 μmol/L)

摘要

INTRODUCTION: High fructose intake has been implicated as a risk factor for behavioral disorders, potentially through cell ferroptosis induction in the central nervous system. Neural stem cells (NSCs) are crucial for maintaining hippocampal neurogenesis to resist behavioral alterations. Gastrodin, derived from the traditional Chinese herb Gastrodia elata, has neuroprotective effect.OBJECTIVES: This study aimed to elucidate the underlying mechanism by which high fructose induces sweet taste preference and assesses the impact of gastrodin on hippocampal NSC ferroptosis.METHODS: Mice and cultured NSCs were treated with high fructose and/or gastrodin, respectively. NSC ferroptosis was evaluated by assay of lipid peroxidation and DNA double-strand breaks. Transcriptome sequencing (RNA-seq), Western blotting, and chromatin immunoprecipitation (ChIP) were employed to explore the potential mechanism underlying high fructose-induced NSC ferroptosis and the modulation of gastrodin. Simultaneously, specific gene expression was regulated by lentivirus injection into the hippocampus of mice.RESULTS: Our data showed that gastrodin mitigated sweet taste preference decline and hippocampal NSC ferroptosis in high fructose-fed mice, being consistent with reduction of reactive oxygen species (ROS) and iron accumulation in hippocampal NSC mitochondria. Mechanistically, we identified CDGSH iron-sulfur domain 1 (CISD1) as a mediator of NSC ferroptosis, with its expression being augmented by high fructose. Overexpression of Zic family member 2 (ZIC2) increased the transcription of Cisd1 gene. Additionally, overexpression of Zic2 with lentiviral vectors in hippocampus showed the decreased sweet taste preference in mice, consistently up-regulated CISD1 protein expression and reduced hippocampal NSC number. Gastrodin downregulated ZIC2 expression to inhibit CISD1 transcription in its attenuation of high fructose-induced NSC ferroptosis and sweet taste preference decrease.CONCLUSION: Collectively, high fructose can drive hippocampal NSC ferroptosis by upregulating ZIC2 and CISD1 expression, thereby contributing to the decline in sweet taste preference. Gastrodin emerges as a promising agent for mitigating NSC ferroptosis and improving sweet taste preference.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
高果糖如何诱导小鼠甜味偏好降低及其潜在机制,以及天麻素是否能通过抑制海马神经干细胞铁死亡来改善这一效应。
核心机制
高果糖通过上调ZIC2表达,ZIC2直接结合Cisd1基因启动子区域促进其转录,增加CISD1蛋白水平,导致海马神经干细胞线粒体铁积累和脂质过氧化,诱导铁死亡,进而导致甜味偏好降低。天麻素通过抑制ZIC2表达下调CISD1转录,减轻铁死亡。
主要证据
体内实验显示高果糖饮食小鼠出现甜味偏好降低和海马NSC铁死亡,天麻素处理后改善;体外NE-4c细胞和原代NSCs中,果糖诱导ZIC2和CISD1表达,脂质过氧化和铁死亡;ZIC2过表达加重铁死亡,天麻素抑制ZIC2/CISD1通路。
研究意义
天麻素可能作为抑制海马NSC铁死亡和改善甜味偏好的潜在治疗剂,为高果糖饮食引起的中枢神经系统行为紊乱提供治疗策略。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

高果糖饮食小鼠模型的建立与天麻素干预

评估高果糖饮食是否诱导甜味偏好降低和海马NSC铁死亡,并检验天麻素的保护作用。

C57BL/6J小鼠给予标准饮食或60%高果糖饮食12周,部分小鼠接受天麻素(50、100、200 mg/kg)或吡格列酮(30 mg/kg)灌胃8周。进行蔗糖偏好实验、旷场实验、强迫游泳实验和悬尾实验,并检测海马脑片中TUNEL阳性细胞和NESTIN/GFAP阳性NSC数量。

2

高果糖对NSC铁死亡的诱导及天麻素的抑制

验证高果糖是否诱导NSC铁死亡(脂质过氧化、线粒体铁积累、ROS产生),以及天麻素能否逆转这些效应。

小鼠原代海马NSCs和NE-4c细胞经果糖处理,检测BODIPY 581/591 C11荧光、MDA水平、线粒体Fe2+和ROS水平。天麻素(20、40、80 μmol/L)处理检测其抑制作用。

3

转录组测序及CISD1介导的铁死亡机制

鉴定高果糖诱导NSC铁死亡的关键分子,并验证CISD1的作用。

NE-4c细胞经10 mmol/L果糖处理96 h后进行RNA-seq,发现CISD1表达上调。使用NL-1(CISD1抑制剂)或shRNA-Cisd1敲低验证其对mito-Fe2+、mito-ROS、脂质过氧化和细胞死亡的抑制作用。

