围产期 leptin 干预通过调控海马转录组谱预防年轻代谢性肥胖正常体重大鼠的认知损伤

本研究揭示了早期高脂饮食（HFD）诱导的代谢性肥胖正常体重（MONW）表型在年轻大鼠中引发海马转录组紊乱及工作记忆损伤，而围产期 leptin 补充可逆转这一过程。研究通过转录组分析发现海马中与突触功能、脂代谢和炎症相关的通路被显著扰动，并鉴定出外周血单核细胞（PBMC）中与海马变化重叠的基因标志物（如Piwil1）。该成果为早期营养干预改善认知健康及开发外周生物标志物提供了重要依据。

　　

引言

早期营养环境对长期认知与代谢健康具有深远影响。近年来研究发现，生命关键发育期的不良饮食习惯不仅影响代谢状态，还会损害认知功能。高脂饮食（HFD）即使在等热量条件下仍可诱发代谢性肥胖正常体重（MONW）表型，其特征包括内脏肥胖、胰岛素抵抗和肝脏脂质积聚，但不伴随明显肥胖。此前研究已证实，MONW 表型与认知功能损伤——尤其是海马依赖的学习记忆能力下降密切相关。

海马作为大脑中负责记忆编码与整合的关键区域，对代谢变化异常敏感。年轻大鼠短期摄入等热量 HFD 即可呈现 MONW 特征并伴随工作记忆缺陷，这些变化亦可在外周血单核细胞（PBMC）的转录组中有所反映。值得注意的是，leptin 作为一种存在于母乳中的激素，在围产期程序化中发挥重要作用。既往研究表明，围产期 leptin 干预不仅可对抗肥胖及 MONW 表型，还因其在海马中广泛表达的长型 leptin 受体（LepRb）而显著影响神经发生、突触可塑性和认知功能。

实验设计与方法

本研究使用雄性 Wistar 大鼠，于哺乳期（出生后第1–20天）接受 leptin 或 vehicle 处理，断奶后以配对喂养方式分别接受标准饮食（NW组）或高脂饮食（MONW组），而 leptin 处理组（MONW-Lep）同样接受 HFD。在动物达到3.5月龄时，采集海马组织与 PBMC 进行转录组分析。使用 Affymetrix 基因芯片检测海马基因表达，并通过 RT-qPCR 对候选基因（如 Piwil1）进行验证。行为学测试采用 T 迷宫自发交替任务评估工作记忆。代谢参数包括体成分、脂肪含量、肝脏脂质以及空腹血糖、胰岛素、leptin 水平等也被系统分析。

结果

动物模型基本特征

与 NW 组相比，MONW 组动物虽体重无差异，但体脂百分比、内脏脂肪含量以及肝脏脂肪沉积均显著增加，同时伴有高 leptin 血症、胰岛素抵抗（HOMA-IR 升高）以及 T 迷宫任务表现下降。而 MONW-Lep 组在维持正常体重和体脂的同时，代谢参数和认知行为均得到显著改善，表明 neonatal leptin 干预有效阻止 HFD 诱导的代谢和认知缺陷。

海马差异表达基因与通路富集

海马转录组分析显示，MONW 组与 NW 组比较出现304个差异表达基因（DEGs），而 MONW-Lep 组仅出现234个 DEGs。热图分析显示，MONW-Lep 的转录谱更接近 NW 组，提示 leptin 对 HFD 诱导的转录扰动具有逆转作用。功能富集分析（ExpressAnalyst 和 Metascape）显示，MONW 组海马中突触相关通路（如“轴突”“树突”“突触前膜”）、脂代谢与炎症通路显著富集。这些变化与神经发育、能量代谢和神经炎症调控密切相关。

关键基因的变化及其功能注释

在 MONW 组中，表达上调的基因包括 Bhlhe23、Cpne5、Gopc、Rasgrp2、Satb2等，它们多参与神经元分化和突触功能调控；而下调基因如 Alx1、Ccni、Prickle3、Prmt7 等则涉及神经发育。值得注意的是，与阿尔茨海默病（AD）和肥胖均相关的基因 Cpne5 以及嗅觉受体基因 Olr1082 也发生显著变化，提示 MONW 表型可能通过多种机制影响认知。在 MONW-Lep 组中，这些基因的表达变化大多被 leptin 干预所逆转。

PBMC 与海马转录组的重叠及生物标志物挖掘

对比先前已发表的 PBMC 转录组数据，研究发现7个基因在海马与 PBMC 中共同差异表达，包括 Piwil1、Trib1 等。其中，Piwil1 作为一个与代谢综合征和神经退行均相关的基因，在 MONW 组海马及 PBMC 中均显著上调，且在年仅2月龄时已呈现变化。RT-qPCR 结果进一步证实，leptin 处理可阻止 Piwil1 的表达升高。相关性分析显示，海马 Piwil1 表达与 T 迷宫表现呈负相关，而 PBMC 中 Piwil1 与体脂含量呈正相关，支持其作为早期认知风险生物标志物的潜力。

讨论

海马转录组改变与认知障碍的机制关联

本研究系统揭示了年轻 MONW 大鼠海马中脂代谢紊乱、神经炎症和突触功能相关通路异常激活的转录组基础。关键基因如 Alx1、Prmt7 等下调可能影响海马结构与功能完整性，而 Cpne5、Prokr2 等基因的上调则进一步链接了 MONW 表型与 AD 风险。此外，糖代谢相关基因 Pklr 下调提示神经元能量供应障碍，而 Mrap 下调可能反映脑内糖皮质激素信号异常，共同促成认知缺陷。

Leptin 的神经保护作用与机制

Leptin 干预显著恢复了海马基因表达谱、代谢参数以及认知行为。其保护机制可能涉及多方面的调节：leptin 通过增强突触可塑性、抑制神经炎症、促进神经发生和血管生成（如 Vegf 表达上调）等途径维护海马功能。同时，leptin 还通过改善全身胰岛素敏感性和脂肪代谢，间接保护中枢认知功能。

PBMC 作为认知健康早期预警生物标志物的价值

本研究突出强调了 PBMC 与海马之间在转录组层面的高度一致性，尤其是“轴突”“细胞连接”等通路在两种组织中同时受影响，证实了利用外周血进行脑健康监测的可行性。基因如 Piwil1 不仅与代谢异常密切相关，还在极早期即可在 PBMC 中检测到变化，且与认知表现显著相关，因此具备作为预警生物标志物的巨大潜力。

结论与展望

本研究通过转录组学方法深入揭示了早期 HFD 诱导的 MONW 表型导致海马功能紊乱和认知损伤的分子机制，并证实围产期 leptin 干预可有效阻止这一过程。同时，发现 PBMC 可反映脑内转录变化，其中 Piwil1 等基因可作为早期认知衰退的生物标志物。这些结果强调早期营养干预对终身认知健康的重要性，并为开发基于外周标志物的早期预警策略提供理论依据。未来的研究需拓展至雌性动物，并进一步探索 leptin 调控海马功能的具体信号通路。