在早期生活忽视模型中，牛磺酸可调节海马区的BDNF/TrkB/ERK1/CREB信号通路及行为表现

《Behavioural Brain Research》：Taurine modulates hippocampal BDNF/TrkB/ERK1/CREB signaling and behavioral outcomes in a model of early life neglect

　　穆罕默德·梅赫迪·奥马蒂|赫雷什·雷扎伊|宋舒哲|常若瑶|阿斯玛·纳吉比|塞皮德·马加米|基安娜·优素菲普尔|侯赛因·尼克纳哈德|雷扎·海达尔
中国河南省洛阳市471000，河南科技大学动物科学技术学院，环境与动物产品安全河南省重点实验室

**摘要**
早期生活中的创伤/压力与行为异常、记忆障碍以及长期神经发育异常有关。脑源性神经营养因子（BDNF）及其相关信号通路在将压力与神经系统并发症联系起来中的作用已得到研究。牛磺酸是体内最丰富的非蛋白氨基酸，已知对中枢神经系统有显著影响，但其确切作用机制尚不明确。本研究旨在探讨在母子分离和早期断奶模型中，牛磺酸对海马体中BDNF/TrkB/ERK1/CREB信号通路的影响，以及其对记忆、认知缺陷和抑郁样行为的作用。研究给对照组和母子分离及早期断奶模型组的小鼠后代分别给予不同剂量的牛磺酸（50和100毫克/千克，皮下注射，从出生后第6天开始）。行为测试显示，青春期时这些小鼠出现显著的记忆障碍和抑郁样行为，而成年后的记忆指标则无显著变化。值得注意的是，牛磺酸处理显著改善了青春期的记忆障碍，并减少了认知紊乱和抑郁相关指标（出生后第35天）。在母子分离及早期断奶组中，青春期时BDNF、TrkB、ERK1和CREB的表达/水平显著下降，而成年期则无显著变化（出生后第85天）。有趣的是，牛磺酸处理显著提升了幼年和成年小鼠BDNF/TrkB/ERK1/CREB信号通路的各组成成分。这些结果表明，牛磺酸可能通过调节BDNF/TrkB/ERK1/CREB通路，具有缓解早期生活创伤引发的神经发育缺陷的潜在治疗作用。鉴于该信号通路在多种中枢神经系统疾病中的关键作用，有必要进一步研究牛磺酸在中枢神经系统中的作用，以明确其作为应对压力相关神经发育和神经行为疾病候选物的潜力。

**引言**
童年时期的忽视和不良经历可能对大脑的发育和功能产生长期且深远的影响[1]。大量研究表明，青少年时期的不良事件可能会增加成年后发生神经退行性疾病以及各类神经精神和心理疾病的风险[2][3][4]。早期生活中的压力和忽视会损害认知功能，包括记忆力和执行能力[5][6]。早期压力引发的认知缺陷可能导致严重的神经和行为问题[5][6]。而早期忽视带来的行为和心理后果，如抑郁、焦虑和药物滥用，又会进一步增加多种神经退行性疾病的风险[7][8][9]。因此，阐明早期生活创伤引发神经行为障碍的细胞和分子机制至关重要。

早期生活创伤对大脑结构和功能的影响复杂多样。早期不良经历的后果包括认知障碍、异常的行为和心理表现以及激素失调[10][11][12]。此外，已有研究证明，早期生活创伤与成年后的情绪调控障碍、记忆缺陷和学习困难有关[13][14]。有趣的是，还有研究显示，早期忽视甚至可能导致大脑结构发生变化[15][16]。有研究指出，早期生活创伤与海马体、杏仁核和前额叶皮层等特定脑区的体积减小有关[16][17][18][19]。先前的临床和实验研究也表明，早期生活困境可能与参与情绪和认知功能的脑区的结构和功能改变有关。这些研究认为，早期忽视和压力会严重干扰正常的大脑成熟过程，导致参与情绪和认知调控的关键脑区出现结构变化[20][21][22]。神经营养因子水平的变化，如脑源性神经营养因子水平的下降，下丘脑-垂体-肾上腺轴的功能失调，以及氧化应激的增加，都被认为是导致这些结构和功能变化的因素[20][22]。研究还发现，早期生活创伤会损害树突的生长，减少突触的形成，影响髓鞘化，尤其是在海马体、前额叶皮层和杏仁核中，从而造成大脑结构和功能连接的持久改变[20][22]。这些结构变化与成年后患阿尔茨海默病等神经退行性疾病以及情绪不稳定风险增加有关[23][24][25]。

