《Molecular Psychiatry》：PQBP1-dependent alternative RNA splicing underlies high calorie diet-induced cognitive impairment
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高热量-高脂饮食(HFD)已被认为是中国神经退行性痴呆等脑疾病的病理修饰因素，但其详细分子机制大多未知。研究人员报道HFD抑制PPARγ介导的PQBP1转录表达，PQBP1是一种RNA剪接因子，与人类智力障碍和阿尔茨海默病相关。基于RNAseq的高热量饮食喂饲
高热量-高脂饮食(HFD)已被认为是中国神经退行性痴呆等脑疾病的病理修饰因素，但其详细分子机制大多未知。研究人员报道HFD抑制PPARγ介导的PQBP1转录表达，PQBP1是一种RNA剪接因子，与人类智力障碍和阿尔茨海默病相关。基于RNAseq的高热量饮食喂饲1周或6周小鼠以及PQBP1条件敲除(cKO)小鼠的可变RNA剪接(AS)综合分析揭示其共同变化集中于突触相关基因。通过介于中心性(betweenness)从共同变化中提取核心分子，得到CASK、Cacnb1和Cyfip2作为网络关键分子。CASK与Cacnb1均通过直接互作调节STXBP1，后者是婴儿癫痫综合征致病基因及突触囊泡释放必需因子。分析还提示Syt1在HFD 1周时具有特异作用。HFD诱导的CASK、Cacnb1、Cyfip2和Syt1的AS异构体损害原代神经元突触前囊泡释放。AAV-PQBP1、AAV-CASK、AAV-Cacnb1、AAV-Cyfip2或AAV-Syt1可挽救HFD小鼠突触和/或认知功能障碍，从遗传学上支持HFD中PQBP1-突触轴病理。免疫组化实验提示该病理轴不仅作用于兴奋性神经元，也作用于抑制性神经元。综上，研究结果揭示小鼠暴露于HFD时脑功能障碍的新分子机制。
研究背景方面，高热量-高脂饮食(HFD)与脑认知功能受损、胰岛素抗性、小胶质细胞激活、神经炎症及突触传导改变相关，但HFD如何直接连接神经元突触功能障碍并最终导致认知障碍的直接分子机制尚不清楚；同时，HFD加剧阿尔茨海默病(AD)等痴呆也多经淀粉样β(Aβ)或Tau等间接机制解释，Aβ非依赖机制不清。PQBP1作为多聚谷氨酰胺结合蛋白后被鉴定为转录-剪接偶联因子，可调控神经干细胞细胞周期基因、无义mRNA降解相关因子、神经元突起生长基因及皮质神经元突触相关基因的可变RNA剪接(AS)，其在AD患者及iPSC神经元中降低，且PQBP1突变导致人类智力障碍(ID)和瘦体型，线虫同源基因参与脂代谢，提示PQBP1可能是代谢与兴奋-抑制(E-I)失衡之间的缺失环节。论文发表于《Molecular Psychiatry》。
主要关键技术方法方面，研究人员使用C57BL/6雄性与雌性小鼠，设正常饮食(ND)、HFD 1周(HFD-1W)与HFD 6周(HFD-6W)队列，以及synapsin-1-Cre介导的皮质神经元PQBP1条件敲除(Syn-cKO)小鼠；以RNA测序(RNAseq)做外显子跳跃型AS综合分析与GO聚类、蛋白-蛋白互作(PPI)网络及betweenness评分筛关键基因；用荧光素酶报告基因与染色质免疫沉淀(ChIP)-qPCR验证PPARγ对PQBP1启动子PPRE的转录调控；以双光子显微镜观察树突棘、Synapto-pHluorin(SpH)成像测突触前囊泡释放、全细胞膜片钳记录微小兴奋性/抑制性突触后电流(mEPSC/mIPSC)；并通过AAV过表达PQBP1、CASK、Cacnb1、Cyfip2、Syt1及PPARγ激动剂吡格列酮做体内挽救。
研究结果部分，HFD suppresses expression of PQBP1 in neurons：Western blot与RT-qPCR及免疫组化显示HFD 1周和6周均选择性降低皮质神经元PQBP1蛋白与mRNA，星形胶质细胞和小胶质细胞不变。PPARγ mainly mediates HFD-induced PQBP1 reduction：荧光素酶与ChIP-qPCR表明PQBP1上游含PPAR反应元件(PPRE)，PPARγ可转录激活PQBP1，胰岛素通过MEK-ERK磷酸化PPARγ Ser273抑制该激活，PPARα/δ作用较弱。HFD affects dendritic spines of excitatory synapses：AAV-EGFP与VAMP2-mCherry双光子成像及PSD95/VAMP2免疫印迹显示HFD减少树突棘密度与成熟突触、增加棘消除。Target genes of HFD-induced impairment of alternative RNA splicing：RNAseq外显子跳跃分析取Syn-cKO与HFD共同AS基因，GO富集得突触相关基因群，PPI betweenness提取出Cask、Cyfip2、Cacnb1、STXBP1、Syt1；Cask外显子13、Cacnb1外显子7、Cyfip2外显子25跳跃使L27/IDP结构域丢失并与STXBP1/Lin7互作丧失，Syt1外显子7/8跳跃缺C2A域且仅HFD-1W显著。Functional consequence of RNA splicing impairment in target genes：SpH成像显示全长Cacnb1、Cyfip2、Syt1促进突触前囊泡释放，跳跃型Cask抑制释放；PQBP1敲低抑释放、过表达促释放；膜片钳示HFD 10周mEPSC与mIPSC频率而非幅度下降，AAV-PQBP1恢复频率，E/I比未变。PPARγ agonist recovers cognitive impairment by HFD：腹腔给吡格列酮3或6周恢复Morris水迷宫、Y迷宫、恐惧条件反射记忆，并回升PSD95、VAMP2、PQBP1及抑制性突触标记GAD67、gephyrin(GPHN)。PQBP1 recovers HFD-induced cognitive impairment：鞘内AAV-PQBP1同样挽救HFD小鼠空间与情绪记忆及兴奋/抑制突触标记。AAV-CASK/Cacnb1/Cyfip2/Syt1 rescue experiments：分别过表达各全长靶基因均可遗传性地逆转HFD突触与认知表型，印证PQBP1-Cacnb1/CASK-STXBP1轴。
讨论与结论部分，研究人员指出既往HFD脑损伤机制多归为代谢、炎症、Aβ/Tau间接通路，本文给出神经元内PQBP1-PPARγ-AS-突触前释放的直接链路：HFD经胰岛素-ERK磷酸化PPARγ而下调PQBP1，PQBP1缺乏改变Cask、Cacnb1、Cyfip2、Syt1剪接，损及STXBP1相关囊泡释放机器，累及兴奋与抑制两类神经元突触，最终认知障碍；该轴与ID、West综合征、Ohtahara综合征等CYFIP2/STXBP1致病谱交叉，说明突触释放机器是代谢与神经发育/癫痫脑病共有的下游节点。结论翻译为：综上，研究人员的结果表明PQBP1-Cacnb1/CASK-STXBP1轴在高热量饮食诱导的认知障碍中发挥关键作用，并提示PQBP1依赖的可变RNA剪接是将高热量-高脂饮食连接至突触前功能障碍与认知受损的新机制。
