Nat Commun丨新疗法通过下丘脑研究或为阿尔茨海默病带来突破

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2024年10月31日，阿尔伯特·爱因斯坦医学院蔡东升在Nature communications发表“Targeting the hypothalamus for modeling age-related DNA methylation and developing OXT-GnRH combinational therapy against Alzheimer’s disease-like pathologies in male mouse model”，揭示了针对下丘脑进行建模年龄相关的DNA甲基化，并开发催产素-促性腺激素释放激素(OXT-GnRH)联合疗法，以对抗雄性小鼠模型中的阿尔茨海默病样病理。

下丘脑在衰老过程中扮演着重要的角色，但关于其背后的表观遗传学机制仍然不清楚。通过比较小鼠下丘脑与另外两个边缘系统组成部分，作者发现下丘脑在年轻时期具有独特的高水平DNA甲基化特征，并且在接近中年时显示出DNA甲基化和去甲基化的特有动态变化。另一方面，这些边缘系统组成部分中与年龄相关的DNA甲基化通常且敏感地应用于下丘脑调节途径中的基因，特别是催产素（OXT）和促性腺激素释放激素（GnRH）途径。在治疗上，OXT-GnRH联合疗法在治疗雄性5×FAD模型中的AD样疾病方面，比单独使用肽类更有效。

1. 下丘脑与海马和OB的年龄相关DNA甲基化

为了探究C57BL /6小鼠中与年龄相关的下丘脑DNA甲基化，作者研究了下丘脑，并将其与另外两个边缘系统组成部分：海马 和嗅球（OB）进行了比较。亚硫酸盐寡核苷酸捕获测序（Bisulfite Oligonucleotide Capture Sequencing, BOCS）是一种高通量测序技术，用于研究DNA甲基化。该技术结合了亚硫酸盐处理和寡核苷酸捕获的方法，可以高效地富集和分析特定区域的DNA甲基化状态。从2月龄（代表年轻）和12月龄（代表中年）的标准雄性C57BL/6小鼠中分离出下丘脑、海马和嗅球。研究从年轻到中年的过渡有助于识别可能对随后衰老相关疾病更具因果意义的早期变化。与海马和嗅球相比，年轻小鼠下丘脑的DNA甲基化水平明显最高，但在中年小鼠中这种差异趋于不那么明显。显然由于CG甲基化和CH去甲基化的动态不同 ，下丘脑的DNA甲基化模式在年轻时期明显不同于其他两个大脑区域的模式，但这种差异在接近中年时下降。

2. 在衰老或AD模型中，OXT和GnRH基因的DNA甲基化和转录

作者之前的工作分别将GnRH和OXT与系统性衰老或生理学联系起来，总体上表明这些肽可能在影响衰老等条件下的大脑健康方面有着密切的关系。分析下丘脑样本的DNA甲基化数据，随后比较了年轻和中年小鼠下丘脑中OXT和Gnrh1的mRNA水平。qRT-PCR方法获得的数据显示，在从小鼠年轻到中年的过渡期间，OXT和Gnrh1的mRNA水平在下丘脑中显著下降。使用了与衰老相关的AD（阿尔茨海默病）样模型5xFAD小鼠，以评估在AD样表型出现之前，下丘脑是否可能发生类似的改变。与野生型对照相比，5xFAD小鼠下丘脑中OXT和Gnrh1的转录水平也明显下调。即OXT和GnRH途径的下降在与衰老相关的AD样条件下是共同参与的。

3. 在衰老或AD样模型中，Adcy家族成员的DNA甲基化和转录

除了OXT和Gnrh1基因外，下丘脑、海马和嗅球的年龄相关差异甲基化区域（DMR）分析包含了多个腺苷酸环化酶（Adcy）家族成员。Adcy家族蛋白共同介导OXT和GnRH信号传导。通过调节cAMP水平，Adcy成员将OXT和GnRH刺激与下游蛋白激酶联系起来，这些蛋白激酶调节从基因表达和神经递质释放到突触可塑性。Adcy家族成员的异常表达与许多神经疾病相关，包括AD和抑郁障碍。与年轻小鼠相比，中年小鼠多个Adcy基因的启动子区域的总甲基化水平显著降低，而Adcy基因在接近中年时经常在近端启动子区域发生低甲基化。并发现中年与许多Adcy基因的显著下调相关。此外，5xFAD模型小鼠的海马mRNA水平较低。综合来看，在衰老和5xFAD模型中，下丘脑中OXT和Gnrh1的转录，以及海马中Adcy成员的转录，通常都存在缺陷。

4. OXT-GnRH联合治疗在AD小鼠模型中的治疗意义

作者研究了9月龄的5xFAD小鼠模型，该模型表现出强烈的AD样表型，重点比较OXT-GnRH联合治疗与单独肽治疗。采用了鼻腔给药方法，这是一种在研究中常用于将肽输送到大脑以治疗神经系统疾病的方法。为了帮助区分联合治疗与单独治疗的效果，OXT和GnRH以相对较低的剂量（分别为50 ng和5 ng）通过鼻腔给药，治疗周期相对较短（2个月）。治疗结束后，动物通过一系列非侵入性神经行为测试进行评估，包括旷场、握力测试、Y迷宫、新奇物体识别、社交互动和Morris水迷宫。OXT-GnRH联合治疗在这种AD样模型中对各种神经系统疾病产生了非常明显的效果，而单一肽治疗的效果则相对较小。5xFAD模型在各个大脑区域有大量的Aβ斑块，包括海马CA1、CA3和齿状回（DG）、内嗅皮层和中脑下丘脑。与生理效应一致，OXT-GnRH联合治疗几乎完全逆转了Aβ沉积。与联合治疗相比，单一肽治疗的效果要小得多。总的来说，与单一肽治疗相比，OXT-GnRH联合治疗在治疗神经系统疾病和减少5xFAD模型中的Aβ斑块方面具有明显效果。

综上所述，这一发现强调了下丘脑在年龄相关脑区DNA甲基化中的重要性，对OXT和GnRH途径的识别支持了研究这些神经肽是否可以用于靶向衰老相关疾病的可能性。通过这项研究可以更好地理解下丘脑在年龄相关DNA甲基化中的作用，以及这些变化如何影响哺乳动物的衰老过程。这为未来的衰老研究和潜在的治疗策略提供了重要的线索。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41467-024-53507-8

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