高强度间歇训练通过减轻同型半胱氨酸诱导的Cldn5转录抑制改善慢性应激小鼠的认知功能障碍

High-intensity interval training improves cognitive dysfunction in chronically stressed mice through alleviating homocysteine-induced transcriptional repression of Cldn5.

作者信息Zhao-Xin Sun, Mao-Yang Zhou, Jin-Shan Li, Yun Zhao, Fang Xie, Xue Wang, Hong Feng, Zhao-Wei Sun, Ling-Jia Qian
PMID41035457
发布时间2025-09-15
DOI10.1016/j.ynstr.2025.100758

实验完整度

包含CUMS和HHCY两种体内模型,以及体外bEnd.3细胞实验和双荧光素酶报告基因验证;涵盖行为学、BBB通透性、TEM、Western blot、ELISA、IF、ChIP-qPCR等多层次功能与机制验证。

主要模型

C57BL/6J小鼠CUMS模型 C57BL/6J小鼠HHCY模型 bEnd.3小鼠脑微血管内皮细胞

重点核对

CUMS模型:6周慢性不可预测轻度应激,包含冷水游泳、食物水剥夺、束缚、足底电击等应激源 HHCY模型:1%甲硫氨酸饮食诱导 HIIT方案:跑台训练,每周5天,共11周,每日常规10组2分钟跑(速度17 m/min起步递增)加2分钟间歇 BBB通透性:NaFI注射(20 mg/ml,0.5 ml/只)后检测脑/血清荧光比 统计方法:双因素方差分析(Two-way ANOVA)伴Bonferroni事后检验

摘要

慢性应激诱导的血脑屏障(BBB)功能障碍与神经疾病相关,同型半胱氨酸(HCY)是关键风险因素。鉴于药物治疗的局限性,无创干预如高强度间歇训练(HIIT)具有前景。为确定HIIT是否能改善应激诱导的BBB功能障碍和认知障碍,我们首先建立了慢性不可预测轻度应激(CUMS)模型,并将小鼠分为四组:对照组(Ctrl)、CUMS组、HIIT组和HIIT+CUMS组。我们发现,HIIT显著改善了雄性CUMS小鼠的认知障碍,表现为水迷宫逃逸潜伏期缩短和新物体识别测试中记忆表现提高。HIIT还通过改善应激小鼠紧密连接破坏和BBB高通透性来维持BBB完整性。随后,为阐明HCY在HIIT介导效应中的作用,我们建立了HHCY模型,并将小鼠分为四组:Ctrl、HIIT、HHCY和HIIT+HHCY。结果显示,HIIT通过恢复相关代谢酶(包括CBS、MTHFR和MS)的表达,使血浆和海马HCY水平正常化,并减轻了HHCY诱导的认知衰退和BBB损伤。此外,HIIT通过抑制Cldn5(Claudin-5的编码基因)启动子区域的H3K27me3富集,逆转了HCY诱导的Claudin-5下调。另外,HIIT恢复了Cldn5转录激活因子ETS1的表达,促进Cldn5基因转录和BBB稳定。总之,这些发现表明HIIT通过消除HHCY对BBB完整性的破坏作用,改善慢性应激诱导的认知障碍,为应激相关认知缺陷提供了一种非药物干预潜力。

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
HIIT能否改善慢性应激导致的认知功能障碍,并阐明其是否通过调节HCY代谢及BBB相关基因的转录抑制发挥神经保护作用。
核心机制
HIIT通过恢复HCY代谢酶(CBS、MTHFR、MS)表达降低应激诱导的高同型半胱氨酸血症;进而抑制Cldn5启动子区H3K27me3富集,并恢复转录激活因子ETS1表达,共同促进Claudin-5转录,维持BBB完整性,改善认知功能。
主要证据
CUMS和HHCY小鼠模型的行为学测试(MWM、NORT)显示HIIT改善认知;TEM和NaFI渗透实验显示HIIT减轻BBB损伤;Western blot显示HIIT上调Claudin-5;ChIP-qPCR显示HIIT降低Cldn5启动子H3K27me3;体外HCY处理bEnd.3细胞及双荧光素酶报告实验证实ETS1与Cldn5启动子结合并激活转录。
研究意义
该研究揭示了HIIT通过表观遗传调控BBB功能改善应激相关认知障碍的分子机制,为压力相关神经系统疾病提供非药物干预策略的理论依据和实验证据。