4

ZIC2对Cisd1转录的直接调控

确定转录因子ZIC2是否直接结合Cisd1启动子并增强其表达。

通过JASPAR预测ZIC2结合位点,构建包含Cisd1启动子片段的荧光素酶报告基因,检测ZIC2过表达的影响;ChIP实验验证ZIC2与启动子的结合。

5

体内调控ZIC2验证其对NSC铁死亡和甜味偏好的影响

验证ZIC2过表达是否诱导海马NSC铁死亡和甜味偏好降低,以及天麻素是否能逆转这些效应。

通过脑内注射shRNA-Zic2或Zic2过表达慢病毒,检测海马中CISD1和ferroptosis相关蛋白表达、NSC数量及SPT等行为。部分小鼠同时给予天麻素(200 mg/kg)口服。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
标准饲料Xietong Shengwu--
60%高果糖饲料Xietong Shengwu--
Accutase消化液MilliporeSCR005
神经干细胞培养基ProcellCM-M139
离心机 5180REppendorf--
70 μm筛网SPL Life Sciences93070
NE-4C细胞培养基ScienCellJ10001-4
果糖Sigma AldrichF0550000
去铁胺MedChemExpressHY-D0903
NL-1(CISD1抑制剂)MedChemExpressHY-135231
天麻素MedChemExpressHY-N0115
吡格列酮MedChemExpressHY-P1645
脂质体2000转染试剂Invitrogen11668019
油红O染色试剂盒BeyotimeC0158
苏木素染色液BeyotimeC0107
脂质过氧化(MDA)检测试剂盒BeyotimeS0131
BODIPY 581/591 C11探针InvitrogenD3861
线粒体Fe2+荧光探针DojindoM489
线粒体ROS荧光探针AAT Bioquest16052
Annexin V-FITC----
PI/Hoechst染色试剂盒BeyotimeC1056
荧光素TUNEL检测试剂盒ServicebioG1501
抗CISD1抗体CST837755
抗ZIC2抗体Abcamab150404
抗ChREBP抗体CST58069
抗FASN抗体CST31805
抗ACLY抗体Proteintech15421-1-AP
抗ELOVL6抗体Proteintech21160-1-AP
抗SCD1抗体Abcamab236868
抗GPX4抗体CST59735
抗KEAP1抗体CST8047
抗TfR1抗体Abcamab269513
抗PRDX3抗体Abcamab73349
抗β-肌动蛋白抗体CST4970
抗GAPDH抗体Proteintech60004-1-1g
Trizol试剂Invitrogen15596026
HiScript II 逆转录预混液VazymeR222-01
SYBR Green荧光染料VazymeQ311-03
荧光素酶检测系统PromegaE1501
CHIP-IT Express试剂盒Active Motif53008
miRNeasy Micro试剂盒Qiagen1071023
shRNA-Zic2慢病毒Heyuan Biotech--
Zic2过表达慢病毒Heyuan Biotech--
共聚焦显微镜----
流式细胞仪 (Attune NxT)Invitrogen--
qRT-PCR检测系统Bio-Rad Laboratories--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物实验
小鼠品系、性别、年龄:C57BL/6J雄性,4周龄;饮食:标准饮食或60%高果糖饮食,12周;天麻素剂量:50、100、200 mg/kg每日一次灌胃8周;吡格列酮剂量:30 mg/kg灌胃8周
阅读提示:Methods 2.2 高果糖饮食程序和行为测试
细胞实验
NE-4C细胞培养条件:培养基(J10001-4)、多聚D-赖氨酸包被;果糖处理浓度(1-20 mmol/L)和时间(48-96 h);天麻素浓度(20-80 μmol/L);其他药物(DFO、NL-1、吡格列酮)浓度
阅读提示:Methods 2.6 NE-4c细胞培养、处理和相关检测
慢病毒脑内注射
小鼠品系、性别、年龄;注射坐标(X: ±1.5 mm, Y: -1.9 mm, Z: -2.3 mm);慢病毒类型(shRNA-Zic2或Zic2过表达)及注射体积;注射后时间(3周)
阅读提示:Methods 2.3 脑内慢病毒注射调控ZIC2表达
行为学检测
SPT具体条件(1%蔗糖溶液、24小时饮水剥夺、2小时测试);OFT、FST、TST的参数(如测试时间、设备);行为测试间隔(1-3天)
阅读提示:Methods 2.2 高果糖饮食程序和行为测试
分子机制检测
RNA-seq分析条件及差异基因筛选阈值;ChIP实验条件(抗体、磁珠、交联时间);荧光素酶报告基因构建(Cisd1启动子片段、ZIC2结合位点预测);qRT-PCR引物序列(Cisd1等)
阅读提示:Methods 2.9-2.11 及补充方法