李莉莎 張倩 劉歡 吳瓊輝 楊亭 陳潔 李廷玉
(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院兒童保健科/國家兒童健康與疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心/兒童發(fā)育疾病研究教育部重點實驗室/兒童營養(yǎng)與健康重慶市重點實驗室,重慶 400014)
維生素A(vitamin A,VA)是維持機體生長發(fā)育及穩(wěn)態(tài)平衡的重要脂溶性維生素,維生素A缺乏(vitamin A deficiency,VAD)迄今仍是發(fā)展中國家重要的公共衛(wèi)生問題[1]。孤獨癥譜系障礙(autism spectrum disorder,ASD)是以社交缺陷和重復(fù)刻板為主要核心癥狀的一種異質(zhì)性神經(jīng)發(fā)育障礙[2]。孕期VAD可致腦發(fā)育異常且與ASD的發(fā)生發(fā)展有關(guān),其中VA水平和ASD核心癥狀具有相關(guān)性[3],維生素A補充(vitamin A supplement,VAS)可在一定程度上緩解VAD的ASD兒童的核心癥狀[4]。視黃酸(retinoic acid,RA)是VA在體內(nèi)發(fā)揮作用的主要活性形式,RA可通過與視黃酸受體(retinoic acid receptors,RARs)結(jié)合調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄活性[3]。本課題組的既往研究表明,孕期開始的持續(xù)VAD或其他環(huán)境因素可通過下調(diào)子代大鼠體內(nèi)RA信號通路誘導(dǎo)其產(chǎn)生孤獨癥樣行為[5-7],但RA信號通路異常誘導(dǎo)孤獨癥樣行為的具體機制有待進一步探討。
ASD病因復(fù)雜,目前研究表明其風(fēng)險基因多匯集在突觸功能相關(guān)的通路上。軸突蛋白1(neurexin 1,NRXN1)基因是其中一個突觸相關(guān)的ASD風(fēng)險基因,其編碼的突觸蛋白在突觸傳遞和可塑性中起核心作用[8]。NRXN1蛋白由NRXN1α亞型和NRXN1β亞型組成,NRXN1蛋白水平的變化可能影響突觸可塑性從而導(dǎo)致ASD等神經(jīng)精神障礙[8-9],但NRXN1參與ASD的具體發(fā)病機制及其上游調(diào)控因子并不清楚。目前認(rèn)為ASD發(fā)病是因為全腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障[10],磁共振光譜檢測發(fā)現(xiàn)ASD兒童視皮質(zhì)的功能連接存在異常,且伴隨突觸穩(wěn)態(tài)可塑性失衡,這些異常與ASD核心癥狀的嚴(yán)重程度相關(guān)[11-13],提示視皮質(zhì)也可能參與到ASD的發(fā)生和發(fā)展。本課題組前期發(fā)現(xiàn)孕期VAD可通過下調(diào)仔鼠前額葉、丘腦、小腦等多個腦區(qū)的RA信號,從而誘導(dǎo)出仔鼠孤獨癥樣行為,進一步研究發(fā)現(xiàn)RA信號通路調(diào)控ASD相關(guān)風(fēng)險基因(RORA、CD38、OXT等)[5,14]是其潛在機制。但RA信號通路是否影響視皮質(zhì),進而參與大鼠ASD樣行為的研究未見報道。NRXN1是視皮質(zhì)可塑性中重要的分子基礎(chǔ)[15-16],研究發(fā)現(xiàn)視黃酸受體α(retinoic acid receptorα,RARα)與視皮質(zhì)突觸可塑性有關(guān)[17],并且大腦中RA與NRXN1的表達相關(guān)[18]。為此,本文建立了不同VA水平的孕鼠模型,通過子代缺乏和早期補充,探討RARα信號變化對VAD大鼠視皮質(zhì)NRXN1的影響及其與孤獨癥樣行為的關(guān)聯(lián)。
