FGF21基因内源性缺失对认知功能影响及其机制的研究

《Physiology & Behavior》：Investigation of the effects and mechanisms of endogenous deletion of FGF21 on cognitive functions

本研究通过建立FGF21敲除小鼠模型，发现其认知功能受损、焦虑样行为及神经元退化，转录组学显示代谢和突触传递异常，PPAR信号通路可能介导其作用，提示FGF21是治疗相关认知疾病的关键靶点。

　　认知功能障碍是一种在多个神经领域如语言、记忆和推理能力上出现下降的现象，广泛存在于多种神经系统疾病和衰老过程中。这种障碍严重影响了个体的生活质量和整体健康。纤维母细胞生长因子21（FGF21）作为一种调节葡萄糖/脂质代谢和能量稳态的激素，表现出显著的神经保护特性。为了深入探讨内源性FGF21缺失对认知功能的影响及其机制，研究人员使用了FGF21基因敲除小鼠和野生型小鼠作为实验模型。通过多种行为学范式评估FGF21对小鼠认知行为的作用，并利用尼氏染色和HE染色观察形态学变化，同时进行转录组测序以探索FGF21与认知障碍相关疾病之间的潜在联系。

行为学和形态学分析的结果显示，FGF21基因敲除的小鼠表现出学习和记忆能力的下降、类似焦虑的行为以及神经元退化现象。然而，内源性FGF21的缺失并未影响小鼠的基本运动能力。转录组分析揭示了FGF21的缺乏改变了多个神经保护过程，包括代谢、炎症反应调节以及突触传递等关键生物学过程。研究发现，这些基因参与了多种信号通路，如神经活性配体-受体相互作用通路、激素信号通路以及过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）信号通路。这些发现表明，内源性FGF21的缺乏可能通过下调PPAR信号通路来影响其生物活性，从而破坏认知完整性。这一研究结果提示FGF21可能是认知功能的关键内源性调节因子，并且在治疗认知障碍相关疾病方面具有广阔的应用前景。

认知功能障碍在许多神经系统疾病中普遍存在，并且随着年龄增长而逐渐加重。这类疾病显著降低了个体的健康水平和生活质量。其中，阿尔茨海默病（AD）是最常见的导致认知功能障碍的神经系统疾病之一。根据阿尔茨海默协会的报告，AD主要影响中老年人群，尽管早期发病的情况也存在。AD的特点是记忆和其他认知领域的进行性下降。此外，血管性认知障碍（VCI）、额颞叶痴呆（FTD）以及路易体痴呆（DLB）等疾病也与认知功能障碍密切相关。以往的研究表明，上述神经系统疾病的主要驱动因素包括能量稳态的改变、DNA和RNA的缺陷、病理性蛋白聚集、突触和神经网络功能障碍、异常蛋白沉积、细胞骨架异常、炎症反应以及神经元死亡等。目前，这些疾病的临床治疗效果仍不理想，因此迫切需要开发更为有效的治疗手段。

内分泌因素在调节大脑功能方面发挥着重要作用，例如由代谢组织分泌的瘦素和脂联素等。这些因子通过多种机制影响脑功能。此外，越来越多的证据表明，FGF21不仅可以在代谢组织中分泌，还能够穿过血脑屏障，作用于中枢神经系统（CNS），从而影响与认知相关的疾病进程。FGF21作为一种类似激素的内分泌因子，主要调控葡萄糖和脂质代谢以及能量稳态，已被认为是多种代谢疾病的重要治疗靶点。FGF21通过与细胞表面受体复合物结合，激活FGFR信号通路。该受体复合物包括FGFR1c和必需的共受体β-klotho（KLB），两者在多个脑区中均有表达。循环中的FGF21主要来源于肝脏，但FGF21的mRNA也在心脏、骨骼肌、大脑和脂肪等多种组织中被检测到。外周分泌的FGF21能够穿越血脑屏障，进入中枢神经系统，并与局部表达的受体复合物结合，从而调节能量稳态。最新的研究发现，FGF21在少数脑区中也有表达，包括 retrosplenial cortex（RSC）和丘脑。特别是来源于RSC的FGF21，对于空间记忆的形成至关重要，并且可以增强空间记忆的巩固过程。

