STAT3介导了异亮氨酸诱导的阿尔茨海默病进展

《Brain Research》：STAT3 mediated the isoleucine-induced Alzheimer’s disease progression

　　

摘要

阿尔茨海默病是一种神经退行性疾病，对全球数百万人造成严重影响。随着老龄化人口的增加，该病的发病率也在上升，这就更需要有效的干预措施。异亮氨酸是一种支链氨基酸，能够穿过血脑屏障，并在多种神经系统疾病中发挥作用。在本研究中，我们利用BXD小鼠模型探讨了异亮氨酸与阿尔茨海默病相关特征之间的关联，发现它与Y迷宫测试表现、焦虑检测、情境恐惧条件反射以及工作记忆缺陷的发病年龄存在显著相关性。体外实验中，向HT22和PC12细胞补充外源性异亮氨酸会提高淀粉样前体蛋白和磷酸化tau蛋白的水平。后续分析发现了2000个与异亮氨酸相关的基因探针，并确定STAT3可能是其下游调控因子。STAT3过表达会进一步升高APP和p-tau蛋白水平，而抑制STAT3则可以消除这一效应，这说明异亮氨酸是通过激活STAT3来影响阿尔茨海默病的进展的。孟德尔随机化分析也支持了异亮氨酸水平升高与阿尔茨海默病风险之间存在因果关系。这项研究为异亮氨酸作为阿尔茨海默病的潜在风险因素提供了新见解，并指出STAT3可能是异亮氨酸介导的阿尔茨海默病易感性的关键分子。

引言

阿尔茨海默病是一种以认知能力逐渐下降、记忆力减退及行为改变为特征的神经退行性疾病（Soria Lopez等人，2019年）。它是老年人痴呆症中最常见的病因，全球受影响人数众多。最新数据表明，2019年全球患有痴呆症的人数为5740万，到2050年这一数字将上升至1.528亿（Li等人，2024年）。阿尔茨海默病的早期阶段（细胞层面）伴随着β-淀粉样蛋白的积累，而这种蛋白又会引发tau蛋白病变的扩散（Scheltens等人，2021年）。尽管阿尔茨海默病的确切病因尚未明确，但遗传、环境和生活方式因素被认为在其中起着重要作用（Gao等人，2019年；Giau等人，2019年；Jia等人，2020年；Xiao等人，2021年）。目前，用于治疗阿尔茨海默病的药物包括胆碱酯酶抑制剂以及美金刚，这些药物的作用主要是缓解症状并延缓疾病进展。然而，它们无法治愈阿尔茨海默病，且不同患者的疗效也存在差异。此外，这类药物可能只能提供暂时性的缓解效果，无法解决根本的神经退行性病变问题。因此，迫切需要找到新的治疗靶点，以有效改变疾病的进程。

异亮氨酸是一种支链氨基酸，属于必需氨基酸，人体无法自行合成，必须通过饮食摄取。与亮氨酸和缬氨酸一样，异亮氨酸在脑部代谢和神经元稳态中发挥着重要作用（Son等人，2018年；Gu等人，2019年；Jiang等人，2021年）。与其他许多氨基酸不同，支链氨基酸能够高效地穿过血脑屏障，其中异亮氨酸由于能与L型氨基酸转运蛋白1结合力很强，因此具有较高的转运效率（Fernstrom，2005年；Polis和Samson，2020年；Hou等人，2024年）。正是由于这种高效的血脑屏障穿透能力，异亮氨酸能够直接调节脑部代谢和神经元功能，因而可能与包括阿尔茨海默病在内的多种神经退行性疾病有关。临床代谢组学研究显示，阿尔茨海默病患者的脑脊液中异亮氨酸水平会出现升高，而其他支链氨基酸水平则没有变化，且这种升高趋势与疾病进展程度相关（Polis和Samson，2020年；Nielsen等人，2024年）。从机制上来看，异亮氨酸能够独特地激活mTORC1信号通路，同时干扰胰岛素信号传导，并加剧神经炎症，而这些通路都与阿尔茨海默病的病理过程密切相关。此外，异亮氨酸代谢紊乱还可能与突触功能受损及神经递质失衡有关（Rosenberg等人，2013年；Wang等人，2023年），这表明异亮氨酸可能在认知能力下降过程中起着直接作用。在阿尔茨海默病患者身上也观察到了异亮氨酸水平异常的现象（Ruiz等人，2016年；Li等人，2018年；Siddik等人，2022年；Liu等人，2023年）。与此同时，我们利用GeneNetwork数据库对支链氨基酸与阿尔茨海默病之间的关联进行了系统分析，结果发现异亮氨酸水平升高与阿尔茨海默病相关的多种表型存在显著关联，而亮氨酸和缬氨酸则没有表现出明显的统计相关性。鉴于异亮氨酸出色的血脑屏障穿透能力、代谢紊乱效应以及独特的信号传导作用，有必要进一步研究调节异亮氨酸水平是否能为阿尔茨海默病的治疗带来新的可能性。