9只SPF級Sprague-Dawley母鼠按照1∶2的比例隨機分為維生素A正常(vitamin A normal,VAN)飲食(VA含量6 500 IU/kg)和VAD飲食(VA含量400 IU/kg)。喂養(yǎng)4周后,待各組母鼠血清VA水平達到標(biāo)準(zhǔn)(VAN母鼠≥1.05μmol/L;VAD母鼠<1.05μmol/L)[14]進行雌雄合籠(1∶1)。將VAN母鼠納入VAN組,VAD母鼠隨機分為VAD組和VAS組,每組3只。從母鼠孕期和哺乳期,到仔鼠生后6周齡,VAN組母鼠和仔鼠均喂養(yǎng)VAN飼料;VAD組母鼠和仔鼠均喂養(yǎng)VAD飼料。VAS組母鼠孕期喂養(yǎng)VAD飼料,哺乳期喂養(yǎng)VAN飼料;仔鼠從生后第1~7天通過灌胃補充VA(溶于大豆油,83.33 IU/d,每天1次),仔鼠斷奶后到6周齡喂養(yǎng)VAN飼料。VAN組和VAD組仔鼠在生后第1天均給予同等劑量大豆油(不含VA)灌胃,連續(xù)7 d。各組仔鼠在6周齡時隨機抽取20只雄鼠進行ASD相關(guān)行為學(xué)測試,測試完成后收集血清和腦組織,進行相關(guān)生化和電生理檢測。由于雌鼠生長緩慢不易達到VAD表型[5],本研究中所用仔鼠均為雄性。本實驗經(jīng)重慶醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院動物實驗倫理委員會批準(zhǔn)(CHCMUIACUC20200424017)。
使用ANY-Maze視頻跟蹤系統(tǒng)(美國Stoelting公司)測試仔鼠的孤獨癥樣行為。在曠場實驗中,曠場箱被分為中央?yún)^(qū)和周邊區(qū),依次將各組仔鼠從中央?yún)^(qū)放入,測試時間5 min。攝像系統(tǒng)記錄每只仔鼠在中央?yún)^(qū)的時間以評估其探索行為,記錄自我理毛時間明確是否具有重復(fù)刻板行為表現(xiàn)[19]。
三箱實驗在連通的透明三室箱中進行,是評估大鼠社交能力的經(jīng)典方法[19]。第1天,在中間箱放入仔鼠并讓其適應(yīng)5 min。第2天,在兩側(cè)箱的金屬籠中各放入1只同齡、同性別的陌生鼠和1個玩具,受測鼠從中間箱放入后在裝置中自由探索5 min。第3天,在兩側(cè)箱的金屬籠中分別放入陌生鼠和與受測鼠同籠同性別的熟悉鼠,受測鼠再次從中間箱放入后自由探索5 min。攝像系統(tǒng)記錄受測鼠在每個箱內(nèi)的活動時間,觀察大鼠的社交能力。
各組仔鼠麻醉后股動脈采血,離心取血清。開顱取出大鼠腦枕葉的視皮質(zhì)組織。取血清200μL,以甲醇∶水為97∶3(100μL)為流動相,采用高效液相色譜法(DUG-HPLC-20AT,日本)測定血清視黃醇水平[7]。
采用Promega Biotech總RNA提取試劑盒(Promega,美國)提取大鼠視皮質(zhì)組織RNA。用Prime Script RT試劑盒(Takara,日本)制備cDNA。引物序列如下:RARα:上游5'-ATTGCCGACCAGATTACC-3', 下 游 5'-AAAGCCAGCGTTGTGC-3';N-甲基-D-天冬氨酸受體 1(N-methyl-D-aspartate receptor subunit 1,NMDAR1):上游5'-AAGCTGCACGCCTTTATCTG-3',下 游5'-TTCTCATGGGACTTGAGTATGGA-3';NRXN1:上游5'-GCGTCAGCACTCAGGCATTGG-3',下 游 5'-TTCTTGCGTGTAGCCCGTTGTG-3';GAPDH:上 游5'-CCTGGAGAAACCTGCCAAG-3',下游5'-CACAGGAGACAACCTGGTCC-3'。cDNA在聚合酶鏈反應(yīng)(polymerase chain reaction,PCR)儀(Bio-Rad,美國)上進行擴增,反應(yīng)體系及反應(yīng)條件參考PCR SYBR green試劑盒(QIAGEN,德國)說明書。各目的基因以GAPDH為內(nèi)參照,結(jié)果采用2-ΔCt公式計算得出。
