增强唐氏综合征小鼠蛋白质O-连接N-乙酰葡糖胺化通过挽救线粒体生物能量学、应激反应和病理标志物改善记忆功能障碍

本研究针对唐氏综合征（DS）伴随的阿尔茨海默病（AD）样神经退行性病变，通过抑制O-GlcNAcase（OGA）活性增强蛋白质O-GlcNAc修饰（O-GlcNAcylation），发现短期鼻内给予OGA抑制剂Thiamet G（TMG）可恢复大脑皮质O-GlcNAc稳态，改善线粒体功能、减轻氧化应激并减少APP/Tau病理磷酸化，最终提升Ts2Cje小鼠的识别记忆能力，为代谢干预DS神经病理提供了新靶点。

　　

在神经退行性疾病研究领域，唐氏综合征（Down syndrome, DS）与阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）的病理关联一直是科学家关注的焦点。DS患者由于21号染色体三倍体导致APP基因过表达，通常在40岁前出现Aβ斑块和神经纤维缠结等AD特征性病理改变。更棘手的是，DS大脑还存在葡萄糖代谢异常、线粒体功能缺陷和氧化应激加剧等问题，这些因素共同加速了认知衰退。近年来，蛋白质翻译后修饰O-连接N-乙酰葡糖胺化（O-GlcNAcylation）的异常被发现在AD和DS中扮演关键角色——这种动态可逆的单糖修饰通过与磷酸化竞争相同位点，调控着包括Tau和APP在内的大量蛋白质功能。然而，O-GlcNAc循环如何参与DS神经病理进程，能否成为干预靶点，仍是未解之谜。

为回答这些问题，来自意大利罗马第一大学（Sapienza University of Rome）的研究团队在《Redox Biology》发表重要成果。他们采用Ts2Cje三体小鼠模型，通过鼻内给药方式短期施用OGA特异性抑制剂Thiamet G（TMG），系统评估了增强O-GlcNAc修饰对神经病理和认知功能的影响。研究运用了包括二维电泳蛋白质组学、高分辨率线粒体耗氧量测定、亚细胞组分分离、免疫荧光共定位分析等关键技术，并结合行为学测试，揭示了TMG治疗的多重获益机制。

3.1 TMG鼻内给药降低OGA活性并增加大脑皮质O-GlcNAc水平
研究发现6月龄Ts2小鼠皮质O-GlcNAc水平降低33%，伴随OGA蛋白表达升高134%和AMPK活性下降。经5天TMG处理后，O-GlcNAc水平在Ts2小鼠中提升79%，同时OGA酶活性被抑制30%。有趣的是，总蛋白丝氨酸/苏氨酸磷酸化（pS/T）与O-GlcNAc呈负相关，TMG使Ts2小鼠pS/T降低65%，提示其恢复了两种修饰的动态平衡。

3.2 蛋白质组学鉴定TMG调控的O-GlcNAc修饰蛋白
通过2-DE联合质谱分析，研究人员鉴定出120种O-GlcNAc水平升高的蛋白质。生物信息学分析显示这些蛋白主要参与能量代谢（如糖酵解、三羧酸循环）、线粒体功能、抗氧化反应和细胞骨架重构。特别值得注意的是，14-3-3信号通路、线粒体蛋白降解和NRF2介导的抗氧化通路被显著富集，为后续机制研究提供了方向。

3.3 TMG挽救线粒体生物能量学缺陷
高分辨率呼吸测定显示TMG使Ts2小鼠复合体I活性提高3.2 pmol/s/mg蛋白，复合体IV活性也有提升趋势。Western blot证实复合体I亚基NDUFB8和复合体II亚基SDHB表达分别增加74%和39%。亚细胞分离实验发现线粒体短型OGA（S-OGA）减少41%，而OGT增加25%，伴随线粒体生物发生标志物TFAM表达上调41%，这些改变共同促进了线粒体功能恢复。

3.4 TMG增强抗氧化应激能力
TMG治疗使Ts2小鼠NRF2基因表达恢复至正常水平，核NRF2蛋白增加55%，NRF2/BACH1核比率提升62%。下游抗氧化酶HO-1表达升高35%，同时氧化损伤标志物3-硝基酪氨酸（3-NT）和蛋白羰基（PC）分别降低15%和12%。内质网应激标志物ATF4水平在TMG处理后显著下降，显示整体细胞应激状态改善。

3.5 TMG减少APP和Tau病理磷酸化
免疫荧光显示TMG使Ts2小鼠APP Thr⁶⁶⁸磷酸化（pAPP T668）信号降低76%，ELISA检测到可溶性Aβ_1-42减少69 pg/mL。共定位分析表明pAPP T668与O-GlcNAc的空间重叠减少12%。类似地，Tau在Ser²⁰²/Tyr²⁰⁵（AT8）和Thr¹⁸¹位点的磷酸化分别降低2.5倍和32%，证实TMG通过调节PTM平衡减轻了AD样病理。

3.6 认知功能改善
新颖物体识别（NOR）测试显示TMG使Ts2小鼠偏好指数从低于50%提升至正常水平，辨别指数（DI）增加0.31，表明短期治疗即可显著改善识别记忆。但Y迷宫测试未发现空间记忆变化，提示不同记忆域对治疗响应存在差异。

这项研究首次系统阐明了O-GlcNAc修饰在DS神经病理中的枢纽作用：TMG通过抑制OGA不仅直接调节APP/Tau的磷酸化-O-GlcNAc平衡，还通过恢复线粒体功能、增强抗氧化防御和减轻内质网应激等多重机制发挥神经保护作用。特别值得注意的是，鼻内给药方式实现了药物脑靶向递送，为临床转化提供了重要参考。该成果不仅为理解代谢-遗传互作在DS认知衰退中的作用提供了新视角，更为开发针对O-GlcNAc循环的干预策略奠定了理论基础，这种治疗思路可能惠及更广泛的AD高危人群。随着TMG临床试验的推进，这项研究为代谢干预神经退行性疾病带来了令人期待的前景。