間歇性禁食不僅能減重還能預(yù)防癡呆？

血管性癡呆（VaD）是全球第二大常見(jiàn)的癡呆病因。與生活習(xí)慣相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)VaD的貢獻(xiàn)越來(lái)越大，這表明基因-環(huán)境的相互作用。因而本研究旨在探究慢性腦灌注不足(CCH)的VaD小鼠模型中的DNA甲基化景觀。作為基因-環(huán)境相互作用之間的聯(lián)系，間歇性禁食（IF）作為一種預(yù)防性干預(yù)被引入。本研究幫助我們了解IF如何保護(hù)大腦不受CCH損傷并有望為減輕VaD的神經(jīng)病理和認(rèn)知缺陷提供潛在的有益作用。本文于2022年3月發(fā)表在《Theranostics》IF：11.556期刊上。

技術(shù)路線：

主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1、在生理?xiàng)l件下IF誘導(dǎo)代謝轉(zhuǎn)換提高工作記憶并調(diào)節(jié)DNA甲基化景觀

為驗(yàn)證IF實(shí)施的有效性，首先定期檢測(cè)了小鼠的體重，血糖和酮水平，結(jié)果顯示，和隨意飲食（AL）喂養(yǎng)小鼠比較，IF小鼠的體重/攝食量、血糖水平均顯著下降，酮水平顯著升高。表明IF小鼠發(fā)生代謝轉(zhuǎn)換。

附圖1在CCH生理?xiàng)l件下IF對(duì)小鼠的影響

為了探究在正常生理調(diào)節(jié)下IF是否可以改善認(rèn)知功能和調(diào)節(jié)DNA甲基化景觀，對(duì)AL野生小鼠（ALWT）和IF野生小鼠（IFWT）進(jìn)行行為學(xué)測(cè)試和RRBS實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，和ALWT比較，IFWT組的的學(xué)習(xí)能力更強(qiáng)（圖1A-1C），并且這種能力改變不是由于運(yùn)動(dòng)能力受損（圖1D）。

DNA甲基化包括三種：CG，CHG，CHH。如圖1E展示了ALWT和IFWT小鼠在CG和非CG水平的差異甲基化基因（DMGs），IFWT小鼠的甲基化狀態(tài)偏向低甲基化狀態(tài)。與ALWT小鼠相比，IFWT小鼠的差異甲基化區(qū)域(DMRs)總體甲基化水平較低（圖1F-K）。為探究DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）和脫甲基酶，作者檢測(cè)了DNMT1，DNMT3A，DNMT3B和TET1的豐度，與AL鼠比較，前三者的豐度在IF小鼠中上調(diào)，后者則顯著下調(diào)（圖1L）。表明DNMTs和TET1在生理狀態(tài)下調(diào)節(jié)DMGs的表達(dá)。

圖1間歇性禁食改善認(rèn)知功能和調(diào)節(jié)生理?xiàng)l件下的DNA甲基化景觀

2、IF可減輕CCH患者的認(rèn)知功能障礙和神經(jīng)病理改變

為探究IF在VaD的CCH模型中的作用，評(píng)估了認(rèn)知功能和神經(jīng)病理（圖2A）。與AL sham組比較，AL喂養(yǎng)鼠構(gòu)建的CCH（AL BCAS）小鼠表現(xiàn)出更差的學(xué)習(xí)能力和更長(zhǎng)的潛伏期，而IF BCAS鼠則學(xué)習(xí)能力更強(qiáng)，潛伏期更短，且這種潛伏期改變不是由于運(yùn)動(dòng)能力受損（圖2B）。這些表明IF可改善認(rèn)知功能。

圖2C-D表明在所有不同的時(shí)間點(diǎn)，AL BCAS小鼠的白質(zhì)病變均顯著高于AL Sham組小鼠，而白質(zhì)損傷在IF BCAS小鼠中則顯著減少。CCH 誘導(dǎo)的神經(jīng)元丟失在 AL BCAS 小鼠的海馬 CA1、CA2 和 CA3 區(qū)域中很明顯，而AL Sham顯示正常的神經(jīng)元細(xì)胞體，在所有三個(gè)海馬區(qū)都有不同的細(xì)胞核、核仁和密集的神經(jīng)元，而IF BCAS 小鼠的神經(jīng)元損失較少（圖2E-F）。表明IF改善神經(jīng)病理?yè)p傷。