已有大量研究表明，FGF21能够通过多种途径改善认知功能。例如，Yu Yinhang等人发现，FGF21可以减少由D-半乳糖诱导的衰老小鼠海马区损伤，从而改善认知功能。Kang Kai等人则证明，FGF21通过调节NF-κB和AMPKα/AKT等信号通路，抑制神经炎症和氧化应激，进而缓解神经退行性疾病。Sa-Nguanmoo Piangkwan等人发现，FGF21能够修复突触可塑性，增加树突棘密度，改善大脑线粒体功能，并提升肥胖-胰岛素抵抗小鼠的认知记忆能力。这些研究共同表明，FGF21在神经系统中发挥着关键作用，可能通过多种机制促进认知功能的维持和修复。

然而，目前关于内源性FGF21缺失对认知和情绪过程的具体影响仍不明确。因此，本研究旨在通过评估内源性FGF21缺失对认知功能的影响，作为独立变量，来揭示其作用机制。研究采用了FGF21基因敲除小鼠和野生型小鼠，并通过全面的行为学测试（包括开放场测试、Y迷宫测试和莫里斯水迷宫测试）评估其认知和情绪行为。同时，利用尼氏染色和HE染色分析脑组织形态学变化，并通过转录组测序识别异常调控的信号通路。

实验结果显示，FGF21基因敲除的小鼠在开放场测试中表现出显著的总移动距离减少（P < 0.05）、平均速度下降（P < 0.05）以及中心区域进入次数减少（P < 0.05）。这些结果表明，内源性FGF21的缺乏可能损害小鼠的运动能力，并促进类似焦虑的行为。与这些发现一致，FGF21缺失的小鼠在行为学测试中也表现出其他认知功能的下降。形态学分析进一步揭示了FGF21缺失与神经元退化之间的关联，而转录组分析则表明，FGF21的缺乏导致了多个关键生物学过程的紊乱，包括脑代谢、突触传递以及相关的信号通路。

此外，功能性富集分析显示，FGF21的缺失影响了多个重要的生物过程，包括能量代谢、炎症反应调节、突触传递等。这些基因参与了多种信号通路，如神经活性配体-受体相互作用通路、激素信号通路以及PPAR信号通路。研究结果表明，内源性FGF21的缺乏可能通过下调PPAR信号通路，从而影响其神经保护作用。这些发现不仅加深了我们对FGF21在认知功能维持中的作用的理解，也为未来针对认知障碍相关疾病的治疗策略提供了新的思路。

尽管本研究取得了重要的成果，但仍存在一些局限性。首先，由于样本量相对较小，研究结果的稳健性和普遍适用性可能受到一定限制。虽然这种样本量在探索性动物研究中较为常见，并且符合伦理原则（3Rs原则：替代、减少和优化），但在未来的进一步研究中，需要更大的样本量来验证和扩展当前的发现。其次，本研究采用的是名义上的P < 0.05阈值，这是一种在许多研究中常见的统计方法，但在某些情况下可能不够严谨。因此，未来的研究可能需要采用更为严格的统计标准，以确保研究结果的可靠性。此外，尽管本研究主要关注FGF21在认知功能中的作用，但其对其他神经系统疾病的影响仍需进一步探讨。因此，未来的研究可以扩展到其他神经系统疾病，以全面评估FGF21的潜在治疗价值。

综上所述，本研究揭示了内源性FGF21在维持认知功能中的关键作用。通过FGF21基因敲除小鼠的实验，研究发现FGF21的缺乏会导致学习和记忆能力的下降，引发类似焦虑的行为，并与神经元退化有关，但不会影响小鼠的基本运动能力。转录组分析进一步表明，FGF21的缺失影响了多个重要的生物学过程，包括脑代谢、突触传递等。这些发现不仅表明FGF21在认知功能中的重要性，也提示其可能成为治疗认知障碍相关疾病的有效靶点。随着对FGF21作用机制的深入了解，未来有望开发出基于FGF21的新型治疗方法，为认知障碍患者带来新的希望。