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

建立CUMS模型并实施HIIT干预

评估HIIT对慢性应激诱导的认知障碍和BBB损伤的保护作用。

对6周龄雄性C57BL/6J小鼠施加6周CUMS,并在此期间进行11周HIIT跑台训练(每周5天,速度递增)。

2

行为学测试评估认知功能

检测HIIT对CUMS诱导的学习记忆缺陷的影响。

使用Morris水迷宫(MWM)和新物体识别(NORT)测试小鼠空间学习和记忆能力。

3

BBB完整性评估

检测HIIT对CUMS诱导的BBB紧密连接破坏和高通透性的恢复情况。

使用透射电镜观察海马紧密连接超微结构,并测定NaFI渗透评估BBB通透性。

4

检测HCY水平及代谢酶表达

探究HIIT是否通过调节HCY代谢酶来降低应激或HHCY诱导的高同型半胱氨酸血症。

通过ELISA检测血浆和海马HCY水平,Western blot检测海马和肝脏中HCY代谢酶(CBS、MTHFR、MS、CSE等)的表达。

5

建立HHCY模型验证HCY作用

通过高甲硫氨酸饮食诱导HHCY,验证HIIT是否通过降低HCY水平来改善认知和BBB功能。

给小鼠饲喂含1%甲硫氨酸的饮食建立HHCY模型,同时进行HIIT干预,评估行为学、BBB完整性及HCY水平。

6

检测Claudin-5表达及H3K27me3修饰

探究HIIT对Claudin-5蛋白表达及其基因启动子组蛋白甲基化修饰的影响。

Western blot检测海马Claudin-5蛋白水平,ChIP-qPCR检测Cldn5启动子区H3K27me3富集,免疫荧光共定位观察H3K27me3与Claudin-5。

7

体外验证ETS1与Cldn5的调控关系

验证ETS1能否结合Cldn5启动子并促进其转录,以及HCY是否影响ETS1表达。

在bEnd.3细胞中通过双荧光素酶报告实验检测ETS1与Cldn5启动子结合;用HCY处理bEnd.3细胞检测ETS1蛋白表达。

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
C57BL/6J小鼠Laboratory Animal Center of the Academy of Military Sciences--
荧光素钠盐----
RIPA裂解液ApplygenC1053+
蛋白酶抑制剂混合物BimakeB14001
BCA蛋白定量试剂盒----
PVDF膜----
化学发光检测系统----
同型半胱氨酸ELISA试剂盒FushengA104903
Claudin-5一抗Thermo Fisher Scientific35-2500
H3K27me3一抗Cell Signaling Technology9733
Alexa Fluor 488标记驴抗小鼠IgG二抗Jackson715-545-150
Cy3标记驴抗兔IgG二抗Jackson711-165-152
Hoechst染料SolarbioC0031
Simple ChIP Plus酶法染色质IP试剂盒Cell Signaling Technology9005
H3K27me3一抗Cell Signaling Technology9377
bEnd.3细胞系Wuhan Procell Life Science & Technology Co., Ltd.--
bEnd.3专用培养基ProcellCM-0598
同型半胱氨酸Sigma DiagnosticsH4628
GraphPad Prism 9.4.1软件GraphPad--

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
动物模型
CUMS模型:C57BL/6J雄性小鼠,6周龄;应激源包括4°C冷水游泳2分钟、禁食禁水12小时、束缚8小时、足部电击2分钟、脏笼、笼倾斜、昼夜节律扰乱;每天随机施加,同一应激不连续两天,共6周。HHCY模型:1%甲硫氨酸饮食。
阅读提示:Methods 2.3, 2.4
HIIT干预
跑台训练:热身5分钟(10 m/min),2分钟跑(起始17 m/min,每周增加1 m/min),10组,间歇2分钟,坡度为0°;每周5天,共11周。
阅读提示:Methods 2.5
BBB通透性检测
小鼠腹腔注射NaFI(20 mg/mL, 0.5 mL/只),45分钟后麻醉取血和脑组织,海马匀浆,检测荧光强度,计算脑/血清荧光比。
阅读提示:Methods 2.8
Claudin-5及表观遗传检测
Western blot检测海马Claudin-5;ChIP-qPCR检测Cldn5启动子H3K27me3富集;免疫荧光双标。
阅读提示:Methods 2.9, 2.11, 2.12
体外验证
bEnd.3细胞用HCY(Sigma, H4628)处理24小时;双荧光素酶报告实验验证ETS1与Cldn5启动子结合。
阅读提示:Methods 2.14, 2.15