《Frontiers in Cellular Neuroscience》：Voluntary running reduces loss of PTEN-deficient Purkinje cells, modulates their metabolic signaling, and improves motor deficits in mice
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PTEN-mTORC1信号通路的失调会破坏细胞代谢，并导致包括自闭症谱系障碍(ASD)在内的神经发育障碍。在小脑Purkinje细胞中，PTEN缺陷会导致mTORC1的过度激活、能量稳态受损以及进行性神经元变性。鉴于体育锻炼是代谢信号的强效调节剂，研究人员调查
PTEN-mTORC1信号通路的失调会破坏细胞代谢，并导致包括自闭症谱系障碍(ASD)在内的神经发育障碍。在小脑Purkinje细胞中，PTEN缺陷会导致mTORC1的过度激活、能量稳态受损以及进行性神经元变性。鉴于体育锻炼是代谢信号的强效调节剂，研究人员调查了在PC特异性PTEN缺陷小鼠模型中，自主跑转轮是否能恢复代谢平衡并改善细胞和行为缺陷。使用Pten条件性敲除小鼠，研究人员评估了自主跑转轮对运动协调、代谢信号、神经元形态与保留以及社交和非社交行为的影响。行为分析显示，跑转轮显著改善了Pten cKO小鼠的运动表现。在细胞水平上，自主跑转轮增加了磷酸化AMP激活蛋白激酶的水平，并恢复了Pten cKO小鼠PC树突中线和溶酶体的含量。出乎意料的是，跑转轮进一步增强了Pten cKO小鼠的mTORC1活性（表现为pS6R免疫反应性增加），这表明合成代谢和分解代谢途径之间存在复杂的相互作用。行为分析进一步显示，自主跑转轮减少了久坐Pten cKO小鼠在社交和非社交行为中观察到的性别依赖性差异。尽管存在持续的树突肥大和突触VGLUT2改变，跑转轮减少了PC的丢失，并部分恢复了小胶质细胞的形态和激活状态。总之，这些发现表明，即使存在持续的mTORC1激活，自主跑转轮也能改善Pten cKO小鼠的代谢稳态和神经元保留。研究结果突显了体育锻炼在调节代谢途径和缓解神经发育病理方面的治疗潜力。
研究背景与意义
磷酸酶与张力蛋白同源物(PTEN)是PI3K/AKT信号通路的负调控因子，通过抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1(mTORC1)调节细胞生长和代谢。PTEN单倍体不足与自闭症谱系障碍(ASD)等神经发育疾病相关。在神经元中，PTEN缺陷会导致mTORC1过度激活，引发细胞体、树突和轴突肥大，同时造成代谢缺陷，如AMP激活蛋白激酶(AMPK)活性降低及树突内线粒体和溶酶体含量减少。目前对于如何纠正这种因PTEN缺陷引发的能量失衡和神经退行性病变仍然存在挑战。由于体育锻炼已知能激活大脑中的AMPK，研究人员推测自主跑转轮可能通过激活AMPK来改善PTEN缺陷带来的神经病理和行为异常。该项研究旨在验证这一假设，并探究体育锻炼在分子、细胞及行为层面对PTEN缺陷小鼠模型的影响。该论文发表在《Frontiers in Cellular Neuroscience》上，为通过代谢途径干预缓解神经发育病理提供了新的视角，具有重要的潜在临床转化价值。
关键技术与队列来源