提取大鼠視皮質(zhì)組織總蛋白。使用BCA蛋白試劑盒(ATGene,美國)檢測蛋白濃度。通過電泳、轉(zhuǎn)膜、封閉,分別加入相應(yīng)的一抗:兔抗大鼠NMDAR1多克隆抗體(1∶1 000,Abcam,英國)、兔抗大鼠NRXN1α多克隆抗體(1∶10 000,Merck,德國)、兔抗大鼠NRXN1β多克隆抗體(1∶2 000,蘇州百遠(yuǎn)生物科技有限公司),兔抗大鼠RARα多克隆抗體(1∶1 000,Genetex,美國),小鼠抗大鼠GAPDH單克隆抗體(1∶5 000,Proteintech,美國)。在4℃冰箱孵育過夜,PBST漂洗3次后加入相應(yīng)二抗:HRP標(biāo)記山羊抗兔多克隆抗體(1∶5 000,ATGene,美國)、HRP標(biāo)記山羊抗小鼠多克隆抗體(1∶5 000,ATGene,美國),室溫孵育1 h,漂洗后ECL發(fā)光顯影。使用Image J軟件計算條帶灰度值,全蛋白以GAPDH為內(nèi)參。結(jié)果以目的蛋白與內(nèi)參GAPDH蛋白比值表示。
采用染色質(zhì)免疫共沉淀(chromatin immunoprecipitation,ChIP)試 劑 盒(Millipore,Bedford,美國)進行ChIP檢測。將視皮質(zhì)組織勻漿、交聯(lián)、超聲打斷DNA、用抗RARα抗體(sc-293417,Santacruz,美國)和IgG抗體(陰性對照)孵育制備protein G/antibody/protein/DNA復(fù)合物,樣品解交聯(lián)后進行DNA純化,利用LASAGNA-SEARCH 2.0轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)庫設(shè)計NRXN1基因啟動子區(qū)域引物序列,行PCR檢測。NRXN1基因啟動子的引物序列如下:上游5'-AACTGTCTTCAGCTGCCATC-3', 下 游 5'-TCTTGGGCTGTGCATGTATG-3';用2-ΔΔCt計算相對于IgG的富集倍數(shù),其中ΔΔCt=(標(biāo)準(zhǔn)化CtIPCtIgG)。
各組仔鼠麻醉后,4℃切片液灌注心臟。取出完整腦組織,并轉(zhuǎn)移到4℃含氧人工腦脊液中。用振動切片機將視皮質(zhì)組織行冠狀位切片后孵育1 h。刺激電極刺激視皮質(zhì)的Ⅳ層,記錄電極放置于視皮質(zhì)的Ⅱ~Ⅲ層,記錄場興奮性突觸后電位(field excitatory postsynaptic potentials,fEPSPs)。刺激強度為最大電場電位的50%,記錄fEPSP 15 min(基線)。用高頻電刺激(high frequency train stimulation,HFS)誘導(dǎo)長時程增強(long-term potentiation,LTP)并記錄45 min。HFS誘發(fā)后的fEPSP振幅較基線超過20%且持續(xù)至少30 min,稱為成功誘導(dǎo)LTP。使用PClamp10軟件(Molecular Devices)進行數(shù)據(jù)收集、分析和處理。
采用SPSS 25.0軟件進行統(tǒng)計分析。計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,多組間比較采用單因素方差分析,組間兩兩比較采用SNK-q檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