圖2間接性禁食可減輕慢性腦灌注不足患者的認(rèn)知功能障礙和神經(jīng)病理改變

3、CCH條件下的DNA甲基化景觀改變被預(yù)防性IF校正

為了研究CCH下的DNA甲基化情況，進(jìn)行了RRBS實(shí)驗(yàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析（圖3）。根據(jù)DMGs繪制的熱圖，AL BCAS小鼠的整體DNA甲基化模式與相應(yīng)的sham有明顯的偏差（圖3A）。這種與對(duì)照組差異甲基化的偏差在AL BCAS小鼠的所有三個(gè)時(shí)間點(diǎn)都一致觀察到。如果使用IF，BCAS小鼠與AL BCAS小鼠的甲基化圖譜出現(xiàn)偏差（圖3B）。圓環(huán)圖顯示，在AL BCAS小鼠的三個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)上，基因低甲基化趨勢(shì)一致增加（圖3C）。除了這些視覺(jué)證據(jù)外，AL BCAS小鼠在7、15和30天時(shí)間點(diǎn)分別特有427、379和377個(gè)差異甲基化基因（圖4A）。此外，41個(gè)基因在三個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)上的差異甲基化共享。這些結(jié)果表明在CCH狀態(tài)下，總體DNA甲基化景觀發(fā)生了改變。

與喂食 AL 的小鼠相比，在接受 CCH 的 IF 小鼠的三個(gè)時(shí)間點(diǎn)上觀察到的低甲基化趨勢(shì)一致下降（圖3D），表明甲基化趨勢(shì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。有538、318和328個(gè)DMGs分別為IF BCAS小鼠7、15和30天時(shí)間點(diǎn)所獨(dú)有（圖4B）。45 個(gè)基因在三個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)均發(fā)生差異甲基化。因此，在CCH條件下被改變的DNA甲基化格局在引入預(yù)防性IF后被進(jìn)一步校正。

此外，為了確定DNA甲基轉(zhuǎn)移酶和去甲基化酶是否在CCH病理狀態(tài)下調(diào)節(jié)基因差異甲基化中發(fā)揮作用，研究了DNMT1、DNMT3A、DNMT3B和TET1的豐度。與AL BCAS小鼠相比，在30天時(shí)間點(diǎn)，IF BCAS小鼠的所有三種DNMTs和TET1均顯示有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的增加（圖3E）。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了DNMTs和TET1通過(guò)引入IF在CCH調(diào)控DMGs表達(dá)中發(fā)揮作用。

圖3 間歇性禁食調(diào)節(jié)慢性腦灌注不足下DNA甲基化的異常變化

4、預(yù)防性IF提示CCH狀態(tài)下啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化狀態(tài)發(fā)生逆轉(zhuǎn)

作者分別分析了高甲基化hyper-和低甲基化hypo-基因，以縮小它們?cè)贑CH下的潛在功能。AL條件下共有929個(gè)基因發(fā)生高甲基化，771個(gè)基因發(fā)生低甲基化（圖4A）。ACTN1和GNAS的基因表達(dá)用于驗(yàn)證甲基化狀態(tài)（圖4C）。此外，在IF條件下有599個(gè)基因高甲基化，1113個(gè)基因低甲基化（圖4B）。值得注意的是，根據(jù)文獻(xiàn)證據(jù)，這些基因大多數(shù)與癡呆癥或其他神經(jīng)退行性疾病有關(guān)。且MRP4的基因表達(dá)已被驗(yàn)證為甲基化狀態(tài)（圖4C）。

為了研究IF對(duì)DNA甲基化的影響，分析了CCH病理狀態(tài)下和預(yù)防性IF下的差異甲基化基因(DMGs)。CCH狀態(tài)共檢測(cè)到355個(gè)DMGs，其中7、15和30天時(shí)間點(diǎn)分別有107、104和104個(gè)DMGs是唯一的，3個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)有5個(gè)DMGs重疊（圖4D）。與飼喂AL的CCH小鼠相比，飼喂預(yù)防性IF的小鼠共檢測(cè)到348種DMGs。在這些DMGs中，分別有121、86和97個(gè)DMGs在7、15和30天時(shí)間點(diǎn)是唯一的，4個(gè)DMGs在三個(gè)時(shí)間點(diǎn)重疊（圖4E）。對(duì)重疊的DMGs進(jìn)一步分析其甲基化狀態(tài)，以觀察是否存在時(shí)間調(diào)控（圖4F）?；蚣谆降臅r(shí)間調(diào)控對(duì)每個(gè)基因都是獨(dú)特的，在某些情況下(如DDX3Y, GNAS, PAX6, ZRSR1)，這種變化足以從高甲基化狀態(tài)切換到低甲基化狀態(tài)或反之亦然。

圖4 間歇性禁食提示慢性腦灌注不足下啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化狀態(tài)發(fā)生逆轉(zhuǎn)

參考文獻(xiàn)：

Selvaraji, Sharmelee et al. “Time-restricted feeding modulates the DNA methylation landscape, attenuates hallmark neuropathology and cognitive impairment in a mouse model of vascular dementia.” Theranostics vol. 12,7 3007-3023. 21 Mar. 2022, doi:10.7150/thno.71815