已有许多分子和信号通路被研究，以探讨童年忽视/创伤与神经系统并发症之间的关联。在这方面，BDNF备受关注[26][27]。BDNF是一种生长因子，在中枢神经系统中发挥着多种重要作用。众所周知，BDNF能够促进神经元的生长、分化和成熟，还能增加中枢神经系统各区域的突触形成[28][29]。同时，多项研究表明，海马体和皮质中BDNF水平升高与更好的记忆和学习能力相关[29]。也有充分证据表明，BDNF缺乏及其信号传导功能障碍与阿尔茨海默病等多种痴呆症等神经系统并发症直接相关[29][30]。先前研究也多次提到，BDNF信号传导功能障碍在抑郁症的发病机制中起着重要作用[31]。

从机制上讲，BDNF会在细胞质中激活一系列蛋白质，包括酪氨酸受体激酶B（TrkB）、细胞外信号调节激酶（ERK）和cAMP反应元件结合蛋白（CREB）[32][33]。BDNF与其TrkB受体结合后会触发一系列细胞内信号传导。TrkB激活的一个关键下游通路就是ERK信号通路。ERK是一种蛋白激酶，它能磷酸化并激活多种转录因子，包括CREB。在中枢神经系统中，CREB是一种重要的转录因子，负责在神经元活动时调控基因表达。当ERK磷酸化CREB后，CREB会转移到细胞核中，与特定的DNA序列结合，进而启动与神经元存活、生长和突触可塑性相关的目标基因的转录[33]。已有研究证实，BDNF/TrkB/ERK1/CREB信号通路在认知和记忆过程中起着至关重要的作用，尤其是在海马体中[34][35][36]。因此，促进BDNF生成或激活其下游信号通路的策略，是开发治疗认知障碍和神经退行性疾病方法的研究热点。本研究旨在探讨在早期忽视和创伤导致的母子分离和早期断奶模型中，BDNF/TrkB/ERK1/CREB信号级联反应在神经行为障碍发病机制中的作用。

关于早期忽视和创伤的另一个有趣发现是，它与压力调控失衡有关[37]。下丘脑-垂体-肾上腺轴是机体控制压力的主要机制[37]。该轴的功能失调会导致应激激素，如皮质醇的过度释放。而高水平的皮质醇会损害大脑结构，增加患神经退行性疾病的风险[37]。有趣的是，大量数据表明，下丘脑-垂体-肾上腺轴与BDNF/TrkB/ERK1/CREB信号通路是中枢神经系统内的相互关联的体系[38][39]。因此，了解这两个系统之间的相互作用，有助于理解压力反应如何影响大脑功能。有研究发现，慢性压力会负面地影响BDNF/TrkB/ERK1/CREB信号通路[40][41]。长期暴露于高水平的应激激素，如皮质醇，会降低BDNF的表达，损害神经可塑性[42]。因此，下丘脑-垂体-肾上腺轴与BDNF/TrkB/ERK1/CREB信号通路之间的相互作用可能导致认知障碍和情绪紊乱[42]。在本研究中，通过对对照组和母子分离及早期断奶组动物的皮质酮水平进行检测，旨在探究下丘脑-垂体-肾上腺轴与BDNF/TrkB/ERK1/CREB信号通路之间的关联，以及牛磺酸的作用。

牛磺酸是体内最丰富的游离氨基酸，其在大脑中的浓度非常高[43]。牛磺酸被认为是一种条件性必需氨基酸类似物，因为它可以通过半胱氨酸代谢在体内合成，不过饮食来源也会显著提升组织中的牛磺酸水平[43]。目前已确定多种富含牛磺酸的食物类别，其中海鲜的牛磺酸含量尤其高。因此，那些经常食用这类食物（如日本）的国家的人们，从饮食中获得的牛磺酸更多[43]。相比之下，草本产品中的牛磺酸含量极低，这可能导致纯素食动物的组织中牛磺酸水平较低；但由于大多数物种都能自身合成牛磺酸，因此牛磺酸缺乏的情况较为少见[43]。研究表明，人体组织，尤其是骨骼肌、心脏、大脑和生殖器官，都含有大量的牛磺酸[43]。因此，这种氨基酸很可能对这些器官的正常功能至关重要。人们早已认识到，牛磺酸在中枢神经系统中具有多种生理药理作用[44][45][46][47]。先前研究提出了牛磺酸具有神经保护作用的几种机制，包括其对抗氧化防御系统、线粒体功能以及神经递质传递的影响[48][49]。以往的研究表明，外源性补充牛磺酸可能对多种神经系统疾病有益[50][51][52]。研究从实验和临床角度探讨了牛磺酸对癫痫发作、阿尔茨海默病、脑外伤、亨廷顿病、中风和帕金森病等疾病的影响[48][50][51][52]。然而，这种氨基酸在中枢神经系统中的具体作用机制仍不完全清楚。考虑到BDNF/TrkB/ERK1/CREB信号通路，一些研究指出，牛磺酸可以与大脑中的BDNF水平相互作用，提高中枢神经系统中这种蛋白质的浓度[53][54][55]。还有一些研究认为，牛磺酸能够增加体外培养的人类神经母细胞瘤细胞中BDNF的表达以及TrkB的活性[54]。尽管在先前的实验模型中已经报道了牛磺酸对BDNF水平的影响，但这种氨基酸对BDNF/TrkB/ERK1/CREB信号通路的影响，以及它与焦虑、记忆缺陷和抑郁等神经系统并发症的关联，目前仍不清楚。