視黃醇是臨床評估VA缺乏的診斷指標(biāo)。3組(分別n=20)仔鼠血清視黃醇水平比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義(F=232.87,P<0.001)。VAD組仔鼠血清視黃醇水平[(0.53±0.06)μmol/L]明顯低于VAN組[(1.21±0.13)μmol/L]和VAS組[(1.14±0.12)μmol/L](P<0.05);VAS組血清視黃醇水平恢復(fù)至正常,與VAN組比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。這一結(jié)果表明,我們成功構(gòu)建了VAN、VAD和VAS大鼠模型。
在曠場實驗中,各組大鼠的移動總行程差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),表明孕期較低的視黃醇水平未損害后代視力相關(guān)的運動活動。與VAN組相比,VAD組在中央?yún)^(qū)停留時間更少(P<0.05),自我理毛時間更長(P<0.05)。與VAD組相比,VAS組在中央?yún)^(qū)停留時間更長(P<0.05)。見圖1、表1。
圖1 各組大鼠曠場實驗移動軌跡圖
表1 各組大鼠曠場實驗結(jié)果比較 (±s,n=20)
表1 各組大鼠曠場實驗結(jié)果比較 (±s,n=20)
注:[VAN]維生素A正常;[VAD]維生素A缺乏;[VAS]維生素A補充。a示與VAN組比較,P<0.05;b示與VAD組比較,P<0.05。
組別VAN組VAD組VAS組F值P值移動總行程(m)10.1±2.2 9.4±2.3 9.7±1.9 0.472 0.626中央?yún)^(qū)停留時間(s)4.5±2.6 1.6±1.5a 3.9±3.4b 6.820 0.002自我理毛時間(s)30±9 43±13a 35±7 9.216<0.001
在三箱實驗對陌生鼠與玩具間的社交偏好測試中,結(jié)果顯示VAD組在陌生鼠箱中的停留時間顯著短于VAN組和VAS組(P<0.05),在玩具箱中的停留時間則顯著長于VAN組和VAS組(P<0.05)。在對陌生鼠與熟悉鼠的社交偏好測試中,結(jié)果顯示VAD組在陌生鼠箱中的停留時間顯著短于VAN組和VAS組(P<0.05),在熟悉鼠箱中的停留時間顯著長于VAN組和VAS組(P<0.05)。提示妊娠期VAD會損害后代的社會互動和社會新奇認(rèn)知水平;生后早期補充VA后,這些受損行為可得到改善。見圖2、表2。
表2 各組大鼠三箱實驗各箱停留時間比較 (±s,s,n=20)
表2 各組大鼠三箱實驗各箱停留時間比較 (±s,s,n=20)
注:[VAN]維生素A正常;[VAD]維生素A缺乏;[VAS]維生素A補充。a示與VAN組比較,P<0.05;b示與VAD組比較,P<0.05。
組別VAN組VAD組VAS組F值P值陌生鼠與玩具的社交偏好測試玩具箱110±31 143±24a 112±29b 8.476 0.001中間箱49±17 45±13 49±23 0.334 0.718陌生鼠箱141±28 112±22a 138±30b 6.746 0.002陌生鼠與熟悉鼠的社交偏好測試熟悉鼠箱116±38 170±54a 124±49b 7.511 0.001中間箱43±22 38±32 36±25 0.353 0.704陌生鼠箱141±35 92±42a 140±41b 10.146<0.001
圖2 各組大鼠三箱實驗移動軌跡圖 上圖為大鼠在陌生鼠箱與玩具箱中移動的軌跡圖;下圖為大鼠在陌生鼠箱與熟悉鼠箱中移動的軌跡圖。
為研究孕期VAD對后代視皮質(zhì)可塑性的影響,檢測突觸可塑性關(guān)鍵蛋白NMDAR1的表達水平和LTP水平[20]。VAD組大鼠視皮質(zhì)NMDAR1 mRNA和蛋白表達水平均顯著低于VAN組和VAS組(P<0.05)。電生理實驗結(jié)果顯示,VAD組大鼠的LTP顯著低于VAN組和VAS組(P<0.05)。提示孕期VAD可能會影響仔鼠視皮質(zhì)突觸可塑性的改變,生后早期的VA補充能基本挽救VAD所致異常。見圖3、表3。