在本研究中，我们旨在探讨异亮氨酸在阿尔茨海默病发展中的作用及其背后的机制。首先，我们进行了相关性分析，发现BXD小鼠的异亮氨酸水平与阿尔茨海默病相关特征存在显著关联，这一结论在细胞层面也得到了验证。通过结合通路分析和体外实验验证，我们进一步确定了STAT3在异亮氨酸诱导的阿尔茨海默病进展过程中起着关键作用。我们的研究将异亮氨酸视为阿尔茨海默病的一种潜在新治疗靶点，并证明了它在体外条件下具有延缓疾病进展的作用。

章节节选

BXD小鼠的表型特征

本研究中使用的BXD小鼠的异亮氨酸水平及与阿尔茨海默病相关的行为特征数据来自GeneNetwork网站（http://www.genenetwork.org/）（Mulligan等人，2017年）。详细的描述信息，包括统计汇总数据和个体数值，可在“BXD”组、“表型与辅助因子”类别以及“已发表的BXD小鼠表型”数据集中找到，对应的记录编号为：

16723：29周龄雄性小鼠经过过夜禁食后，通过LC-MS/MS技术测定的血浆中的异亮氨酸水平

海马体中的异亮氨酸水平与阿尔茨海默病行为特征显著相关

为了探究BXD小鼠的异亮氨酸水平与阿尔茨海默病相关特征之间的关联，我们对异亮氨酸水平与Y迷宫测试表现、焦虑检测结果、情境恐惧条件反射测试结果以及工作记忆缺陷的发病年龄等指标进行了皮尔逊相关性分析。分析结果显示，异亮氨酸水平与Y迷宫测试表现之间存在显著相关性（r=0.4358，p=0.0039，见图1A），这说明那些在Y迷宫测试中总进入次数出现更多自发变化的BXD小鼠

讨论

阿尔茨海默病患者存在严重的代谢紊乱现象，其中包括氨基酸谱系的异常（Nielsen等人，2024年）。氨基酸代谢紊乱确实与阿尔茨海默病密切相关，但其背后的机制至今仍不完全清楚，也存在不同观点。Hudd等人发现，轻度认知障碍患者的血清支链氨基酸水平高于健康对照组（Hudd等人，2019年）。此外，还有多项研究显示，阿尔茨海默病患者的血浆支链氨基酸浓度也明显升高

结论

综上所述，本研究证明异亮氨酸水平升高与认知能力下降存在关联，而且它会通过激活STAT3途径增加APP和p-tau蛋白的积累，孟德尔随机化分析也支持二者之间存在因果关系。这些发现表明异亮氨酸是阿尔茨海默病的风险因素，而针对异亮氨酸-STAT3通路进行研究，有望为进一步探索该疾病的发病机制及开发治疗方法提供新的思路。

作者贡献说明

刘宇：文章撰写与修改、原始稿撰写、数据可视化、实验验证、研究分析、数据整理。李玉贺：文章撰写与修改、数据可视化、实验验证、研究分析、数据整理。周彦军：文章撰写与修改、方法设计、研究分析。何宇：实验验证。王书静：研究分析。阿基莱什·库马尔·巴杰帕伊：方法设计。常雪莹：研究分析。王新豪：数据可视化。徐富义：方法设计、资金筹集

伦理审批

本研究中的动物实验已经获得了田纳西大学健康科学中心动物护理与使用委员会的批准。

资金支持

本研究得到了山东省自然科学基金青年科学基金项目（ZR2024QC162，Y.C.F.）、国家自然科学基金（32101019，Y.C.F.）、山东省重点研发计划（2023CXPT012，Y.C.F.）以及滨州医学院提供的资助（BY2019KYQD32，Y.C.F.和50012305190，X.F.Y.）。

利益冲突声明

所有作者均声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

感谢山东分子靶向智能诊断治疗技术创新中心的支持。

数据与材料获取方式

本研究中使用和/或分析的所有数据集，如需获取，可向相应作者提出合理请求。

刘宇|李玉贺|周彦军|何宇|王书静|阿基莱什·库马尔·巴杰帕伊|常雪莹|王新豪|徐富义|姚翠芳

中国烟台滨州医学院，山东分子靶向智能诊断治疗技术创新中心药学院