J Hazard Mater | 四川农业大学倪学勤团队展现恒久氟袒露所致空间影象损伤的分子机制
氟化物是一种公认的情形污染物，，，在全球规模内普遍保存，，，我国恒久保存饮水型、燃煤型及饮茶型等差别类型的高氟袒露征象，，，是遭受氟威胁最严重、地区漫衍最普遍的国家之一。。。虽然适量的氟对机体牙齿、骨骼的钙化、神经兴奋的传导和酶系统的代谢均有增进作用，，，但大宗的研究批注高氟袒露可严重危害机体康健，，，包括诱发氟中毒，，，氟骨病等，，，还会对肾脏、肝脏、心血管、免疫系统、中枢神经系统等组织均有差别水平的损害作用。。。值得注重的是，，，氟化物引起的脑损伤导致中枢神经系统受损的报道先于牙齿病变，，，研究发明，，，氟化物袒露可损害神经中枢并诱导影象功效障碍，，，且脑功效损伤及其潜在机制可能因氟化物剂量而异。。。然而氟化物诱发脑功效障碍的机制仍不明确。。。
研究效果
2023年5月7日，，，四川农业大学动物医学院倪学勤教授团队在国际情形领域着名期刊《Journal of Hazardous Materials》上揭晓题为“Prolonged Fluoride Exposure Induces Spatial-memory Deficit and Hippocampal Dysfunction by Inhibiting Small Heat Shock Protein 22 in Mice”的研究论文。。。该研究展现了恒久高氟饮水可导致小鼠线粒体结构和功效受损，，，调控线粒体结构和功效的卵白Hsp22通过介导PGC-1α-TFAM和NF-κβ-STAT3这两个要害信号通路加入高氟所致空间影象损伤的主要潜在机制。。。该效果进一步提醒了恒久生涯于高氟袒露地区人民的潜在康健隐患。。。
效果
01 恒久接触氟化物导致小鼠空间影象缺陷及认知功效障碍
首先，，，研究团队构建氟袒露小鼠模子：4周龄小鼠给予含25ppm（低剂量组）或50ppm（高剂量组）NaF的含氟饮用水，，，一连56周至晚年期（图1A）。。。借助Morris水迷宫试验（Morris water maze, MWM）探讨了慢性氟化物袒露对认知功效的影响，，，定位航行实验和空间探索实验效果显示，，，氟袒露组小鼠的逃避潜在期显著增添，，，在有用区域（原平台所在区域）穿梭停留时间显着降低，，，提醒了恒久接触氟化物导致小鼠空间影象缺陷，，，认知学习能力下降，，，且损伤水平与氟袒露之间保存剂量依赖关系（图1）。。。
图1 长时间接触氟化物导致小鼠空间影象障碍
为研究氟袒露是否会在短期内导致小鼠影象缺陷，，，研究者划分给予8周龄和48周龄小鼠含氟（50ppm）饮用水，，，一连12周（图2A,B）。。。MWM效果显示，，，短期氟袒露组小鼠穿越原平台次数及逃避潜在期和比照组小鼠相比无显着区别（图2C,D），，，神经元功效维持至关主要的功效基因BDNF和CREB卵白表达水平也无显着转变（图2E,F）。。。这些效果提醒了氟化物袒露在短期内不会引起影象缺陷，，，引起高氟所致空间影象损伤取决于恒久袒露。。。
图2 短期氟化物袒露不会引起小鼠影象缺陷
02 恒久氟袒露诱导小鼠海马损伤及线粒体结构和功效障碍
接下来，，，研究团队探讨长时间氟袒露对小鼠海马的影响，，，发明氟袒露组小鼠的体重、脑重，，，以及高剂量氟袒露组（F-High）小鼠的脑体指数均显着低于比照组小鼠（图3A），，，氟袒露引起的病理改变主要在海马CA3和CA1区，，，体现为神经元变性显著增添，，，F-High组小鼠神经元数目显着降低（图3D）。。。氟袒露组小鼠海马中BDNF和CREB的mRNA和卵白水平显著下降（图3B,C,E）。。。这些效果提醒了恒久接触氟化物诱导海马损伤。。。
图3 恒久氟袒露诱导海马损伤和影象相关卵白下调
随后，，，研究团队进一步探讨了氟袒露对海马神经振荡和神经元行动电位发放的影响。。。通过对小鼠海马CA1神经元举行细胞外纪录，，，发明氟袒露诱发局部场电位（local field potential, LFP）光谱功率转变，，，LFP显著降低，，，同时theta, alpha, beta和gamma频段振荡下降（图4B）。。。别的，，，氟袒露组小鼠的海马神经元放电显着降低，，，诱导LTP的能力受损（图4C,D）。。。以上效果均呈剂量依赖性（图4）。。。
图4 恒久氟袒露改变了海马神经元放电
透射电镜（TEM）视察发明，，，氟袒露组小鼠海马线粒体结构异常，，，神经元凋亡（图5A），，，线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential,MMP）和ATP含量呈剂量依赖性下降（图5B,C）。。。通过对海马线粒体呼吸链复合体剖析发明，，，氟袒露导致线粒体生物爆发受到抑制，，，呼吸链复合体I/II/III/V活性显着降低（图5D-G）。。。
图5 恒久氟袒露诱导海马神经元线粒体功效障碍