表3 各組大鼠視皮質(zhì)NMDAR1相對表達量及LTP水平比較 (±s)
表3 各組大鼠視皮質(zhì)NMDAR1相對表達量及LTP水平比較 (±s)
注:[NMDAR1]N-甲基-D-天冬氨酸受體1;[HFS]高頻刺激;[LTP]長時程增強。a示與VAN組比較,P<0.05;b示與VAD組比較,P<0.05。
組別VAN組VAD組VAS組F值P值NMDAR1 mRNA相對表達量(n=5)1.00±0.15 0.72±0.90a 0.97±0.08b 8.671 0.005 NMDAR1蛋白相對表達量(n=3)1.00±0.04 0.66±0.05a 0.94±0.03b 45.411<0.001 HFS誘導(dǎo)41~45 min的LTP平均值(n=9)166±14 123±7a 170±14b 85.576<0.001
圖3 VAN組、VAD組和VAS組大鼠視皮質(zhì)突觸可塑性的改變 左圖為突觸可塑性關(guān)鍵蛋白NMDAR1的電泳條帶圖(n=3)。右圖為LTP誘發(fā)前后的變化(n=9),用HFS誘發(fā)LTP并記錄,其中HFS誘發(fā)后的標(biāo)準(zhǔn)化fEPSP斜率增加20%以上且持續(xù)至少30 min,提示LTP誘發(fā)成功。
VAD組大鼠視皮質(zhì)RARα和NRXN1的mRNA表達水平顯著低于VAN組和VAS組(P<0.05)。VAD組RARα、NRXN1α和NRXN1β的蛋白表達水平顯著低于VAN組和VAS組(P<0.05)。ChIP檢測表明RARα在視皮質(zhì)NRXN1基因的啟動子上富集。在VAD組中,RARα轉(zhuǎn)錄因子在NRXN1基因啟動子區(qū)域預(yù)測位點的富集與VAN組和VAS組相比顯著降低(P<0.05),提示RARα轉(zhuǎn)錄因子可能通過與NRXN1基因的啟動子結(jié)合來調(diào)控其轉(zhuǎn)錄活性。見圖4、表4。
圖4 Western blot法檢測各組大鼠視皮質(zhì)RARα、NRXN1α、NRXN1β蛋白表達電泳圖(n=3)
表4 各組大鼠組大鼠RARα和NRXN1相對表達量比較 (±s)
表4 各組大鼠組大鼠RARα和NRXN1相對表達量比較 (±s)
注:[VAN]維生素A正常;[VAD]維生素A缺乏;[VAS]維生素A補充。a示與VAN組比較,P<0.05;b示與VAD組比較,P<0.05。[RARα]視黃酸受體α;[NRXN1]軸突蛋白1;[NRXN1α]軸突蛋白1α;[NRXN1β]軸突蛋白1β。
組別VAN組VAD組VAS組F值P值RARαmRNA(n=5)1.00±0.13 0.57±0.64a 0.99±0.17b 16.851<0.001 RARα蛋白(n=3)1.00±0.10 0.52±0.02a 0.94±0.03b 17.667 0.003 NRXN1 mRNA(n=5)1.00±0.11 0.40±0.10a 0.85±0.19b 23.881<0.001 NRXN1α蛋白(n=3)1.00±0.08 0.59±0.03a 0.92±0.12b 17.126 0.003 NRXN1β蛋白(n=3)1.00±0.07 0.51±0.06a 1.01±0.09b 39.221<0.001 RARα在NRXN1基因啟動子區(qū)域的富集量水平(n=3)8 280 655±1 015 390 5 136 636±900 535a 80 430 975±612 772b 12.439 0.007