母子分离和早期断奶是一种很有价值的动物模型，用于研究早期生活压力对成年后神经系统并发症的影响。该模型是在幼崽出生后、处于建立亲密关系和社交发展的关键时期，将其与母亲或同窝幼崽分开[56]。对于幼崽来说，分离是一种极大的压力。在母子分离和早期断奶模型中，早期断奶指的是在自然断奶时间到来之前就将幼崽与母亲分开。这可能包括将幼崽隔离，用人工饲料喂养，或者比通常更早地让它们摄入湿粮[56]。与与母亲分离一样，早期断奶也是对幼崽的一种压力源。早期断奶会干扰对发育至关重要的自然进食和营养获取行为[56]。本研究采用母子分离和早期断奶模型，旨在评估牛磺酸对BDNF/TrkB/ERK1/CREB信号通路的影响，以及该通路与记忆缺陷、抑郁样行为和认知障碍之间的关联。

先前的研究已经证明了牛磺酸在神经退行性疾病、缺血性脑损伤和兴奋毒性模型中的保护作用。因此，现有的大多数研究都集中在急性神经元损伤模型或成年期发病的神经退行性疾病上。相比之下，本研究是首批探索在早期生活压力发育模型——母子分离和早期断奶模型中，牛磺酸补充所带来的长期神经行为和分子层面变化的研究之一。本研究的结果有望加深人们对牛磺酸在大脑成熟关键时期具有神经保护作用的了解。这些数据还能帮助我们更好地理解早期生活创伤如何在分子和细胞层面影响大脑的发育和功能。同时，本文还概述了牛磺酸作为潜在治疗这些神经系统疾病的候选物质的作用机制。

**试剂**
牛磺酸（2-氨基乙烷磺酸；药用级）购自加拿大多伦多的AllMax? Nutrition公司。氯化钾、2,4-二硝基氟苯（DNFB）、2-氨基-2-羟甲基丙烷-1,3-二醇盐酸盐（Tris-HCl）、三氯乙酸、牛血清白蛋白、磷酸氢二钠、氢氧化钾、二甲基亚砜、碳酸钠以及磷酸氢一钠均购自德国达姆施塔特的Merck公司。小鼠BDNF（脑源性……）

**结果**
研究了对照组和母子分离及早期断奶组的分娩仔鼠数量和性别情况（见图1）。对照组的仔鼠数量为21只，而母子分离及早期断奶组为61只（见图1和补充表1）。不同母鼠所生的仔鼠数量没有显著差异。对照组的仔鼠性别比例为52.77%为雄性，47.23%为雌性；而母子分离及早期断奶组的性别比例为48.57%为雄性，51.43%为雌性（见图1）。两组之间的性别比例没有显著差异。

**动物体重**因此，研究这种并发症的机制并寻找潜在的治疗方案具有重要的临床价值。在本研究中，MSEW暴露与青春期海马体BDNF/TrkB/ERK1/CREB相关信号通路的紊乱有关。同时，给予氨基酸TAU可显著减轻类似焦虑/抑郁的行为，并改善状况。结论：在本研究中，我们提供了证据表明MSEW模型会在青春期（PNDs = 23-35）导致严重的空间学习记忆障碍和类似抑郁的行为。研究发现，TAU能显著减轻青春期小鼠后代的这些不良影响，并有助于海马体中BDNF/TrkB/ERK1/CREB相关信号标志物的正常化。另一方面，尽管对照组与实验组在抑郁和记忆障碍的标志物方面没有显著差异，但……局限性：本研究的一个局限性是缺乏TAU补充的对照组，而这有助于明确所观察到的效应是仅存在于病理状态下，还是在正常生理条件下也会出现。虽然我们之前的研究表明，在健康动物中给予TAU可通过改善整个大脑尤其是海马体的线粒体功能和能量代谢来增强记忆功能[54]，但仍需进一步研究来……作者贡献说明：Ommati Mohammad：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、监督、软件使用、资源提供、项目管理、方法学、研究实施、数据整理、概念设计。Heresh Rezaei：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法学、研究实施、数据整理、概念设计。Ruoyao Chang：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、软件使用、研究实施、数据整理。致谢：作者感谢设拉子医科大学药学科学研究中心以及河南科技大学为这项研究提供的技术支持。本研究得到了伊朗设拉子医科大学研究事务副校长的资金支持（Reza Heidari获得的资助编号为27666）。本研究的实验部分是在合作研究中心同步进行的。作者贡献说明：Reza