03 恒久氟袒露抑制Hsp22的表达及其介导的PGC-1α/ TFAM和NF-κβ/STAT3信号通路
基于上述效果，，，研究团队进一步探讨了介导这些影响的潜在调理因子。。。借助分子生物学手艺发明，，，长时间氟袒露组小鼠中Hsp22和ATF4的表达显著降低（图6A,B）。。。Hsp22缺失和ATF4高表达抑制了线粒体功效，，，Hsp22可通过PGC-1α-TFAM和NF-κβ-STAT3这两个要害信号通路介导线粒体功效。。。PGC-1α-TFAM信号通路增进线粒体生物爆发，，，NF-κβ-STAT3信号通路提高线粒体呼吸链酶的活性。。。鉴于此，，，作者研究这两条信号通路发明，，，氟袒露导致PGC-1α-TFAM和NF-κβ-STAT3信号通路被抑制，，，PGC-1α卵白水平降低，，，高剂量氟袒露组TFAM卵白水平亦显著降低（图6C-E）。。。别的，，，细胞和线粒体中STAT3的卵白水平各组间无显著差别，，，线粒体中p-S727 STAT3（被Hsp22激活并易位到线粒体的效应卵白）表达水平呈氟袒露剂量依赖性降低（图6E,F）。。。
图6 恒久氟袒露抑制海马Hsp22的表达及其介导的线粒体调控通路
04 Hsp22通过介导PGC-1α-TFAM和NF-κβ-STAT3信号通路双向调控恒久氟袒露诱发的空间影象缺陷
为探讨Hsp22是否加入氟袒露诱导的小鼠影象缺陷，，，研究者在小鼠海马区注射pAAV-hSyn-EGFP-P2A-Hspb8–3xFLAG-WPRE病毒，，，以特异性在海马神经元中过表达Hsp22（图7A-C）。。。MWM效果显示，，，过表达Hsp22（F + pAAV-Hsp22）可显著逆转由氟化物袒露引起的逃避潜在期增添和穿越原平台次数镌汰的征象（图7D,E）。。。这提醒了Hsp22过表达改善了长时间氟袒露诱发的空间影象缺陷。。。
图7 海马神经元过表达Hsp22可改善恒久氟袒露引起的影象缺陷
进一步研究发明，，，Hsp22过表达改善氟袒露引起的突触可塑性损伤（图8A-C），，，以及逆转了线粒体生物爆发受到抑制的情形，，，恢复线粒体呼吸链复合体I/II/V活性，，，增进ATP水平升高，，，改善线粒体功效障碍（图8D-E）。。。
图8 海马神经元过表达Hsp22通过介导PGC-1α-TFAM和STAT3信号通路逆转恒久氟袒露诱导的线粒体功效障碍
最后，，，研究者在小鼠海马区下调Hsp22的表达进一步验证其在氟化物诱导影象缺陷中的作用，，，将pAAV-U6-shRNA(Hspb8)-CMV-EGFP-WPRE注射小鼠海马以下调Hsp22的表达（图9A-C）。。。MWM效果显示，，，氟袒露组小鼠海马下调Hsp22表达（F+Hsp22 shRNA）后，，，加重了小鼠空间影象损伤，，，体现为更显着延伸的逃避潜在期（图9D-E）。。。
图9 Hsp22缺失加重了恒久氟袒露诱发的影象缺陷
借助分子生物学手艺和电心理纪录显示，，，Hsp22缺失对正常小鼠线粒体功效没有影响，，，但加重了氟袒露诱发的海马突触可塑性损伤及线粒体生物爆发（图10）。。。
综上，，，这些数据提醒了海马神经元中Hsp22加入氟袒露诱导的小鼠影象缺陷机制，，，其通过介导PGC-1α-TFAM和NF-κβ-STAT3信号通路双向调控恒久氟袒露诱发的空间影象缺陷，，，海马神经元中高表达Hsp22可通过激活信号通路增进线粒体生物爆发和线粒体呼吸复合物活性的增强改善氟化物所致的空间影象缺陷；；；；；而下调Hsp22的表达通过抑制线粒体功效加剧高氟导致的认知能力下降。。。
图10 Hsp22缺失加剧了恒久氟袒露诱导的线粒体功效障碍
结论
本文借助分子生物学手艺、行为学范式、病毒载体介导的基因功效获得/丧失、电心理纪录等手段展现了恒久氟袒露对小鼠空间影象的影响及其机制。。。研究发明，，，恒久低剂量高氟饮水可致小鼠空间影象障碍，，，海马线粒体结构和功效受损，，，且调控线粒体结构和功效的卵白Hsp22表达受到抑制。。。通过AAV介导的活体特异性调控海马Hsp22表达，，，证实Hsp22下调介导的PGC-1α/ TFAM-mtDNA信号轴以及NF-κβ/STAT3-线粒体酶活性信号轴的抑制是氟所致空间影象损伤的主要潜在机制。。。该效果为恒久氟袒露导致的中枢神经系统损伤提供了理论支持，，，并进一步展现了恒久生涯于高氟袒露地区人民的潜在康健隐患。。。
四川农业大学动物医学院博士辛金鸽为论文第一作者，，，倪学勤教授为通讯作者。。。电子科技大学生命科学与手艺学院徐鹏教授为论文配合通讯作者。。。本研究获得了国家自然科学基金及四川省自然科学基金的支持。。。
UG环球生物有幸为研究者提供实验中使用的所有AAV载体，，，以现实验动助力神经科学研究！
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389423008786
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