ASD兒童常共患嚴(yán)重挑食及胃腸道問題,因此易出現(xiàn)營養(yǎng)缺乏癥[21]。研究發(fā)現(xiàn),在ASD兒童常見的微量營養(yǎng)素中,VAD的檢出率(77.9%)最高[22],且與ASD部分核心癥狀有關(guān)。動物實驗發(fā)現(xiàn),生命早期VAD誘導(dǎo)的RA信號下調(diào)可能是ASD的風(fēng)險因素[5]。此外,丙戊酸、三氯生等環(huán)境因素均可通過下調(diào)RA信號通路參與大鼠孤獨癥樣行為的發(fā)生[6,19]。但RA信號對ASD的具體機制還需進一步探討。本研究成功構(gòu)建了孕期開始的持續(xù)VAD大鼠模型,對部分VAD仔鼠生后早期補充VA,其血清VA恢復(fù)到正常水平。行為學(xué)結(jié)果顯示,盡管VAD仔鼠沒有運動活動障礙,但它們表現(xiàn)出明顯的社交障礙和增加的重復(fù)性行為,VA補充能有效改善仔鼠的孤獨癥樣行為,這與既往研究[5]結(jié)果相同。以上提示孕期VAD可誘發(fā)后代的孤獨癥樣行為,孕期VAD可能是ASD的危險因素。
突觸相關(guān)基因NRXN1是ASD的易感基因[8],且參與NMDA介導(dǎo)的突觸傳遞[23],調(diào)節(jié)視皮質(zhì)的突觸可塑性[10,15-16]。Kim等[24]發(fā)現(xiàn)ASD患者大腦中NRXN1的表達顯著降低。且NRXN1基因敲除小鼠存在社會交往和認(rèn)知功能受損的表現(xiàn)[25]。近期研究表明,NRXN1通過影響突觸可塑性穩(wěn)態(tài)參與ASD發(fā)?。?-9]。本研究中,VAD組仔鼠視皮質(zhì)NRXN1的mRNA和蛋白表達水平下降,同時NMDAR1的mRNA和蛋白表達水平下調(diào),LTP降低。生后早期VA補充治療后,VAS組仔鼠的孤獨癥樣行為得到改善,視皮質(zhì)NRXN1、NMDAR1表達水平和LTP水平明顯改善,提示RA通路異??赏ㄟ^下調(diào)NRXN1表達引起視皮質(zhì)突觸可塑性異常參與大鼠孤獨癥樣行為的形成。
VA的絕大部分作用是通過RA與RARs的結(jié)合進而調(diào)控RA靶基因的轉(zhuǎn)錄表達[3]。RARα信號影響小鼠視皮質(zhì)的突觸穩(wěn)態(tài)可塑性,該信號受損可能與神經(jīng)精神疾病有關(guān)[17]。有研究報道,NRXN與RA信號通路有關(guān),NRXN的突觸組織者小腦蛋白2直接由RA介導(dǎo)[18],提示NRXN1可能與RA信號下調(diào)引起的后代孤獨癥樣行為的發(fā)病機制有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn),與VAN組相比,VAD組仔鼠視皮質(zhì)RARα和NRXN1的表達水平均降低。ChIP檢測結(jié)果顯示,VAD組較VAN組在NRXN1基因啟動子區(qū)RARα的富集減少,提示RARα信號可能調(diào)控NRXN1的轉(zhuǎn)錄。在VAS組中,VA補充可增加RARα和NRXN1的表達,上調(diào)RARα與NRXN1基因啟動子的結(jié)合。以上結(jié)果表明,妊娠期VAD導(dǎo)致RARα表達減少,從而導(dǎo)致RARα與NRXN1的結(jié)合減少,進而影響視皮質(zhì)的突觸可塑性。近期研究認(rèn)為,ASD兒童存在全腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受損,其神經(jīng)環(huán)路的突觸功能異常與ASD密切相關(guān)[10]。從RARα-NRXN1下調(diào)引起視皮質(zhì)可塑性與孤獨癥行為變化的相關(guān)性使我們推測這種變化可能參與ASD的神經(jīng)環(huán)路受損,也可能參與VAD仔鼠的孤獨癥樣行為形成。然而本實驗未能有條件檢測視皮質(zhì)的行為學(xué)指標(biāo),且僅在體內(nèi)利用ChIP檢測了RARα可以與NRXN1有結(jié)合,尚未在NRXN1基因啟動子上尋找具體的結(jié)合位點,這將成為我們下一步的研究重點。
綜上所述,RARα可結(jié)合在NRXN1基因啟動子上調(diào)控其mRNA表達水平,進而影響大鼠視皮質(zhì)突觸可塑性參與VAD大鼠孤獨癥樣行為的形成。