研究人员构建了小脑Purkinje细胞特异性Pten条件性敲除小鼠模型，并设立了Cre阳性的野生型小鼠作为对照组。实验样本队列来源为Pten flox/flox小鼠与Pcp2-Cre小鼠杂交繁育的后代，涵盖了雄雌两性别。研究中采用了自主转轮跑运动干预方案；利用水平梯步态测试评估运动协调能力，通过异性配对社交互动测试分析社交与非社交行为；运用免疫荧光染色结合转盘共聚焦显微镜成像与三维表面重建技术，对神经病理标志物、代谢蛋白表达及细胞器体积进行了定量分析。
研究结果
1 自主跑转轮改善Pten cKO小鼠的运动协调
通过对5个月大小鼠的自主跑转轮距离进行基线记录，发现cKO小鼠与对照组在跑转轮能力上无显著差异。水平梯步态测试显示，8周大的久坐Pten cKO小鼠(SED)出现显著的错步和滑倒次数增加，而自主跑转轮的cKO小鼠(RUN)错步次数显著少于SED组，并接近正常对照组。这一改善效果在7个月大的小鼠中同样得到验证，表明自主跑转轮有效改善了PTEN缺陷小鼠的精细运动功能。
2 自主跑转轮对PTEN缺陷型Purkinje细胞代谢信号及树突线粒体体积的影响
免疫荧光定量分析显示，尽管Pten cKO小鼠的PC胞体出现肥大，但RUN组小鼠PC胞体内的磷酸化AMP激活蛋白激酶强度与胞体体积比值较SED组显著升高，恢复至对照组水平。出人意料的是，RUN组小鼠下游核糖体蛋白S6(pS6R)的免疫反应性进一步升高，提示mTORC1活性被增强。然而，在树突层面，RUN组小鼠的丙酮酸脱氢酶(PDH1A)阳性线粒体与LAMP1阳性溶酶体体积占CALB阳性树突总体积的比值均较SED组显著增加，且溶酶体比值甚至恢复至对照组水平。这表明跑转轮激活了AMPK并恢复了细胞器含量。
3 自主跑转轮对Pten cKO小鼠社交和非社交行为的影响
通过双因素方差分析，研究人员发现PTEN缺陷会引起社交和非社交行为的改变，并伴随显著的性别差异。SED组雌性cKO小鼠表现出笼内探索时间减少和独坐时间增加，雄性SED组小鼠表现出梳理行为减少以及鼻对鼻、肛殖区嗅探社交行为异常增加。自主跑转轮干预后，虽然未能完全将上述所有行为恢复至野生型状态，但成功消除了在SED组中观察到的雌性与雄性之间的显著行为表型差异，表明运动对行为具有性别依赖的调节作用。
4 自主跑转轮减少Pten cKO小鼠的Purkinje细胞丢失
对7个月大小鼠的病理分析表明，RUN组与SED组均存在神经丝(NF)阳性树突肥大及VGLUT2阳性突触前终末丢失。然而，在RUN组中，IBA1阳性小胶质细胞的总突起长度和终端点数较SED组显著恢复，且CD68阳性吞噬溶酶体的体积和数量显著低于SED组，提示小胶质细胞的高吞噬激活表型得到抑制。NeuroTrace(NT)染色证实，尽管各组胞体直径均有增大，但RUN组存活的PC数量显著多于SED组，证明长期自主跑转轮有效缓解了PTEN缺陷导致的PC丢失。
讨论与结论总结
研究表明，PTEN-mTORC1信号轴的失调破坏了神经元的能量平衡。尽管跑转轮进一步增强了mTORC1的活性——这与PTEN缺陷导致的AKT直接激活mTORC1从而绕过AMPK/TSC2经典抑制途径有关，但跑转轮诱导的AMPK激活依然促进了树突线粒体和溶酶体的生物发生，部分抵消了mTORC1过度激活带来的代谢负面影响。在行为层面，跑转轮减少了PTEN缺陷相关的异常社交探索行为，这可能反映了运动恢复了小脑对下游执行回路的抑制性控制。在神经保护方面，跑转轮降低了小胶质细胞的吞噬活性并减少了PC的丢失。研究人员得出结论：即使在持续的mTORC1激活状态下，自主跑转轮依然能够通过激活AMPK改善代谢稳态，促进PTEN缺陷型Purkinje细胞的存活，并部分改善运动与行为缺陷，证实了体育锻炼在调节代谢途径与缓解神经发育病理方面的治疗潜力。
